溶洞顶板承载机理研究在某桩基工程中的应用

'CMYK工程试验与研究溶洞顶板承载机理研究在某桩基工程中的应用黄德清（广州市建筑置业有限公司）【摘要】通过广州白云区某桩基工程实例，将溶洞顶板承载力通过简化成板模型进行分析，确保岩溶区桩基持力层的稳定性，并通过单桩竖向抗压静载试验验证计算模型的可行性。【关键词】溶洞顶板；承载机理；板模型1前言广州市白云新城某项目，地下室3层，地面以上裙2楼5层，塔楼34层，占地面积约13000m。塔楼处工程桩岩溶强发育区的地质特征给建筑地基带来一系列245根，为端承型桩，桩身设计混凝土强度等级为C35，的技术难题，溶洞的存在不仅影响到工程的设计变更、单桩竖向承载力特征值为5500kN，桩径1m，桩端持力层施工安全，甚至会塌陷造成人员伤亡。其中岩溶地区嵌为微风化岩，桩端要求入岩0.5m。岩桩桩端溶洞顶板厚度的确定是岩溶地区工程建设急需解决的问题。溶洞顶板的稳定性关系到整个建筑工程3工程地质条件的安全，当桩基承受荷载作用时，它不仅取决于溶洞周本工程场地地势平坦，地貌属于岩溶较发育的广州围及土层的各项力学指标，也受到桩径、溶洞跨度、溶洞白云区。依据工程地质勘察资料，场区岩土层自上而下顶板厚度裂隙发育程度等因素的影响。特别是岩溶顶板可分为：①素填土；②-1粉质粘土；②-2粘土（可塑）；②厚度的选取，直接影响到整个工程安全和工程质量。因-3粘土（硬塑）；②-4粉质粘土（软塑-可塑）；③残积此，对于岩溶地区桩基设计，岩溶顶板厚度的合理确定，土；④-1全风化炭质页岩；④-2中风化灰岩；④-3微将对整个工程建设产生巨大的经济效益及社会效益。风化灰岩。本文通过力学简化，将岩溶顶板承载力通过板单元各岩土层地基承载力特征值fak、桩周土的摩擦力进行分析。当溶洞上覆盖土层与桩基作用于溶洞顶板上特征值qsia、抗拔摩阻力折减系数λi、桩端土的承载力时，形成压力包络曲线，当压力曲线承载力小于溶洞的特征值qpa、岩土体与锚固体极限摩阻力标准值qsik及岩承载力时，溶洞顶板的承载能力是安全可靠的。石饱和单轴抗压强度标准值frk及抗拉强度σt，如表12工程概况所示。表1桩基础设计参数（单位：kPa）钻（冲）孔灌注桩层序岩土名称状态、密度fakqsik备注qsiaqpaλi①素填土松散80②-1粉质粘土可塑140200.6050②-2粘土可塑150220.6060②-3粘土硬塑200280.6080桩长＞5m②-4粉质粘土软塑-可塑120160.6040④-1炭质页岩全风化320406000.6090桩长＞5m④-2灰岩中风化20000.70250frk=20.0MPa、σt=1.5MPa④-3灰岩微风化40000.75400frk=40.0MPa、σt=2.5MPa注：对钻（冲）孔灌注桩，基岩段桩端与桩侧承载力的发挥系数C1、C2④-2层建议分别取0.24、0.03，④-3层可分别取0.4、0.05，同时桩端嵌岩深度、桩底沉渣厚度等指标控制应符合相关规定。 CMYK工程试验与研究根据地质资料揭露，本工程地处岩溶地区，存在土其中，洞、溶洞等不良地质现象，溶洞的见洞率达58.7%，最大π2P=dq04溶洞高度14m。岩土层中土洞、溶洞极发育，部分土洞、h溶洞规模较大或有相互连通的可能性，大部分溶洞顶板Q1=π!d+htanα"σtcosα普遍较薄。π2Q2=!d+2htanα"σd44溶洞顶板力学稳定性分析q——桩顶荷载；04.1板模型σt——灰岩抗拉强度；溶洞顶板简化为板模型分板以弹性力学为主要依σd——下卧层的顶托强度。据，将桩基持力层简化为上部受垂直荷载的刚性板。在对于均质岩石，冲切角α可取45°且抗拉强度Rt荷载作用下，计算模型将会出现冲切破坏、弯拉破坏、剪乘以折减系数0.75，并考虑到溶洞由填充物的弹性模切破坏三种破坏形式。在岩溶地区的桩基设计中，当桩量比灰岩的小，则可不考虑软弱卧层对溶洞顶板的顶托端底部存在溶洞时，常对基岩的抗冲切强度、抗剪切强强度σd的作用。度进行安全验算。hσt令=n，由上式可推得K≤4.2n1+!n"bq4.2抗冲切验算0假设当桩端持力层接近水平，桩体在外荷载作用根据《勘察报告》显示在持力层处的微风化灰岩的下，桩端底部形成一个顶角为α的冲切锥台，如图1所单轴抗压强度标准值frk=40MPa，抗拉强度σt=2.5MPa。示。根据研究表明，在桩端荷载的作用下，桩身侧阻力承担了约80%的荷载，传递到桩端为20%。本工程单桩竖向承载力特征值为5500kN，桩径1m，取溶洞顶板计算厚度为h=1m，则n=0.5，由此可以算出：5500q=×20%=1.4021π!"22.5K=4.2×0.5×（1+0.5）×=5.63＞21.4根据钻探资料分析，桩基持力层遇溶洞顶板均大于1m，最小厚度约2.5m，且因裂隙发区顶托力存在，所以图1抗冲切验算示意图工程中桩基持力层溶洞顶板处于稳定状态。其中，4.3抗剪切验算Q1——持力层的抗拉力；在实际工程中，溶洞顶板抗剪强度不足会发生剪切Q2——下卧层的顶托力；破坏，需要对溶洞顶板进行抗剪切验算。在不考虑溶洞P———柱底的竖向荷载；内充填物和桩体自重的影响下，按下式进行验算：L———溶洞的跨度；KP≤πdhτ，其中τ为灰岩的抗剪强度，h———顶板的厚度；τ=σtanφ+c。按常用设计取τ=σ，σ取35MPa，得12α——冲切角；τ=2.9MPa。溶洞顶板计算厚度取1m，桩径1m，桩竖向承d———桩径；载力特征值为5500kN。D———冲切锥台底面直径。3为保证溶洞顶板的稳定，首先要保证冲切锥台的稳K=πdhτ=3.14×1×1×2.9×10=8.3＞2，符合P5500×20%定，由静力平衡条件可得：稳定条件。KP≤Q1+Q2,K为安全系数；P为竖向荷载。通过抗剪验算，本工程溶洞顶板均处于稳定状态， CMYK工程试验与研究图282#桩静载曲线图390#桩静载曲线列，曲线尾部均未出现向下弯曲的趋势。检测结论表明：82#、90#、107#桩的单桩竖向抗压强度极限承载力Qu≥11000kN，单桩竖向抗压承载力特征值均可取5500kN，均满足设计要求。6结语⑴依据不同的约束条件，溶洞顶板可简化成梁、拱、板等模型进行计算，运用弹性力学和结构力学方法，分别计算各简化模型的荷载效应，将各计算结构比较分析，取最小值的安全系数作为桩基的容许值。⑵通过抗冲切、抗剪切验算可以看出，对于本工程来说，桩基与溶洞相对处于稳定状态，这与设计单位的图4107#桩静载曲线结论是一致的。符合工程设计需要。⑶通过单桩竖向抗压静载试验可以看出，将溶洞顶板简化成板模型计算是合理可行的，且满足设计对溶洞5单桩竖向抗压静载试验顶板作为持力层时的要求。●通过单桩竖向抗压静载试验，检测单桩的竖向抗压承载力是否满足设计要求。本工程分别对82#、90#、【参考文献】107#桩进行试验，桩长分别为19.3m、26.3m、19.9m，桩[1]刘铁雄.岩溶地区嵌岩桩研究现状综述[J].广东土木与建径1m，混凝土强度C35，微风化石灰岩为持力层，设计单筑.2005，4：3-6.桩竖向抗压承载力特征值5500kN，要求最大抗压试验[2]刘兴远，郑颖人.影响嵌岩桩嵌岩段特性的特征参数分析荷载均为11000kN。[J].岩石力学与工程学报,2000,19(3)：383-386.[3]刘利民.关于嵌岩桩桩端阻力计算的一些问题[J].地下空试验结果表明：82#、90#、107#桩在试验过程中，随间，1997，17(2)：70-76.着试验荷载的逐渐增大，桩顶沉降量也逐渐增加，在各[4]吴辉琴,王鹏,王家全.岩溶地区桩基检测方法对比分析和综级荷载作用下均能达到相对收敛标准；加载到最大试验合应[J].建筑科学，2012，（3）：79-82.荷载1100kN时，桩顶总沉降量分别为8.17mm、[5]JGJ106-2003，建筑基桩检测技术规范[S].38.29mm、24.99mm，沉降量均未超过规范所规定的允许[6]JGJ94-2008，建筑桩基技术规范[S].沉降量s=0.05d（d为桩端直径）；且Q-s曲线没有出现[7]GB50202-2002，建筑地基基础工程施工质量验收规范[S].明显的直线陡降段起始点，s-lgt曲线均呈平缓规则排'