2018桥梁基桩嵌岩深度及顶板安全厚度的计算

2221860

　　摘要:文章结合笔者多年工作经验，对桥梁基桩嵌岩深度及顶板安全厚度的计算进行深入探讨。并提出了可溶性岩石区域桥梁桩基的计算流程。
http://
　　 关键词:嵌岩深度顶板厚度计算
　　
　　1、嵌岩深度计算
　　1.1按轴向承载力确定最小嵌岩深度
　　 为安全起见,可溶性岩石区桥梁基桩计算不计上覆土层侧阻,单桩轴向受压容许承力[P]按下式计算:
　　 (1)
　　 式中:为天然湿度的岩石单轴极限抗压强度,kPa；为桩嵌入基岩的深度, m,不包括风化层；U为桩嵌入基岩部分的横截面周长；A为桩底横断面面积；C1、C2 为根据孔底清孔情况而定的系数。由式(1)可得最小嵌岩深度：
　　 (2)
　　1.2按桩身稳定确定最小嵌岩深度
　　 为简化计算作如下假定:
　　 ①忽略嵌固处水平剪力影响,桩在岩面处桩身弯矩MH作用下,绕的1/2处转动；
　　 ②范围内应力呈三角形分布；
　　 ③不计桩端与岩层的摩阻力；
　　 ④因桩侧为圆柱状曲面,四周受力不均匀,设桩侧最大压应力为平均压应力的1.27倍；
　　 ⑤不计桩端抵抗弯矩,MH由桩侧岩层产生的水平抗力平衡。
　　 根据上述假定由静力平衡条件(ΣM=0),得:
　　 (3)
　　 设桩周岩层产生最大侧向压应力时,桩端压应力为,故桩端断面与基岩接触面上产生的反力矩为:
　　 (4)
　　式中:α为小于1.0的系数；W为桩底截面模量。
　　 令≤[],则可得基桩最小嵌岩深度为:
　　 圆形截面桩:
　　 （5）
　　 矩形截面桩:
　　 （6）
　　2、顶板安全厚度计算
　　 在得出最小嵌岩深度后,仍不能完全确定最终桩长,为保证基桩的安全,下伏溶洞顶板厚度必须满足一定要求,若顶板厚度过小,则在上部荷载长期作用下,易造成顶板破坏,从而使桥梁产生过大沉降或不均匀沉降,甚至发生倒塌,因此,必须对桥梁基桩下伏溶洞顶板进行稳定性分析,以确定最小顶板安全厚度。目前,桥梁基桩下伏溶洞顶板稳定性分析常用方法是将溶洞顶板简化为梁板模型分别从抗冲切、抗剪和抗弯3 个方面验算其稳定性[3～7] ,由于参数少、计算简便因而在工程中应用较广。但由于没有引入岩石破坏判据,岩石的抗剪、抗拉强度指标仅根据经验对岩石单轴抗压强度作相应折减取值,往往不够精确,故本文将在已有方法的基础上,对桩端下伏溶洞顶板稳定性分析方法进行研究,以提出更为合理稳定性验算方法。
　　2.1 抗冲切稳定性
　　 如图1所示,设桩径为d, 桩端下顶板厚度为H,冲切角为θ,顶板在桩端荷载Q 的作用下将形成锥形冲切体,根据平衡条件,可求得冲切面上的平均应力为:
　　 （7）
　　 将其沿冲切面分解得剪应力τ和拉应力σ:
　　 （8）
　　 (9)
　　 用平面应力状态公式:
　　
　　 将冲切面上的应力转化为主应力状态表达式, 得:
　　 （11）
　　 对于脆性岩体的受拉破坏采用格里菲斯强度判据[9]比较合适。其表达式如下:
　　 （12）
　　 将(11)式进行符号转换后代人(12)式中,并令
　　可求得:
　　 (13)
　　2.2 抗剪切稳定性
　　 如图2所示,桩端荷载为Q, 桩径为d, 桩端下顶板厚度为H,不考虑剪切体的自重和顶板下充填物的顶托作用,并假定剪切面上应力均匀分布,由平衡条件可以求得剪切面上的剪应力τ为:
　　 (14)
　　
　　
　　 图1 锥形冲切体示意图
　　
　　图2桩端岩层的剪切破坏
　　
　　 对于岩石的剪切破坏用莫尔判据[8]较合理,不同岩性莫尔判据形式不同:
　　岩性较坚硬至较软弱的岩石莫尔强度包络线为二次抛物线型,莫尔强度判据表达式为:
　　 （15）
　　 将式(14)代入可得,
　　 （16）
　　岩性坚硬、较坚硬的岩石强度包络线近似于双曲线型,莫尔强度判据表达式为:
　　（17）
　　式中： ；为包络线渐近线的倾角。
　　 将式(14)代入式(11)可得:
　　 （18）
　　式中:为剪切体所受围压(水平天然应力),若没有实测资料可令= 0。
　　2.3 抗弯验算
　　 当顶板完整且无裂隙时,将其简化为圆形固支板,半径为R (溶洞最大跨度)假定桩基作用中心与圆心重合,桩径为d。假定顶板平整且不考虑其下填充物的顶托作用,桩端荷载为Q且均匀分布于桩径范围内,板厚为H。
　　 由于常见可溶性岩石顶板的跨度一般远大于板厚且顶板变形破坏时的挠度远小于顶板的厚度,因此可视为薄板的小挠度弯曲问题。有关文献根据弹性理论中的瑞次法求解得到圆形固支板中心受均圆形布荷载时的挠度ω:
　　 （19）
　　 式中:D为薄板弯曲刚度；q为薄板每位面积内的横向荷载; μ为泊松比；H为顶板厚度；E为弹性模量。
　　 在此基础上, 由弹性薄板理论可导得, 当r→0时,顶板下平面中心点的应力最大且为单向拉应力状态:
　　 （20）
　　 令,进一步可得:
　　 （21）
　　 由此,在确定了嵌岩深度及顶板安全厚度后,可根据地质钻探资料选择将基桩下哪一层岩层作为持力层为最佳(由上至下选择),并由此确定可溶性岩石区桥梁基桩桩长。
　　3、结论
　　 (1)在现行规范推荐的嵌岩深度计算公式的基础上,根据可溶性岩石区域桥梁基桩的特点,并考虑桩身转动时桩端断面与基岩接触面上产生的反力矩等有利条件的影响,提出了可溶性岩石区域桥梁基桩嵌岩深度的计算方法；
　　 (2)分别引入格里菲斯判据和莫尔判据,避免了地将岩石单轴抗压强度折减后作为岩石抗拉、抗剪强度的缺点,由此提出了基桩下伏溶洞顶板安全厚度的稳定分析方法；
　　 (3)在嵌岩深度与下伏溶洞顶板安全厚度计算方法的基础上,提出了可溶性岩石区桥梁桩基桩长的计算流程。
　　参考文献：
　　[1] 赵明华.桥梁桩基计算与检测[M].北京:人民交通出版社,2000.
　　[2] 王晓谋,赵明华.基础工程(第三版)[M].北京:人民交通出版社, 2003.
　　[3] 工程地质手册编委会.工程地质手册(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.
　　[4] 赵明华,袁腾芳,黎莉,等.岩溶区桩端持力层安全厚度计算研究[J].公路,2003(1).
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。2390