砂卵石层串珠状溶洞地质条件下大直径单桩水平静载试验及数值仿真分析.pdf

第6 期（总第2 9 0 期）2023年6 月D0I:10.16799/ki.csdqyfh.2023.06.029城市道桥与防洪URBANROADSBRIDGES&FLOODCONTROL桥梁结构砂卵石层串珠状溶洞地质条件下大直径单桩水平静载试验及数值仿真分析吴子儒（广东省建科建筑设计院有限公司，广东广州510 0 0）摘要：砂卵石和串珠溶洞地质条件下的桥梁桩基水平承载力和变形机理研究目前并不充分。为合理确定该地质条件下无铰拱桥桩基水平承载力，开展了现场水平静载试验，分析了该类地质条件下桩基水平承载力的合理值，为类似工程提供参考。并运用GTS有限元软件开展了数值模拟，建模以修正摩尔库伦模型模拟砂卵石层，并在桩土之间设置Goodman接触单元，在桩端设置桩端单元。同时假定串珠状溶洞为椭球状分布，为防止计算出现不收敛的情况，对空腔内部进行特殊处理，采用统一理论模拟钢护筒和筒内混凝土。在此基础上，分析了桩顶受荷时H-Y曲线和H-Y o/H 曲线,并将数值结果与实测结果进行了对比。结果表明,在合理运用本构模型和土工参数情况下，有限元数值仿真结果与现场试验结果吻合度较高，有限元软件可以作为确定这种特殊地质条件下桩基水平承载力的有力技术手段，为确定单桩水平承载力提供新思路。关键词：本构模型；Goodman接触单元；桩端单元；桩基水平静载试验；荷载位移曲线中图分类号：TU443.15文献标志码：B文章编号：10 0 9-7 7 16(2 0 2 3)0 6-0 10 6-0 4但上述研究均是针对串珠状岩溶条件下的桩基0引言水平承载的。鉴于此，首先开展了砂卵石层串珠状溶岩溶地貌在我西南山区分布极为广泛，桥梁穿洞地质条件下大直径单桩水平静载试验，为该类桩基越该区域桩基难免会穿越溶洞层 I-2。而其中串珠状的承载过程提供第一手资料，以供工程设计计算参岩溶由于发育程度和规模不一，且沿深度方向溶洞数考。之后在此基础上进行了GTS有限元数值仿真分量分布较多,因此桩基的荷载传递机理尤为复杂。在析，通过有限元数值模拟和现场试验得出单桩的水平桩基设计中,桩土作用效应机理和桩顶荷载位移临界荷载、水平极限荷载，并与实测数据进行对比验曲线和水平承载力的确定一直是最为核心的问题。而证其合理性。目前对串珠状岩溶条件下的桩基水平承载力的研究1大直径单桩水平静载试验极少,开展该类问题的研究具有极为重要的意义。国内外工程技术和科研人员已采用有限元软件对桩基水平承载力进行了大量的研究工作。朱碧堂 4经过大量试验研究，认为5 15m范围内的土体性质是影响桩基水平承载力的主要因素。马海艳等 5进行了不同工况下桩基的水平承载特性试验，拟合得出了不同工况下桩基水平临界承载力经验公式。李洪江等 6 根据传统分析方法，推导桩基水平承载力挠曲微分方程，首次提出小变形下考虑摩擦效应的桩基水平承载计算方法。Y.M.Hsiung7根据计算分析了影响桩基水平承载力相关因素，主要包括桩径、上部土层物理性质、桩顶约束条件和荷载加载形式等。收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 1作者简介：吴子儒（19 7 9 一），男，硕士，高级工程师，从事市政路桥、隧道设计与研究工作。1.1桥梁概况珠江水系南水河河涌宽度约为56 m，河道管理范围控制线宽度约为8 7.4m。桥梁采用上承式板拱桥，拱肋矢跨比为1/8,跨径组合为1 56 m。桥宽2 4m，主拱圈宽2 4m，厚度为1.0 m。主拱圈的线形采用二次抛物线，桩基材料采用C35水下混凝土。承台下设置3排桩基，桩基横向间距为5m，每排桩基个数为6 个，桩基纵向间距为4.5m，总共18根直径1.8 m的钻孔灌注桩。桩基均按端承桩设计。桥型布置见图1。根据勘察资料，检测桩基处于砂卵石土层和微风化岩地质中，根据地质将土层分为2 层，且桩位处存在大量随机分布的溶洞，显然为串珠状岩溶。溶洞处理采用钢护筒+冲孔+浇筑混凝土桩基的方式。各土106吴子儒：砂卵石层串珠状溶洞地质条件下大直径单桩水平静载2023年第6 期试验及数值仿真分析城市道桥与防洪层材料参数见表18,参数值来源见文献 8 。789327512652800县道318图1桥型布置图（单位：cm）序号土层名称重度/(kNm-3)1砂卵石2风化岩QQQ0-220Q0-7Q0-10Q0-190-149-1-1Z20-18图2 桩位布置与钻孔平面图54-DKBZ1-0DKaZK48-42-363024181.2桩位布置812932752800南水河黏聚力c/kPa内摩擦角()泊松比20.1520.312000-Q0-9Q0-11Q0-1290-1544041-54C4502.44)52122.40C27.54)262OKBZ2-36.508:.44)7891265国道32 3表1各土层物理力学指标350.25300.31.4现场试验结果分析大直径单桩水平静载试验结果见表2,Q0-13#和Q0-16#桩荷载H-水平位移Y曲线见图5。(1)对Q0-13#桩进行单桩水平静载试验。随着荷载逐级增加，水平位移量逐渐增大，加载至第12 级荷载为2 32 5kN时，最大水平位移量为46.52 mm，满足终止加载条件，遂终止试验。根据H-Y o/A H 曲线，水平临界荷载取第一拐点对应的水平荷载值，即1356kN,H-Y o/H 曲线未出现第二拐点。(2)对Q0-16#桩进行单桩水平静载试验。随着荷载逐级增加，水平位移量逐渐增大，加载至第14级荷载为2 7 12.5kN时，最大水平位移量为46.40 mm，ON9.00满足终止加载条件，遂终止试验。根据H-Y o/A H曲线水平临界值取第一拐点对应的水平荷载值，即1162kN;水平极限承载力取第二拐点对应的水平荷载值，即2 131kN。由桩基水平承载力试验结果可知，由于桩基完整穿越串珠溶洞，并置于整体性完好的砂卵石地层，因此溶洞对桩基水平承载力的弱化作用较小，不影响桩基水平正常承载。本项目选取Q0-13#和Q0-16#桩基进行水平承载力试验，桩位布置图与地质纵断面见图2、图3。1.3试验桩选取与加载装置试验桩桩径1.8 m，桩长30 m，桩顶标高52.8 m，桩底标高2 2.8 m，荷载通过逐级的方式进行施加。加载装置采用千斤顶+反力架布置形式（见图4）。ESR2810108100E1000.73180.9m4014.02)图3Q0-13#与Q0-16#地质纵断面图千斤顶反力架检测桩锚桩锚桩图4荷载试验加载装置2有限元数值仿真分析2.1有限元模型建立计算采用MIDASGTS软件进行数值仿真分析，对Q0-13#和Q0-16#桩建立有限元单桩模型。根据不同地质划分土层，土体本构采用修正的莫尔库伦模型 9-11,土体范围选取2 0 m20m53m实体单元。桩采用梁单元进行模拟，桩土之间设置Goodman接触单元，桩端设置桩端单元，对桩进行RZ约束。假定溶洞按照椭球状分布，为确保计算收敛，对107.吴子儒：砂卵石层串珠状溶洞地质条件下大直径单桩水平静载城市道桥与防洪试验及数值仿真分析2023 年第6 期表2 静载试验结果逐级荷载步/kN桩位194Q0-16#水平位移/mm0.29Q0-13#水平位移/mm0.22504030Q0-13#桩H-Y试验结果Q0-16#H-Y仿真结果Q0-13#柱H-Y/A H 试验结果20+Q0-16#桩H-Y/H 仿真结果1000图55Q0-13#和Q0-16#桩荷载-位移/位移增量曲线空腔内部进行填充处理，遵循所选填充物对土体结构的物理特性影响较小的原则，可选取淤泥状土层，并把土体容重设置为较小值，且降低材料参数作为虚拟土体。桩基与钢护筒的模拟采用钢管混凝土,不考虑桩基与钢护筒之间的土体。其中,钢管混凝土采用统一理论进行模拟；材料按照各项同性进行模拟；组合截面材料参数经过计算取值为：直径1824mm，组合截面弹性模量为3.17 410 4MPa，容重为2 7.39 kN/m,泊松比为0.2 5。荷载施加通过分级加载方式，荷载步根据实际加载过程进行设置。计算过程中考虑土层初始应力场作用。有限元模型见图6 和图7。图6 Q0-13#单桩有限元模型2.2桩-土耦合位移场分析经计算，在水平荷载加载下，Q0-13#和Q0-16#桩的水平位移值见图8 图11，结果仅展示特定荷载步下位移结果。由图可知，桩土耦合场最大水平位移发生在桩顶，桩的水平位移随着桩深的增加而逐渐减小，深度达到一定范围以内，水平位移逐渐接近0；而土体水平位移最大值在桩顶位置，占比较小，3880.550.890.591.050.0000.005(ul.NY)/HV/XV0.0100.0150.020500100015002000水平荷载/H581250030007751.241.7296911631356 15501744193821312325251927131.852.792.683.87表明桩受土体的阻力最大位置在桩顶部位。其中，Q0-13#桩最大水平位移值为41.35mm，Q 0-16#桩最大水平位移值为39.41mm。图8 18 0 0 kN作用下Q0-13#附近土体位移云图（单位：mm）TYmm+13.965131.3%+12.676610.8%+11.388.100.0%+10.099590.8%+8.811078.4%+7.522565.0%+6.234052.:5%+4.945534.2%+3.6570210.18+2.368512.5%+1.0800013.9%-0.0828955.5%-0.72715图9 18 0 0 kN作用下Q0-13#桩基位移云图（单位：mm）2.3试验与仿真结果对比提取不同荷载步下有限元数值结果与试验结果:1084.755.287.2311.1315.2320.0728.1935.8646.48.7712.4221.8133.2346.52图7 Q0-16#单桩有限元模型DISPLACEHENTTYmm+13.922070.1%+5,178690.3%+3.387940.5%+2.454200.6%+1.836061.1%+1,376751.5%+1.039652.2%+0.768253.4%+0.536695.2%+0.2913410.4%64.6%0.04931-0.1187710.0%-0.82317DISPLACEMENT吴子儒：砂卵石层串珠状溶洞地质条件下大直径单桩水平静载2023年第6 期试验及数值仿真分析城市道桥与防洪DISPLACEHEHTTYmm0.1%+18.81623+7.240690.2%+4.709590.4%+3.391880.6%+2.530440.9%+1.882221.4%+1.404212.009%+1.028923.2%+0.719195.3%+0.4008610.3%+0.0801264.8%-0.1450010.7%-1.08409图10 2 2 0 0 kN作用下Q0-16#附近土体位移云图（单位：mm）DISPLACEHENTTYmm1.3%+18.86014+17.124960.8%+15.389780.0%+13.654610.8%+11.919435.0%+10.184253.4%2.5%+8.44907+6.713904.2%+4.9787210.1%3.4%+3.24354+1.5083612.2%-0.0830556.3%-0.95064图112 2 0 0 kN作用下Q0-16#桩基位移云图（单位：mm）进行对比，并绘制H-Y曲线与H-AY/AH曲线，对比结果见图12 和图13。5040/30Q0-13#桩H-Y试验结果Q0-13#桩H-Y仿真结果Q0-13#桩H-Y/A H 试验结果20Q0-13#桩H-Y/H 仿真结果100+0图12Q0-13#桩试验与仿真对比曲线504030-16#桩H-Y试验结果一16#桩H-Y仿真结果16#桩H-AY/AH试验结果16#桩H-Y/A H 仿真结果201000图13Q0-16#桩试验与仿真对比曲线由图对比可知，Q0-13#桩试验与仿真H-Y曲