下伏溶洞嵌岩桩极限承载力试验研究.pdf

下伏溶洞嵌岩桩极限承载力试验研究 ① 雷 勇１， 尹君凡１， 陈秋南１， 杨 威２ （１．湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 ４１１２０１； ２．湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南 长沙 ４１０００７） 摘 要 基于相似理论设计并完成了下伏溶洞嵌岩桩承载力破坏模型试验，研究了顶板厚度对下伏溶洞嵌岩桩极限承载力的影 响。 结果表明下伏溶洞嵌岩桩在加载过程中呈脆性破坏，荷载位移曲线有明显陡降点；下伏溶洞的存在会明显降低嵌岩桩极限承 载力，且主要发生冲切破坏，冲切破坏体近似圆锥台；桩端荷载分担比随溶洞顶板厚度增大而增大；采用 Ｓ 型生长曲线能较好地拟 合不同溶洞顶板厚度时桩端极限承载力变化规律。 顶板厚度为 １～４ 倍桩径时，桩端承载力随溶洞顶板厚度增加呈线性增长，顶板 厚度为 ５ 倍桩径时桩端承载力基本趋于稳定值。 最后结合规范给出了不同溶洞顶板厚度时的安全系数。 关键词 下伏溶洞； 嵌岩桩； 极限承载力； 桩端荷载； 顶板厚度 中图分类号 ＴＵ４７３文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-６０９９．２０１７．０３．００５ 文章编号 ０２５３-６０９９（２０１７）０３-００１９-０４ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ Ｒｏｃｋ-Ｓｏｃｋｅｔｅｄ Ｐｉｌｅ ｏｖｅｒ Ｋａｒｓｔ Ｃａｖｅ ＬＥＩ Ｙｏｎｇ１， ＹＩＮ Ｊｕｎ-ｆａｎ１， Ｃｈｅｎ Ｑｉｕ-ｎａｎ１， ＹＡＮＧ Ｗｅｉ２ （１．Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｈｅａｌｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ， Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉａｎｇｔａｎ ４１１２０１， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ＆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ ＆ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００７， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｒｏｃｋ-ｓｏｃｋｅｔｅｄ ｐｉｌｅ ｏｖｅｒ ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ， ａｎｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｒｏｏｆ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ-ｓｏｃｋｅｔｅｄ ｐｉｌｅ ｏｖｅｒ ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ， ｔｈｅ ｒｏｃｋ-ｓｏｃｋｅｔｅｄ ｐｉｌｅ ｏｖｅｒ ｃａｖｅｓ ｏｃｃｕｒｓ ｗｉｔｈ ｂｒｉｔｔｌｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅｒｅ′ｓ ａｎ ｏｂｖｉｏｕｓ ｓｔｅｅｐ ｄｒｏｐ ｐｏｉｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅ． Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ ｃａｖｅｓ ｃａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｒｏｃｋ-ｓｏｃｋｅｔｅｄ ｐｉｌｅ． Ａ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｓｈｅａｒ ｆａｉｌｕｒｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔｌｙ ｏｃｃｕｒｒｅｄ， ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｃｏｎｅ． Ｔｈｅ ｌｏａｄ-ｓｈａｒｉｎｇ ｒａｔｉｏ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｉｌｅ-ｅｎｄｓ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｖｅ ｒｏｏｆ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ． Ａ Ｓ-ｓｈａｐｅｄ ｇｒｏｗｔｈ ｃｕｒｖｅ ｃａｎ ｆｉｔ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｃａｖｅ ｒｏｏｆ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ． Ｔｈｅ ｐｉｌｅ-ｅｎｄ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｇｒｏｗｓ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｃａｖｅ ｒｏｏｆ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｗｈｅｎ ｂｅｉｎｇ １～４ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｐｉｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｉｔ ｔｅｎｄｓ ｔｏ ｂｅ ｓｔａｂｌｅ ｗｈｅｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ５ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｐｉｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｏｒ ｒｏｏｆｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ； ｒｏｃｋ-ｓｏｃｋｅｔｅｄ ｐｉｌｅ； ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ； ｐｉｌｅ-ｅｎｄ ｌｏａｄ； ｒｏｏｆ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ 随着我国高等级公路建设快速发展，岩溶区大型 桥梁建设不断增多。 在桥梁桩基设计施工时不可避免 地会遇到岩溶区的桩基问题。 对于桩端下伏溶洞目前 常用的处理方法有两类一是针对溶洞顶板厚度不大、 岩体较差的溶洞，通过施工中填充、跨越、灌注及穿越 等技术手段处理；二是针对溶洞顶板具有一定厚度、岩 体完整的溶洞，利用溶洞顶板的自承能力，通过桩端溶 洞顶板的稳定性分析、承载力计算、安全厚度计算等优 化设计，将桩端置于溶洞顶板上［１-５］。 目前国内对岩 溶区桩端溶洞顶板承载力和破坏模式的影响研究较 多［６-１０］，但系统研究嵌岩桩-溶洞顶板共同作用的室内 模型试验尚未见报道，事实上工程中的岩溶桩基往往 嵌入岩体一定深度，因此开展桩基-溶洞共同作用试 验，研究下伏溶洞嵌岩桩在荷载作用下的荷载传递、沉 降发展及桩端岩层的受荷规律，对于模拟现场工程实 际、优化岩溶区桩基设计理论具有重要意义。 本文基于相似理论设计并完成了下伏溶洞嵌岩桩 承载力破坏模型试验，主要研究了溶洞顶板厚度对桩 基桩端极限承载力与破坏模式的影响，以期为下伏溶 洞嵌岩桩工程实践及理论分析提供依据。 ①收稿日期 ２０１６-１１-２８ 基金项目 国家自然科学基金（５１２０８１９５）；岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室开放型基金（Ｅ２１６１８） 作者简介 雷 勇（１９８３-），男，湖南常德人，讲师，博士，主要从事桩基础及特殊土地基处理方面的教学与研究工作。 第 ３７ 卷第 ３ 期 ２０１７ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３７ №３ Ｊｕｎｅ ２０１７ 万方数据 １ 岩溶区嵌岩桩模型试验 １．１ 试验设计及假定 为简化试验，作如下设计及假定 １） 以湖南省几条高速公路桥梁桩基作为原型，一 般桩径 １ ０００ ｍｍ，几何相似系数取 １／２０。 ２） 溶洞顶板完整，材料连续均匀，溶洞为规则的 半圆形洞体，跨度 ３００ ｍｍ，跨径比为 ６．０。 １．２ 桩材选取及参数量测 对常用的桩基模拟材料中的有机玻璃、铝管、ＰＰＲ 管及木材进行材料试验。 桩身弹性模量 Ｅ 随桩材变 化较大，为了准确量测模型桩的弹性模量，采用理想竖 直杆加压法进行量测。 Ｅ ＝ Ｐ Ａ（ｓ１ - ｓ ２） ｌ（１） 式中 Ｐ 为桩头荷载，Ｎ，由测力环测量变形后通过标定 数据计算；Ａ 为模型桩横截面面积，ｍｍ２；ｓ１为压力机 底盘百分表测量读数，ｍｍ；ｓ２为测力环中百分表测量 读数，ｍｍ；ｌ 为模型材料长度，测试前用钢尺测量，ｍｍ。 ４ 种材料试验具体操作方法将模型材料截取 １０～ １５ ｃｍ，模型材料在材料机上加压，由测力环力测试施 加荷载，在压力机底盘安装百分表，加压时同时量测压 力机底盘和测力环中百分表读数。 试验材料参数见 表 １。 原型桩（Ｃ３０ 混凝土）的弹性模量 Ｅｐ＝ ３０ ＧＰａ， 比较而言，选用有机玻璃作模型桩体材料比较理想。 表 １ 模型桩材料弹性模量 材料 桩径 ／ ｍｍ 长度 ／ ｍｍ 平均弹性模量估算值 ／ ＧＰａ 相似比 有机玻璃５０１２１．０２．９６１０ 铝管 ２５ １９ １４５．２６８．５９０．４ ＰＰＲ 管 ７５ ５９．２ １５１．３０．７２４２ 木材３１．８１３９．７１０．１２３ １．３ 基岩模拟材料 基岩材料的原型为岩溶区的石灰岩，模拟基岩的 主要材料为水泥、石膏、砂和红粘土（石灰岩风化产 物），为选择合理的基岩模拟材料进行了 ５ 组不同配 比的基岩模拟。 表 ２ 为基岩模拟材料配比表。 表 ２ 基岩材料配比数据 序号水灰比 材料配比／ ｇ 水泥水砂石膏红粘土 Ａ１．３９２１５３００１ ４５００１３５ Ｂ１．３９２１５３００１ ４５０００ Ｃ１．４１２１２．２３００１ ４５０６９６９ Ｄ１．４１２１２．２３００１ ４５０１３１．００ Ｅ１．２９２３３．４３００１ ４５０５８５８ 表 ３ 为基岩模拟试块抗压强度及弹性模量测试 结果。 表 ３ 试块抗压强度及弹性模量 序 号 抗压强度／ ｋＮ １２３４５６ 抗压强度标准值 ／ ＭＰａ 弹性模量 ／ ＭＰａ Ａ１０．７６ １１．９５ １０．０４ １０．３２ ８．４２ １０．８２１．８８２５０ Ｂ９．１８ １１．５８ １０．６２ １０．７０ １０．７９ １１．３４２．００２８５ Ｃ１６．９８ １４．２０ １７．２７ １５．５４ １５．２３ １５．４７２．９７４５０ Ｄ１１．９８ ９．３８ １１．０３ １２．７０ ８．４３ １２．０１１．９１２６０ Ｅ１２．２０ １２．６９ １３．８４ １２．６６ １５．４１ １２．３５２．４４３３０ 注试块横截面积为 ０．００５ ｍ２。 根据文献［９］工程地质资料测得中风化灰岩单轴 抗压强度 ３２．０～６７．９ ＭＰａ，因此模拟基岩材料的单轴 抗压强度宜在 １．６～３．４ ＭＰａ。 比较试验结果，选用 Ｃ 组材料模拟基岩较为理想。 １．４ 模型箱及加载系统 基于以往室内模型试验的经验设计制作模型箱， 模型箱内净空尺寸为 １６０ ｃｍ ８０ ｃｍ １００ ｃｍ， 如图 １ 所示。 箱体四周采用 Ｌ３５ ３５ 角钢焊接成钢筋骨 架，并用厚度为 １０ ｍｍ 的有机玻璃填充成为模型箱侧 壁，采用槽钢加固。 本试验使用门式框架作为试验加 载的反力装置，其由底座、立柱及反力梁 ３ 部分组成， 立柱平面位置和反力梁位置可调节。 反力梁 力传感器 千斤顶 百分表 模型桩 图 １ 模型箱及加载系统 １．５ 数据量测系统 １．５．１ 位移量测 基桩的桩顶沉降与水平位移均采用百分表量测， 试验选用量程 ３０ ｍｍ 的电子百分表，对称布置在加载 平台上，通过磁性表座与基准杆可靠连接。 １．５．２ 桩顶荷载量测 模型桩试验分级加载过程中，采用 ２００ ｋＮ 油压式 千斤顶加载，并配套 ２００ ｋＮ 力传感器，精度 １．０ Ｎ。 １．５．３ 桩身轴力量测 加载过程中桩身截面轴力采用应变片测得各点应 ０２矿 冶 工 程第 ３７ 卷 万方数据 变后换算得到。 应变通过静态电阻式应变仪采集。 每 根模型不同截面对称布置电阻式应变片，尺寸为 ３ ｍｍ ５ ｍｍ， 间隔 ５０ ｍｍ。 １．５．４ 桩端反力量测 桩端反力的量测对于确定桩端荷载具有关键作 用。 考虑到基岩材料单轴抗压强度接近 ３．０ ＭＰａ 及桩 基的尺寸，本试验采用丹阳龙宇仪器厂制作的 ３０ ＭＰａ 微型土压力盒，直径 ２２ ｍｍ，厚度 ８ ｍｍ。 １．５．５ 模型试验方案 本实验分别进行顶板厚度 ｈ 为桩径的 １ 倍、２ 倍、 ３ 倍及桩底无溶洞桩基的对比试验，桩基竖向及平面 布置见图 ２，分组情况见表 ４。 15 20 25 C1 B1 A1 C2 B2 A2 152020 202020 4051510 35 30 桩基竖向布置桩基平面布置 图 ２ 桩基竖向及平面布置 表 ４ 桩基试验分组表 序号 桩径 ／ ｍｍ 实际长度 ／ ｃｍ 嵌入深度 ／ ｃｍ 顶板厚度 ／ ｃｍ Ａ１５５４０５ Ｂ１５０３５１０ Ｃ１ ５０ ４５３０１５ Ａ２５５４０３０ Ｂ２５０３５３５ Ｃ２４５３０４０ １．５．６ 试验方法 采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到 相对稳定后加下一级荷载，直到模型桩破坏，然后分级 卸载到零。 具体参照 ＪＧＪ１０６-２００３［１１］进行。 终止加载的条件模拟溶洞坍塌，沉降数据不断变 化；压力加不上或勉强加上而不能保持稳定。 ２ 试验结果分析 ２．１ 荷载位移曲线及破坏模式 图 ３ 为溶洞区及完整基岩下桩基的荷载位移曲线 图。 Ａ１、Ｂ１及 Ｃ１号加载点位于溶洞轴向正上方，桩端 岩溶顶板厚度分别为桩径的 １ 倍（１Ｄ）、２ 倍（２Ｄ）、３ 倍（３Ｄ）。 Ａ２、Ｂ２及 Ｃ２桩端基岩完整，嵌入深度分别 与 Ａ１～Ｃ１一致。 桩顶荷载／kN 0 5 10 15 20 25 200406080100120 桩顶沉降／mm ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ●● ●● ● ● ● ● ● ● ● ▲▲ ▲▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ■●▲ ▲ ▲ ▲ ■ ● ▲ ▲ ▲ ▲ A1 B1 C1 A2 B2 C2 图 ３ 桩基荷载沉降曲线 从对比曲线可知，Ａ１～ Ｃ１曲线呈脆性破坏，荷载 位移曲线有明显的陡降点，当桩端顶板厚度为 １Ｄ 时， 岩溶桩基极限承载力 ５５ ｋＮ，当桩端顶板厚度为 ２Ｄ 时，岩溶桩基极限承载力６０ ｋＮ，当桩端顶板厚度为３Ｄ 时，岩溶桩基极限承载力为 ６５ ｋＮ。 Ａ２～ Ｃ２号桩桩底 基岩完整，荷载位移曲线呈缓变形。 试验桩的极限承 载力以沉降达到 １６ ｍｍ 为准则确定，Ａ２桩极限承载力 为 ９５ ｋＮ，Ｂ２桩极限承载力为 ９０ ｋＮ，Ｃ２桩极限承载力 为 ８５ ｋＮ。 总体上看，溶洞的存在降低了嵌岩桩的极 限承载力。 按照文献［１２］的分类，Ａ１～Ｃ１属于低荷载 大变形破坏，Ａ２～Ｃ２属于中荷载渐进式破坏。 图 ４ 为 Ａ１、Ｂ１试验过程中桩端岩层发生的冲切破 坏现象。 图 ５ 为 Ａ１、Ｂ１两者破坏时冲切体大样图（沿 洞轴线方向）。 从图中可看出其冲切体母线为曲线， 整体呈锥台状（部分冲切体散落未取出）。 Ｃ１由于体 积大、洞体的限制等原因未能直接取出。 图 ４ Ａ１、Ｂ１桩破坏现象 图 ５ Ａ１、Ｂ１桩端冲切体大样图 １２第 ３ 期雷 勇等 下伏溶洞嵌岩桩极限承载力试验研究 万方数据 ２．２ 溶洞顶板厚度对桩端承载特性的影响 表 ５ 给出了 ６ 根不同嵌岩深度的嵌岩桩桩端荷载 分担比及平均摩阻力值（需要说明的是由于桩侧应变 片失效较多，因此完整轴力曲线未能测得）。 桩侧平 均摩阻力在 ７３０～７６０ ｋＰａ 之间，与单轴抗压强度的比 值约为 ０．２４６～０．２５６。 该现象与 Ｔｏｈ［１３］研究嵌岩桩摩 阻力时得出的经验公式 τｍ＝０．２５σｃ关系一致（τｍ为桩 侧平均摩阻力，σｃ为桩周岩石单轴抗压强度）。 表 ５ 桩端荷载及桩侧摩阻力 嵌岩 深度 桩端基岩 厚度 极限承载力 ／ ｋＮ 桩端承载力 ／ ｋＮ 桩端荷载 分担比 桩侧承载力 ／ ｋＮ 平均摩阻力 ／ ｋＰａ ８Ｄ １Ｄ５５７．００．１３４８７６０ ６Ｄ９５４８０．５１４７７５０ ７Ｄ ２Ｄ６０１８０．３０４２７６０ ７Ｄ９０５００．５６４０７３０ ６Ｄ ３Ｄ６５３００．４６３５７４０ ８Ｄ８５４９０．５８３６７６０ 从表 ５ 可知，桩端荷载分担比随溶洞顶板厚度增 大而增大。 对于桩底完整嵌岩桩，桩端荷载分担比随 嵌岩深度增加略有减小，但变化幅度不大，其数值与 ＪＧＪ ９４-２００８［１４］规定的端阻系数较为接近。 在 １Ｄ～３Ｄ 顶板厚度下，桩端承载力随溶洞顶板厚度增加呈线性 增长，达到 ６Ｄ 时基本趋于稳定值，即桩端基岩极限承 载力，根据其前期增长快后期趋于定值的特点，采用 Ｓ 型生长曲线中 Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ 函数［１５］对实测结果拟合。 图 ６ 为不同溶洞顶板厚度时桩端极限承载力实测 值与拟合曲线。 桩端岩层厚度／倍桩径 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 50 40 30 20 10 0 1023456789 桩端承载力／kN 实测值 Boltzmann函数拟合曲线 图 ６ 不同厚度时溶洞顶板承载力曲线 其数学表达式为 Ｐ（ｘ） ＝ Ａ１ - Ａ ２ １ ｅ（ｘ-ｘ０） ／ ｄｘ Ａ ２ （２） 式中 Ａ１＝-６．３０，Ａ２＝５０．０７，ｘ０＝２．３２，ｄｘ＝１．１２。 由对比曲线可知，采用 Ｓ 型生长曲线拟合与实测结 果吻合较好。 从拟合曲线可预测桩端承载力随着溶洞 顶板厚度增加呈线性增长的范围为 １Ｄ～４Ｄ，按式（２）计 算 ４Ｄ 时桩端承载力为 ３９．８ ｋＮ，５Ｄ 时为 ４５．３ ｋＮ。 ２．３ 对下伏溶洞嵌岩桩工程设计的探讨 为将本试验结论用于岩溶区嵌岩桩的工程设计， 结合相关规范给出不同厚度时溶洞顶板的安全系数。 ＧＢ５０００７-２０１１［１６］规定的嵌岩桩承载力计算公 式为 Ｒａ ＝ ｑ ｐａＡｐ （３） 式中 ｑｐａ为桩端岩石承载力特征值；Ａｐ桩底端横截面 面积，ｍ２。 ＪＧＪ ９４-２００８［１４］规定嵌岩桩桩端极限承载力为 Ｑｒｐ ＝ ζ ｐσｃ π ４ Ｄ２（４） 式中 ζｐ为端阻系数。 本试验中测得单轴抗压强度标准值为 ２．９７ ＭＰａ， 按两规范计算得到的嵌岩桩桩端极限承载力见表 ６。 表 ６ 嵌岩桩端极限承载力 方法桩端极限承载力／ ｋＮ备注 ＧＢ５０００７-２０１１５．８ 按岩石单轴抗压强度 计算 ＪＧＪ ９４-２００８２．９ 按岩石单轴抗压强度 计算（ζｐ＝０．５） １Ｄ７．０ 本文试验２Ｄ１８ ３Ｄ３０ 在实际的嵌岩桩设计过程中，一般以地勘报告提 供的岩石单轴抗压强度进行设计，最大可取 ５．８ ｋＮ，因 此对于不同厚度的溶洞顶板安全系数 Ｋ 分别为 １Ｄ Ｋ＝７．０／５．８＝１．２ ２Ｄ Ｋ＝１８／５．８＝３．１ ３Ｄ Ｋ＝３０／５．８＝５．２ 如桩端岩层顶板完整时，３ 倍桩径厚度的顶板偏 于安全，该结论与两部规范对岩溶桩基桩端持力层厚 度取值的规定一致。 ３ 结 论 通过完整基岩及下伏溶洞嵌岩桩极限承载力模型 试验，得出如下结论 １） 嵌岩桩下伏溶洞时荷载受荷呈脆性破坏，荷载 位移曲线有明显的陡降点，桩端基岩完整时荷载位移 曲线呈缓变形破坏。 ２） 同等条件下，桩端存在下伏溶洞时嵌岩桩极限 承载力明显低于实底的嵌岩桩；顶板完整时，发生冲切 破坏，冲切破坏体近似圆锥台体。 （下转第 ２６ 页） ２２矿 冶 工 程第 ３７ 卷 万方数据 表 ３ 系统维护保养及故障记录 序号品名维护内容维护次数故障次数 １水相泵 更换定子 更换万向节 更换密封 ０ １ ０ ０ ０ ０ ２油相泵 更换定子 更换万向节 更换密封 １ ０ ０ ０ ０ ０ ３ＡＥ-ＨＬＣＩＩ 型乳化机 机械密封 轴承 电机 ０ １ ０ ０ ０ ０ ４冷却钢带 电机 胶条 ０ ０ ０ ０ 验证结果表明，固定站乳化系统可靠性良好。 其 配套的原料制备、乳化系统、冷却系统均通过 ２ 年多的 可靠运行，无故障运行时间达到 ２ ０００ ｈ 以上，满足生 产需求。 ３ 结 语 经过近 １ 年的验证表明，散装乳化炸药乳化基质 固定式地面站的安全性、匹配性、可靠性所涉及的各项 验证项目明确、参数指标设计适当，验证过程和方法合 适、验证结论准确，实现了与整个包装线的联锁控制； 全线数字化自动控制率达到 １００％，无故障运行时间 达 ２ ０００ ｈ 以上。 固定站生产工艺合理、设备运行稳定，主要安全性能 指标验证结果符合工艺安全设计标准。 试验结果如下 １） 乳化后的乳化基质抗水性能好、贮存期长（１ 个 月以上）、质量稳定、不易破乳、常温易敏化，其各项性 能指标达到或超过相关国家及行业标准的要求。 ２） 油、水相溶化罐采用多重加热方式能有效提高 加热效率，实现快速配制油、水相溶液。 ３） 生产线工艺流畅、产品质量稳定，乳化基质产 品质量达到乳化炸药ＧＢ１８０９５-２０００ 标准的规定， 贮存性能稳定；产品一次交验合格率达到 １００％；乳化 基质固定式地面制备站能满足单班产能（７ ｈ）达 ３～１５ ｔ／ ｈ；生产出来的乳化基质无雷管感度，乳胶基质在敏 化后制成的露天乳化炸药满足国家标准要求。 ４） 提高了检测精度，加强了安全联锁设置，实现 生产智能化控制、远程诊断及故障处理，提高了整体技 术水平，整个固定站除油水相配料、控制室需要操作人 员外，其余工序实现无人化操作。 引用本文 王少波． 散装乳化炸药乳化基质固定式地面站生产工艺控 制系统安全性研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１７，３７（３）２３-２６． �������������������������������������������������������������������������������������������������� （上接第 ２２ 页） ３） 桩端荷载及桩端荷载分担比随溶洞顶板厚度 增大而增大。 对于桩底完整嵌岩桩，桩端荷载分担比 随嵌岩深度增加略有减小，但变化幅度不大。 ４） 采用 Ｓ 型生长曲线能较好地拟合不同溶洞顶 板厚度时桩端极限承载力变化规律。 １Ｄ～４Ｄ 顶板厚 度下，桩端承载力随溶洞顶板厚度增加呈线性增长，超 过 ４Ｄ 后，增长缓慢，５Ｄ 时基本趋于稳定值。 ５） 如桩端岩层顶板完整时，３ 倍桩径厚度的溶洞 顶板偏于安全。 参考文献 ［１］ 赵明华，曹文贵，何鹏祥，等． 岩溶及采空区桥梁桩基桩端岩层安 全厚度研究［Ｊ］． 岩土力学， ２００４，２４（１）６４-６８． ［２］ 赵明华，蒋 冲，曹文贵． 岩溶区嵌岩桩承载力及其下伏溶洞顶板 安全厚度的研究［Ｊ］． 岩土工程学报， ２００７，２９（１１）１６１８-１６２２． ［３］ 李仁江，盛 谦，张勇慧，等． 溶洞顶板极限承载力研究［Ｊ］． 岩土 力学， ２００７，２８（８）１６２１-１６２６． ［４］ 雷 勇，陈秋南，马缤辉． 基于极限分析的桩端岩层冲切分析［Ｊ］． 岩石力学与工程学报， ２０１４，３３（３）６３１-６３８． ［５］ 赵明华，蒋 冲，曹文贵，等． 基于岩石损伤统计强度理论的桩端 溶洞顶板稳定性分析方法研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２００７，２７（５）１-５． ［６］ 刘铁雄． 岩溶顶板与桩基作用机理分析与模拟试验研究［Ｄ］． 长 沙中南大学地学与环境工程学院， ２００３． ［７］ 冯明伟． 岩溶区桥梁桩基承载机理及试验研究［Ｄ］． 长沙湖南大 学土木工程学院， ２０１４． ［８］ 彭文祥，赵明华，唐 佳，等． 复合桩基处理溶洞顶板较薄地层的 应用研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２００６，２６（１）５-７． ［９］ 张慧乐，马 凛，张智浩，等． 岩溶区嵌岩桩承载特性影响因素试 验研究［Ｊ］． 岩土力学， ２０１３，３４（１）９２-１００． ［１０］ 张慧乐，张智浩，王述红，等． 岩溶区嵌岩桩的试验研究与分析 ［Ｊ］． 土木工程学报， ２０１３，４６（１）９２-１０３． ［１１］ ＪＧＪ１０６-２０１４， 建筑基桩检测技术规范［Ｓ］． ［１２］ 吕福庆，吴 文，姬晓辉． 嵌岩桩静载试验结果的研究与讨论 ［Ｊ］． 岩土力学， １９９６，１７（１）８４-９６． ［１３］ Ｔｏｈ Ｃ Ｔ， Ｏｏｉ Ｔ Ａ， Ｃｈｉｕ Ｈ Ｋ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｂｏｒｅｄ ｐｉｌｅｓ ｉｎ ａ ｗｅａｔｈｅｒｅｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ １２ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｒｉｏ， １９８９１０７３-１０７８． ［１４］ ＪＧＪ ９４-２００８， 建筑桩基技术规范［Ｓ］． ［１５］ 刘胜利，赵文光，秦尚林，等． 基于 Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ 函数的桩基极限承 载力预测［Ｊ］． 土木工程与管理学报， ２０１１，２８（４）３０-３３． ［１６］ ＧＢ５０００７-２０１１， 建筑地基基础设计规范［Ｓ］． 引用本文 雷 勇，尹君凡，陈秋南，等． 下伏溶洞嵌岩桩极限承载力试 验研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１７，３７（３）１９-２２． ６２矿 冶 工 程第 ３７ 卷 万方数据