﻿ 岩溶对高铁桥梁桩基沉降影响分析 Analysis of the Influence of Karst on Pile Foundation of High-Speed Railway Bridge

Hans Journal of Civil Engineering
Vol.07 No.03(2018), Article ID:24878,10 pages
10.12677/HJCE.2018.73045

Analysis of the Influence of Karst on Pile Foundation of High-Speed Railway Bridge

Qian Chen

China Railway 12 Bureau Group Company, Changsha Hunan

Received: Apr. 26th, 2018; accepted: May 10th, 2018; published: May 16th, 2018

ABSTRACT

According to Zheng Xu special railway line for passenger transportation project, this paper analyzed the influence of the thickness of the soil layer beneath the pile foundation and the cave span in the lower limestone layer on the settlement of the pile foundation and the post-construction settlement. At the same time, this paper analyzed the characteristics of differential settlement when the adjacent piers and towels adopt two different types of pile foundation. Then the method and construction measures of the lower soil reinforcement were found out and the corresponding construction technology was put forward. The results show that the settlement of pile group is mainly caused by the compression of the lower part of the pile foundation. The size of the cave span basically has little effect on the total settlement of the pile group foundation. When the adjacent two piers use the friction pile and the rock-socketed pile, it is necessary to reinforce the foundation of the friction pile on the soft soil foundation to meet the requirement of post-construction differential settlement.

Keywords:Karst Area, Friction Pile, Post-Construction Settlement, Thickness of Underlying Soil Layer, Cave Span

1. 引言

2. 工程概况

2.1. 地质条件

341#群桩基础的桩侧土主要以粉质黏土和黏土为主，下伏基岩为灰岩，其各土层的物理力学参数如表1所示。

2.2. 荷载

Figure 1. Position arrangement of 341# pier

Table 1. Physical and mechanical parameters of each soil layer

1) 工前阶段：主要有墩台的自重，约为13,741.2 kN。

2) 工后阶段：主要有梁重、轨道板及其钢轨等重量，工后荷载为9000 kN左右。

3) 荷载的作用面积为长4 m (直线段)，宽2 m的圆端形范围，计算中按矩形区域进行等效。

3. 天然地基群桩基础分析

3.1. 计算模型

Figure 2. Computational mode

3.2. h1和h2的影响

1) 由图3可知，在桩身范围内，群桩基础的沉降变化小，且h1越小，群桩的沉降越小。

2) 当处于最不利情况(h1 = 3 m, h2 = 0 m)时，下伏溶洞的存在对群桩基础变形影响不大。

3) 这4种工况下的桩顶工后沉降差别不大，大致处于12.5 mm~14.5 mm之间，均满足工后沉降的要求。

4) 由图4可知，除工前阶段桩顶轴力存在有一定的差异外，这4种工况条件下的桩身轴力曲线基本重合，均随着深度的增加，轴力逐渐减小，在桩端位置，桩身轴力趋近于0。总的说来，桩端软弱下卧层厚度h1和溶洞顶板高度h2对基桩的受力影响不大。

1) 附加应力在桩端附近达到最大，当下卧层h1 = 3 m时附加应力接近70 kPa，且随着向两侧距离的增大而递减。

2) 当下卧层h1 = 10 m，溶洞顶板厚度h2 = 3 m和0 m时，桩端附加应力分布基本相同，此时溶洞的影响很小。

(a) 工前沉降 (b) 工后沉降

Figure 3. Distribution of pile settlement with the depth of pile body (D = 3 m)

(a) 工前阶段 (b) 工后阶段

Figure 4. The distribution of axial force of angular pile with the depth of pile body (D = 3 m)

3) 由图5(b)可知，下卧土层较厚时，下伏溶洞的拱顶沉降，将导致洞顶范围内附加应力降低，并出现了负值；下卧层较薄时，由于岩面距离桩端较近，经桩传递至下卧层的荷载起主导作用，导致岩面附加应力增加，此时应力分布曲线呈现出三个极值。同时，从图上也可以看出，由摩擦桩传递到基岩面上的附加应力值都不大(最大为53 kPa左右)，远小于基岩的抗压强度值(67.47 MPa)，这样的应力条件不能使基岩产生变形破坏。这从另外一个方面也说明在工作荷载作用下，群桩基础的沉降变形主要由下卧土层的特性与厚度所决定，而与下伏基岩无关。

(a) 桩端 (b) 基岩面

Figure 5. The distribution of additional stress along the horizontal distance (x = 0)

3.3. 溶洞跨径D的影响

1) 随着溶洞跨径D的增大，土体工后沉降量越大。

2) 随着溶洞跨径D的增大，桩顶的沉降变形逐渐增大，尤其是当溶洞跨径D达到10 m时，沉降变形显著增加。而对于工后沉降，下伏溶洞的跨度越大，桩顶沉降变形越小。

3) 对于总沉降(工前和工后沉降之和)而言，3种溶洞跨度条件下的总沉降相差不大，跨径D = 10 m时的值稍微偏大。

3.4. 嵌岩桩

(a) 工前沉降 (b) 工后沉降

Figure 6. Effect of D on settlement of foundation pile (h2 = 3 m)

(a) 工前沉降 (b) 工后沉降

Figure 7. Effect of D on settlement of foundation pile (h2 = 0 m)

1) 对于嵌岩桩，桩顶荷载引起的位移很小，桩顶工后沉降仅为2.6 mm。

(a) h2 = 3 m (b) h2 = 0 m

Figure 8. The influence of D on the additional stress of bedrock surface (x = 0)

Figure 9. Post pile settlement with pile depth distribution

2) 桩顶荷载主要由桩端力平衡，桩侧土摩阻力的承载效应有限，且相比于前述摩擦桩，嵌岩桩桩顶轴力较小，这是由于在嵌岩群桩基础中，各基桩分担的荷载较为均匀，中桩和角桩的荷载差别不大。

3) 有无下伏溶洞对桩的变形、受力影响不大，两者曲线基本重合，这与前述摩擦桩的结论相一致。

Figure 10. Distribution of axial force of angular pile with the depth of pile body

Table 2. The comparison chart of post-construction of friction pile and rock socketed pile

4. 结语

1) 341#墩采用摩擦桩时，群桩基础的工后沉降基本上在规范容许的范围之内，说明桩基础的设计满足了施工要求，且群桩沉降变形主要由桩端下卧土层的压缩造成；且下卧土层越薄，群桩的沉降也就越小。

2) 在工作荷载作用下，附加应力在桩端附近达到最大，且随着向两侧距离的增大而递减。由摩擦桩传递到基岩面上的附加应力值远小于基岩的抗压强度值，这不能使基岩产生变形破坏。

3) 由于群桩基础的应力扩散效应的影响，传递到基岩面上的应力远远小于基岩的抗压强度值，使得基岩的变形处于弹性变形阶段，且很小。

4) 有溶洞存在时，群桩基础的沉降变形也基本上是由桩端下卧土层的压缩所引起。溶洞跨度的大小基本上对群桩基础的总沉降影响不大。

5) 当相邻两墩台分别采用摩擦桩与嵌岩桩作为基础的形式时，两墩台的差异沉降将可能不能满足规范的要求。且在相同工作荷载条件与相同参数的条件下，嵌岩桩的工后沉降远远小于摩擦桩的工后沉降，因此，有必要对坐落于软土地基上摩擦型群桩基础进行加固处理，以满足工后差异沉降的要求。

Analysis of the Influence of Karst on Pile Foundation of High-Speed Railway Bridge[J]. 土木工程, 2018, 07(03): 389-398. https://doi.org/10.12677/HJCE.2018.73045

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