局部支撑于大型溶槽上的拱座基础及地基受力分析

曹卫力 罗富元

摘要：文章依托某400 m级大跨径中承式钢管混凝土有推力拱桥实际工程，采用实体有限元软件仿真分析，对局部支撑于大型溶槽上的拱座基础及地基受力进行了计算分析。结果表明，溶槽的存在会导致地基和拱座基础结构应力显著增大，增大拱座基础结构厚度可以改善地基和拱座基础结构应力，有效降低溶槽对拱座基础受力的影响，并给出了拱座基础的安全、经济厚度范围，为今后同类设计提供参考。

关键词：钢管混凝土拱桥；实体有限元；拱座基础；大型溶槽

中图分类号：U443.23 A 56 185 3

0 引言

在我国，可溶性岩石分布面积占国土面积的1/3以上，尤其是在西部地区，如云南、贵州、广西等省区，岩溶分布十分广泛［1］。钢管混凝土拱桥以其刚度大、耐久性好、造价经济以及施工便利等优势，在我国西部交通建设中得到了广泛的应用［2］。在岩溶区修建钢管混凝土拱桥，基础设计往往是其中的难点。由于缺乏有针对性的在岩溶地区修建有推力拱桥的设计方法，当桥址区域附近发育有大型溶洞或溶槽时，基于保守设计观点，在方案研究阶段，往往会考虑造价高昂的岩溶处治方案，或者直接将有推力拱桥方案排除在外，从而选择工程造价更高的其他桥型，造成工程投资增加。因此，有必要对桥址附近发育有大型溶洞或溶槽时的拱桥基础及地基受力进行分析，研究其受溶洞或溶槽的影响程度，以明确这类条件下拱桥方案的可行性。

本文以某400 m级大跨径中承式钢管混凝土有推力拱橋作为工程背景，采用实体有限元软件分析局部支撑于大型溶槽上的拱座基础及地基受力情况，分别研究溶槽对基础及地基受力的影响，并对比不同厚度基础受溶槽的影响程度，为以后同类设计提供有益参考。

1 工程概况

翁尧黔江特大桥是高安至柳武高速黄茆出口公路工程中跨越黔江的一座特大桥，位于来宾市兴宾区高安乡翁尧村附近，全桥总长628 m。主桥采用中承式钢管混凝土拱桥，净跨径420 m，净矢跨比为1/4.2，拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.5；主拱为变高度四管桁式截面，两片拱肋横桥向中心间距为28.1 m。主梁采用格构式钢-混组合结构，桥面钢格子梁由四道主纵梁、三道次纵梁与吊索处的主横梁及四道次横梁组成。吊杆采用15.2 mm环氧喷涂钢绞线挤压成型为吊杆索体，间距14 m。本文研究的主墩基础采用整体式扩大基础，基础尺寸为43.6 m（横桥向）×32.0 m（顺桥向）×6.0 m（厚度）。

2 工程地质条件

桥位区的主要地层为素填土、卵石、粉质黏土、粉质黏土混卵石、碎石土及中风化灰岩。中风化灰岩层为基岩，岩体呈灰白色，隐晶质结构，岩质较坚硬，岩体较完整，局部溶蚀裂隙发育。该岩层分布于整个场地，根据钻探成果反映，场地基岩浅部岩溶强发育，其形态以溶洞、溶蚀裂隙、溶槽等为主。其中，西岸主墩基础拱背西南侧发育有大型溶槽，充填粉质黏土混碎石，钻探揭示最大深度72.50 m仍未钻穿，溶槽厚度不详，基底地基存在软硬不一的岩性，均匀性较差，易引起基础不均匀沉降，工程地质条件较复杂。见图1和下页表1。

3 计算模型

采用有限元软件ANSYS建立基础结构+场地一体化实体有限元分析模型，因基础嵌入基岩中，模型中不考虑覆盖层土体的抗力作用，将覆盖层土体作为荷载施加到基岩面上，场地模型仅建立基岩部分。基础结构和基岩均采用solid185实体单元进行模拟，并通过扫掠划分六面体单元，混凝土和基岩之间采用刚体-柔体接触建立基础与基岩的联系［3］。由于基础刚度大于基岩刚度，目标面选择基础构造面，采用TARGE170单元进行模拟；基岩基坑构造面为接触面，采用CONTA173单元进行模拟，接触单元特性采用标准模式，该模式下接触单元能够传递法向压力和切向摩擦力，不传递法向拉力，且接触表面可以分离脱空［4］。图2为基础结构实体有限元模型。

图3为场地基岩（含溶槽，不考虑溶槽内填充物）实体有限元模型。模型中场地尺寸为100 m（顺桥向）×100 m（横桥向）×30 m（深度）。经计算，该尺寸可以消除场地边界对结构和近场基岩岩体计算结果的影响。

荷载条件：选取主拱拱脚最大弯矩工况对应内力作为荷载进行有限元计算分析，分析拱背西南侧基础下存在溶槽时，基础和基岩的受力情况。见表2。

4 分析计算工况

为更好地分析大型岩槽对基础受力的影响，本文通过设置以下工况进行分析对比：

（1）溶槽影响分析工况：在基础厚度相同（6 m）的条件下，对比有溶槽工况和无溶槽对基础及地基受力的影响。

（2）基础厚度分析工况：在溶槽发育相同的条件下，对比不同基础厚度（3～10 m）受溶槽影响的程度。

5 分析结果

5.1 溶槽影响分析

图4是有溶槽工况中场地基岩岩体主压应力云图。通过图4可以看出基岩最大主压应力为3.56 MPa（应力集中），该应力峰值位于地基溶槽边界处。对于无溶槽工况，基岩最大主压应力为1.22 MPa。由于溶槽形成了应力集中的岩体边界区，造成基岩局部应力大大增加，增加幅度为192%。

图5为有溶槽工况中基础结构主压应力云图。通过图5可以看出，基础结构最大主压应力为1.6 MPa，该应力峰值位于溶槽区的基础局部下陷变形位置。而无溶槽工况基础结构最大主压应力为1.15 MPa，相较而言，有溶槽工况中的大型溶槽导致基础最大主压应力增加了39%。

图6为有溶槽工况中基础结构主拉应力云图，基础最大主拉应力水平约为0.44 MPa。通过图6可以看出，基础受拉区明显偏向溶槽区分布，形成局部拉应力增大，拉应力水平在0.15～0.44 MPa。相较于无溶槽工况基础结构最大主拉应力为0.17 MPa，大型溶槽导致基础最大主压应力增加了159%。

图7为有溶槽工况中基础竖向位移云图。从图7可以看出，基础在溶槽区的竖向下陷变形最大值为0.6 cm，属于不均匀下沉。而无溶槽工况基础变形竖向位移最大值为0.1 cm，无明显不均匀下沉。

5.2 基础厚度影响分析

图8为基础厚度与基础最大主拉应力、最大主压应力关系曲线图。通过图8可以看出，随着基础结构厚度增加，基础的总体应力水平逐渐降低。这是由于随着基础结构厚度的增加，基础整体性增强、刚度增大，基础在拱脚内力作用下，弹性变形较小，受溶槽影响程度降低。此外，当基础结构厚度＞6 m时拉应力变化缓慢，再增大基础结构厚度对基础受力改善程度有限，因此基础结构厚度取6～8 m较为合理。

6 结语

本文以某400 m级拱桥的拱座基础为例，分析局部支撑于大型溶槽上拱座基础及地基的受力情况。通过实体有限元分析，分别研究溶槽对基础及地基受力的影响以及不同基础厚度受溶槽影响的程度，得出以下结论：

（1）相比于无溶槽地质条件，当拱座基础局部支撑在大型溶槽上时，由于溶槽区部分基底无支承，基础发生局部下陷变形，产生不均匀下沉，导致溶槽区域附近基岩和基础结构的应力显著增大。

（2）增大基础结构厚度，可以降低基岩和基础结构受溶槽影响程度，改善基岩和基础结构受力状态。当基础结构厚度超过某数值后，再增大基础结构厚度对基础受力改善效果大大降低。因此，对于局部支撑于大型溶槽的基础结构，可以通过实体有限元分析，确定安全、经济的基础厚度。本文的项目条件下，基础结构的合理厚度为6～8 m。

（3）在未采取任何岩溶处治措施情况下，基础及地基受力满足强度要求，方案具备可行性。考虑到基础在溶槽区的下陷变形约为0.6 cm，针对不均匀下沉，建议进行局部加强设计。

参考文献

［1］郭 晓.岩溶地基—基础相互作用对钢管混凝土拱桥抗震的影响［D］.南宁：广西大学，2016.

［2］郭 晓，谢开仲，柏美岩，等.溶洞对钢管混凝土拱桥地震反应分析的影响［J］.公路，2018，63（6）：172-176.

［3］黎水昌，廖宸锋，罗富元.岩溶地区拱座台阶基础设计计算分析［J］.西部交通科技，2020（6）：95-97.

［4］唐必刚，赵怡彬.基于ANSYS接触分析的拱座台阶基础计算［J］.公路工程，2017（3）：170-174，191.

收稿日期：2023-08-30