局部支撐于大型溶槽上的拱座基礎及地基受力分析

曹衛力 羅富元

摘要：文章依托某400 m級大跨徑中承式鋼管混凝土有推力拱橋實際工程，采用實體有限元軟件仿真分析，對局部支撐于大型溶槽上的拱座基礎及地基受力進行了計算分析。結果表明，溶槽的存在會導致地基和拱座基礎結構應力顯著增大，增大拱座基礎結構厚度可以改善地基和拱座基礎結構應力，有效降低溶槽對拱座基礎受力的影響，并給出了拱座基礎的安全、經濟厚度范圍，為今后同類設計提供參考。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋；實體有限元；拱座基礎；大型溶槽

中圖分類號：U443.23 A 56 185 3

0 引言

在我國，可溶性巖石分布面積占國土面積的1/3以上，尤其是在西部地區，如云南、貴州、廣西等省區，巖溶分布十分廣泛［1］。鋼管混凝土拱橋以其剛度大、耐久性好、造價經濟以及施工便利等優勢，在我國西部交通建設中得到了廣泛的應用［2］。在巖溶區修建鋼管混凝土拱橋，基礎設計往往是其中的難點。由于缺乏有針對性的在巖溶地區修建有推力拱橋的設計方法，當橋址區域附近發育有大型溶洞或溶槽時，基于保守設計觀點，在方案研究階段，往往會考慮造價高昂的巖溶處治方案，或者直接將有推力拱橋方案排除在外，從而選擇工程造價更高的其他橋型，造成工程投資增加。因此，有必要對橋址附近發育有大型溶洞或溶槽時的拱橋基礎及地基受力進行分析，研究其受溶洞或溶槽的影響程度，以明確這類條件下拱橋方案的可行性。

本文以某400 m級大跨徑中承式鋼管混凝土有推力拱橋作為工程背景，采用實體有限元軟件分析局部支撐于大型溶槽上的拱座基礎及地基受力情況，分別研究溶槽對基礎及地基受力的影響，并對比不同厚度基礎受溶槽的影響程度，為以后同類設計提供有益參考。

1 工程概況

翁堯黔江特大橋是高安至柳武高速黃茆出口公路工程中跨越黔江的一座特大橋，位于來賓市興賓區高安鄉翁堯村附近，全橋總長628 m。主橋采用中承式鋼管混凝土拱橋，凈跨徑420 m，凈矢跨比為1/4.2，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=1.5；主拱為變高度四管桁式截面，兩片拱肋橫橋向中心間距為28.1 m。主梁采用格構式鋼-混組合結構，橋面鋼格子梁由四道主縱梁、三道次縱梁與吊索處的主橫梁及四道次橫梁組成。吊桿采用15.2 mm環氧噴涂鋼絞線擠壓成型為吊桿索體，間距14 m。本文研究的主墩基礎采用整體式擴大基礎，基礎尺寸為43.6 m（橫橋向）×32.0 m（順橋向）×6.0 m（厚度）。

2 工程地質條件

橋位區的主要地層為素填土、卵石、粉質黏土、粉質黏土混卵石、碎石土及中風化灰巖。中風化灰巖層為基巖，巖體呈灰白色，隱晶質結構，巖質較堅硬，巖體較完整，局部溶蝕裂隙發育。該巖層分布于整個場地，根據鉆探成果反映，場地基巖淺部巖溶強發育，其形態以溶洞、溶蝕裂隙、溶槽等為主。其中，西岸主墩基礎拱背西南側發育有大型溶槽，充填粉質黏土混碎石，鉆探揭示最大深度72.50 m仍未鉆穿，溶槽厚度不詳，基底地基存在軟硬不一的巖性，均勻性較差，易引起基礎不均勻沉降，工程地質條件較復雜。見圖1和下頁表1。

3 計算模型

采用有限元軟件ANSYS建立基礎結構+場地一體化實體有限元分析模型，因基礎嵌入基巖中，模型中不考慮覆蓋層土體的抗力作用，將覆蓋層土體作為荷載施加到基巖面上，場地模型僅建立基巖部分?；A結構和基巖均采用solid185實體單元進行模擬，并通過掃掠劃分六面體單元，混凝土和基巖之間采用剛體-柔體接觸建立基礎與基巖的聯系［3］。由于基礎剛度大于基巖剛度，目標面選擇基礎構造面，采用TARGE170單元進行模擬；基巖基坑構造面為接觸面，采用CONTA173單元進行模擬，接觸單元特性采用標準模式，該模式下接觸單元能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力，不傳遞法向拉力，且接觸表面可以分離脫空［4］。圖2為基礎結構實體有限元模型。

圖3為場地基巖（含溶槽，不考慮溶槽內填充物）實體有限元模型。模型中場地尺寸為100 m（順橋向）×100 m（橫橋向）×30 m（深度）。經計算，該尺寸可以消除場地邊界對結構和近場基巖巖體計算結果的影響。

荷載條件：選取主拱拱腳最大彎矩工況對應內力作為荷載進行有限元計算分析，分析拱背西南側基礎下存在溶槽時，基礎和基巖的受力情況。見表2。

4 分析計算工況

為更好地分析大型巖槽對基礎受力的影響，本文通過設置以下工況進行分析對比：

（1）溶槽影響分析工況：在基礎厚度相同（6 m）的條件下，對比有溶槽工況和無溶槽對基礎及地基受力的影響。

（2）基礎厚度分析工況：在溶槽發育相同的條件下，對比不同基礎厚度（3～10 m）受溶槽影響的程度。

5 分析結果

5.1 溶槽影響分析

圖4是有溶槽工況中場地基巖巖體主壓應力云圖。通過圖4可以看出基巖最大主壓應力為3.56 MPa（應力集中），該應力峰值位于地基溶槽邊界處。對于無溶槽工況，基巖最大主壓應力為1.22 MPa。由于溶槽形成了應力集中的巖體邊界區，造成基巖局部應力大大增加，增加幅度為192%。

圖5為有溶槽工況中基礎結構主壓應力云圖。通過圖5可以看出，基礎結構最大主壓應力為1.6 MPa，該應力峰值位于溶槽區的基礎局部下陷變形位置。而無溶槽工況基礎結構最大主壓應力為1.15 MPa，相較而言，有溶槽工況中的大型溶槽導致基礎最大主壓應力增加了39%。

圖6為有溶槽工況中基礎結構主拉應力云圖，基礎最大主拉應力水平約為0.44 MPa。通過圖6可以看出，基礎受拉區明顯偏向溶槽區分布，形成局部拉應力增大，拉應力水平在0.15～0.44 MPa。相較于無溶槽工況基礎結構最大主拉應力為0.17 MPa，大型溶槽導致基礎最大主壓應力增加了159%。

圖7為有溶槽工況中基礎豎向位移云圖。從圖7可以看出，基礎在溶槽區的豎向下陷變形最大值為0.6 cm，屬于不均勻下沉。而無溶槽工況基礎變形豎向位移最大值為0.1 cm，無明顯不均勻下沉。

5.2 基礎厚度影響分析

圖8為基礎厚度與基礎最大主拉應力、最大主壓應力關系曲線圖。通過圖8可以看出，隨著基礎結構厚度增加，基礎的總體應力水平逐漸降低。這是由于隨著基礎結構厚度的增加，基礎整體性增強、剛度增大，基礎在拱腳內力作用下，彈性變形較小，受溶槽影響程度降低。此外，當基礎結構厚度＞6 m時拉應力變化緩慢，再增大基礎結構厚度對基礎受力改善程度有限，因此基礎結構厚度取6～8 m較為合理。

6 結語

本文以某400 m級拱橋的拱座基礎為例，分析局部支撐于大型溶槽上拱座基礎及地基的受力情況。通過實體有限元分析，分別研究溶槽對基礎及地基受力的影響以及不同基礎厚度受溶槽影響的程度，得出以下結論：

（1）相比于無溶槽地質條件，當拱座基礎局部支撐在大型溶槽上時，由于溶槽區部分基底無支承，基礎發生局部下陷變形，產生不均勻下沉，導致溶槽區域附近基巖和基礎結構的應力顯著增大。

（2）增大基礎結構厚度，可以降低基巖和基礎結構受溶槽影響程度，改善基巖和基礎結構受力狀態。當基礎結構厚度超過某數值后，再增大基礎結構厚度對基礎受力改善效果大大降低。因此，對于局部支撐于大型溶槽的基礎結構，可以通過實體有限元分析，確定安全、經濟的基礎厚度。本文的項目條件下，基礎結構的合理厚度為6～8 m。

（3）在未采取任何巖溶處治措施情況下，基礎及地基受力滿足強度要求，方案具備可行性?？紤]到基礎在溶槽區的下陷變形約為0.6 cm，針對不均勻下沉，建議進行局部加強設計。

參考文獻

［1］郭 曉.巖溶地基—基礎相互作用對鋼管混凝土拱橋抗震的影響［D］.南寧：廣西大學，2016.

［2］郭 曉，謝開仲，柏美巖，等.溶洞對鋼管混凝土拱橋地震反應分析的影響［J］.公路，2018，63（6）：172-176.

［3］黎水昌，廖宸鋒，羅富元.巖溶地區拱座臺階基礎設計計算分析［J］.西部交通科技，2020（6）：95-97.

［4］唐必剛，趙怡彬.基于ANSYS接觸分析的拱座臺階基礎計算［J］.公路工程，2017（3）：170-174，191.

收稿日期：2023-08-30