高层建筑桩基荷载下溶洞顶板的安全厚度.doc

高层建筑桩基荷载下溶洞顶板的安全厚度 张华伟 谢妮 刘孔科 徐腾飞 张晓华 中国地质大学(武汉)工程学院 摘 要： 以深圳市龙岗区龙城工业园内某高层建筑桩基荷载下的溶洞顶板为研究对象, 运用理论公式和数值模拟方法分别对桩基荷载下溶洞顶板安全厚度进行研究选取单桩承载力、溶洞洞跨、溶洞形态系数、桩端偏心率作为顶板安全厚度的影响因素, 通过数值模拟得到了安全厚度与各单因素之间的影响规律, 并综合考虑这些影响因素得到安全厚度的预测模型在能保证安全的前提下, 将预测模型值与理论公式值进行对比, 判断出预测模型更合理节约, 对岩溶地基高层建筑桩基设计和现场施工有一定的指导意义关键词： 岩溶地基; 群桩; 顶板安全厚度; 数值模拟; 预测模型; 作者简介：张华伟 (1992—) , 男, 硕士研究方向:岩石力学、工程的防灾减灾E-mail:416640906@.com收稿日期：2017 年 3 月 29 日基金：国家自然科学基金 (51209188) 资助Safety Thickness of Cave Roof under Pile Foundation of High-level BuildingZHANG Hua-wei XIE Ni LIU Kong-ke XU Teng-feng ZHANG Xiao-hua Faculty of Engineering, China University of Geosciences (Wuhan) ; Abstract： Example of Karst roof was take under pile foundation load of the high-level buildings in Shenzhen Longgang.Using the theory and numerical simulation methods, safety thickness of roof under pile foundation load had been carried out in-depth research.Selecting the capacity of single pile and the span of Karst cave and the coefficient of Karst cave and the eccentricity between pile and cave to be the affecting factors to safe thickness of roof, the regulation between it and the various influencing factors was obtained by numerical simulation and the prediction model considered the comprehension of influence factors was determined.After insuring the security of engineering, comparing the calculation results of theoretical formula and the prediction model values, the prediction model was more reasonable and economical, and it gives certain guiding significance of pile foundation design and site construction of high-level building of Karst ground.Keyword： Karst ground; pile group; safety thickness of roof; numerical simulation; prediction model; Received： 2017 年 3 月 29 日中国是一个以碳酸盐岩分布为主的国家, 而碳酸岩属于硬岩类, 其强度一般较高, 可作为高层建筑的持力层。

在岩溶地区修建高层建筑、桥梁和铁路等时, 地基和基础需要承受较大荷载, 通常使用桩基进行基础设计和施工对岩溶地基上桩基的处理大多是让桩基穿过溶洞直接打到基岩上, 但有时由于经济和技术原因, 不能将桩基穿过溶洞, 这时只能将桩基作用在溶洞顶板上, 当溶洞顶板有足够的厚度时, 能够独自承受来源于上部的荷载, 那这种处理方法也是方便可行的溶洞顶板安全厚度的研究方法有定性分析、半定量分析和定量分析三种定性分析主要是工程人员通过比拟法和排除法等来判断溶洞顶板是否满足要求半定量分析方法主要是将溶洞顶板简化为梁、板和拱模型进行理论公式计算, 得到溶洞顶板安全厚度半定量分析方法有普氏压力拱理论分析法、溶洞顶板坍塌自行堵塞估算法、顶板安全厚度估算法、顶板厚跨比法、荷载传递线交汇法等分析方法定量分析法是通过数值模拟方法来进行溶洞顶板安全厚度的分析和研究, 主要是有限元分析法黎斌等[9]建立了溶洞顶板的三维数值模拟模型, 以此推出了溶洞顶板极限厚度的经验公式, 通过数值模拟结果判断出溶洞稳定与各影响因素之间的关系陈尚桥等[10]提出了综合预测方法, 其通过有限元数值模拟分析了基础与溶洞之间的相互作用, 研究了各种因素影响下的溶洞顶板安全厚度并建立起预测模型。

程晔等[11]选用弹塑性模型和强度折减法来分析溶洞顶板和桩基间的关系, 计算得到溶洞顶板安全系数取值, 接着对数值模拟结果进行拟合得到顶板厚跨比应满足的关系汪华斌等[12]以 Hoek-Brown 准则作为顶板破环准则, 针对不同简化模型用理论公式计算出安全厚度并与数值模拟得到的安全厚度值进行对比, 得出理论计算结果偏于保守本文以某高层建筑桩基荷载下的溶洞顶板为研究对象, 运用理论公式和数值模拟方法分别对桩基荷载下溶洞顶板安全厚度进行研究根据前人的研究[10]和现场实际情况, 选取单桩承载力、溶洞洞跨、溶洞形态系数、桩端偏心率作为顶板安全厚度的影响因素, 通过数值模拟得到了安全厚度与各单因素之间的影响规律, 并综合考虑这些影响因素得到安全厚度的预测模型;在能保证安全的前提下, 将预测模型值与理论公式值进行对比, 判断出预测模型更合理节约1 工程地质概况依托深圳市龙岗区龙城工业园内某高层建筑项目开展研究项目场地位于深圳市龙岗区龙城工业园内, 场地东、南、北侧与城市道路相邻, 西侧与龙城工业园科研中心相邻, 地理位置如图 1 所示拟建场地东西长 80 m 左右, 南北长132 m 左右, 建筑占地面积 10 000 m 左右。

拟建建筑物为连体楼, 分别为塔楼和裙楼, 塔楼高 193~199 m, 裙楼高 19~29 m拟建 3 层地下室, 地下开挖深度14 m 左右图 1 场地地理位置示意图 Fig.1 Sketch map of geographical position 下载原图根据钻孔揭露, 场地地层主要为第四系残积层、下石炭统测水组粉砂岩、石磴子组石灰岩自上而下的各岩土层描述如下:素填土 (0~3.5 m) 、粉质黏土 (3.5~9.3 m) 、黏土 (9.3~18.6 m) 、强风化粉砂岩 (18.6~28 m) 、中风化粉砂岩 (28~32.2 m) 、微风化灰岩 (未揭穿) 2 溶洞顶板安全厚度的理论分析溶洞顶板安全厚度可以通过简化力学模型, 运用强度理论进行求解, 即在溶洞顶板与桩基作用的受力分析中将溶洞顶板看作成梁, 通过材料力学的方法进行求解下面介绍几种常见的简化梁模型计算方法2.1 悬臂梁力学模型受力分析悬臂梁力学模型受力和支承情况如图 2该模型的适用条件为一端与岩体固定连接, 另一端与岩体无连接作用, 相当于一端岩体结构完整, 无裂缝, 另一端岩体存在连续裂缝同时溶洞顶板的宽度与桩径大小无太大差距。

模型中以固定端支座中点为原点, 中轴线为横轴, 局部均布荷载 q 加载在悬臂端d 相对于 L 较小, 这里可以将均布荷载等效成集中力在悬臂梁的计算模型中, 固定端的反力为全部的外加荷载, 最大弯矩 Mmax=qd (L-d/2) , 则固定节点 A 的最大拉应力为图 2 悬臂梁模型 Fig.2 The model of cantilever beam 下载原图顶板厚度 h 可以采用材料力学的第一强度理论来计算, 在式 (1) 中求得最大拉应力的前提下, 反向推导出如下结果:则顶板的安全厚度为式 (3) 中一般取 k=2, 具体的安全系数值可以由现场实际的岩土体参数来取得在抗剪强度的计算中, 由材料力学知识可知, 矩形梁剪应力沿截面高度呈现出抛物线变化规律, 而且最大剪应力出现在矩形截面梁的中性轴上:剪应力强度条件:验证顶板的安全厚度公式:式 (6) 中一般取 k=22.2 简支梁力学模型受力分析简支梁力学模型受力和支承情况见图 3, 该模型的适用条件:两端与岩体铰支, 相当于顶板两端与岩体之间存在连接作用不强的裂缝, 顶板与桩基作用系统可以简化为简支梁, 简支梁的中央受均布荷载图 3 简支梁模型 Fig.3 The model of Simply supported beam 下载原图在支座两端处的剪力为 R=qd/2, 由此可以求得梁中点处的弯矩最大。

梁的弯曲强度条件:式 (7) 中:[R t]为灰岩的抗弯强度简支梁的截面最大拉应力为根据已知的抗弯强度[R t]反算得到顶板安全厚度:式 (9) 中一般取 k=2矩形截面简支梁在抗剪强度验算中剪应力强度条件:验证顶板的安全厚度:式 (11) 中一般取 k=22.3 固定梁模型分析固定梁模型受力和支承情况见图 4该模型的适用条件:左右两端均与岩土固支, 相当于两固定端的岩土结构完整, 无裂缝在固定梁的上部, 梁中心直接承受均布的荷载作用梁的长度远大于荷载作用宽度图 4 固定梁模型 Fig.4 The model of fixed beam 下载原图固定梁力学模型中, 最大弯矩出现在两边的固定端中, 梁的弯曲强度条件:在固定梁两端的截面上, 梁上部承受的最大应力如下:从材料力学的强度条件推导, 由已知条件抗弯强度[R t], 得到顶板安全厚度 h:则顶板的安全厚度为式 (15) 中一般取 k=2矩形截面固定梁在抗剪强度验算中剪应力强度条件:推导出顶板的安全厚度:式 (17) 中一般取 k=2当其他情况相同时, 计算得到的安全厚度悬臂梁最大, 固定梁最小, 所以悬臂梁最不安全, 固支梁最安全。

这个不难解释, 岩体结构越好, 则溶洞顶板安全厚度越小3 溶洞顶板安全厚度数值模拟分析3.1 计算模型假设条件考虑工程实际状况和数值模拟分析的要求, 提出以下几个假设条件1) 假设岩土体为均质各向同性的半无限体2) 假设岩土体为连续弹塑性介质, 岩土体的变形为小变形3) 假设溶洞为空溶洞, 不考虑溶洞内充填物的影响4) 假定溶洞的形状和大小在计算过程中只考虑其现状, 不过多考虑其以后受其他因素影响引起的变化5) 假设荷载只由岩土体的自重和外部荷载两部分组成, 荷载一次性施加, 同时溶洞在不受外力作用下能自稳3.2 模型的建立3.2.1 地层的简化考虑到三层地下室 14 m, 模拟地层为黏土层 (0~4.6 m) 、强风化粉砂岩层 (4.6~14 m) 、中风化粉砂岩层 (14~18.4 m) 和微风化灰岩层3.2.2 桩的排布通过工程的实际情况来选择群桩的排布, 桩径取 2 m, 桩长取 20 m, 9 根桩, 按 3×3 排列, 各桩之间的距离均取 4.5 m, 群桩的排布如图 5 所示图 5 群桩的排布 Fig.5 The array of group piles。