Studie über die vertikale Tragfähigkeit von Pfählen in Karsthöhlen

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 4944 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Höhlen beeinträchtigten den Lastübertragungsmechanismus der Pfahlgründung der Brücke, wodurch die Sicherheit der Brücke gefährdet war. Ziel dieser Studie war es, die Auswirkung von Karsthöhlen unter Brückenpfahlgründungen auf die vertikalen Trageigenschaften von Brückenpfahlgründungen durch statische Belastungstests, Finite-Elemente-Analyse und mechanische Modelle zu untersuchen. Die Setzung des Pfahls wurde mit einem Verschiebungsmesser gemessen, und die Axialkraft wurde im Test mit Spannungsmessgeräten gemessen. Die Lastsetzung, die Axialkraft, die Einheitsmantelreibung und die Verhältnisse von Seiten- und Spitzenwiderständen wurden mit dem Ergebnis der Simulation verglichen. Dann wurden in der Finite-Elemente-Analyse sechzehn Bedingungen ausgewählt, eine davon war ein herkömmlicher Pfahl, der sich nicht in einer Höhle befand. Die anderen hatten ungefähr fünf Arten von Höhen, fünf Arten von Spannweiten und sechs Arten von Dachdicken der Höhle. Zur Berechnung der zulässigen Dachdicke wurden die einfach abgestützten und befestigten Breitträger ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Spannung und Verformung der Pfähle erheblich beeinflusst wird, wenn die Höhlenspannweite mehr als 9 m × 9 m beträgt oder die Dachdicke weniger als 2 D (Pfahldurchmesser) beträgt.

Karst ist ein komplexer Untergrund, und angesichts der stabilen Stützen, die für Brückenkonstruktionen erforderlich sind, ist die Leistung von Brückenpfahlgründungen im Karst von entscheidender Bedeutung. Bei der Installation von Brückenpfahlgründungen in Gelände mit Karsthöhlen können drei Problemszenarien auftreten: Höhle über den Pfahl, Höhle an der Seite des Pfahls oder Höhle unter dem Pfahl. Die Trageigenschaften von Pfählen unterscheiden sich erheblich je nach Größe und Dach der darunter liegenden Höhle1. Die Höhle unter dem Pfahl verursacht das Fehlen einer Tragschicht am Pfahlboden, was eine Gefahr für die Pfähle darstellt2,3,4,5.

Die Tragfähigkeit von Brückenpfahlfundamenten in Karstgebieten hat in der Forschung große Aufmerksamkeit erregt. Feng, Chen und He haben anhand des hochpräzisen Graumodells erfolgreich die Tragfähigkeit und Stabilität von Pfählen vorhergesagt, die in einer Karsthöhle errichtet wurden6,7,8,9. Wong und Dong implementierten das Lastsetzungsgesetz und die Berechnungsmethode für Tragfähigkeit und sichere Mächtigkeit in Karstgebieten mithilfe eines statischen Belastungstests und theoretischer Schlussfolgerungen10,11. Chen und Hu untersuchten den vertikalen Zerstörungsmodus eines teilweise verschraubten Pfahls und berechneten seine Tragfähigkeit durch Tests und Simulation12,13. Der Einfluss der Dicke und Größe des Höhlendachs auf die Tragfähigkeit und die Empfindlichkeit jedes Faktors wurden von Zhang14,15 festgestellt. Liu und Fattah untersuchten die vertikale Leistung des Pfahls bei sich ändernder Größe, Dachdicke und Form der Karsthöhle und analysierten die Stabilität des Pfahls16,17.

Die meisten Wissenschaftler untersuchten die Versagensart und die Stabilität des Daches der Karsthöhle. Zhao und Xiao schlugen die Stabilitäten eines Hohlraums und mehrerer Hohlräume unter verschiedenen undrainierten Bedingungen vor und diskutierten den Einfluss der Schräglast auf den Hohlraum18,19. Jiang, Zhao, Zhang, Wang und Bai erstellten das einfach unterstützte mechanische Modell, um die theoretische Berechnungsformel für die sichere Dicke des Höhlendachs zu erhalten, und untersuchten den Zerstörungsmodus des Dachs, wenn das Dach Stanz-, Scher-, Biege- und Zugkräften ausgesetzt wird Fehler20,21,22,23,24. Laut Wilson, Tschuchnigg und Rodrigo könnte die Stabilität einer Struktur durch eine Grenzgleichgewichtsanalyse in der Technik bestimmt werden25,26,27. Lee schlug die Stabilität des Hohlraums unter verschiedenen undrainierten Bedingungen vor und diskutierte den Einfluss der Schräglast auf den Hohlraum28,29. Fast alle der oben genannten Forschungen werden mit der Finite-Elemente-Analyse und dem mechanischen Modell untersucht. Der statische Belastungstest ist eine der zuverlässigsten Methoden zur Untersuchung der Leistung von Pfählen30,31,32,33,34.

In dieser Studie wurden die Auswirkungen der Höhe, Spannweite und Dachdicke der darunter liegenden Karsthöhle auf die vertikalen Trageigenschaften von Brückenpfahlgründungen mittels statischem Belastungstest und Finite-Elemente-Analyse untersucht. Die vertikale Tragfähigkeit wurde unter verschiedenen Höhlen ermittelt. In der Zwischenzeit wurden die Lastübertragungseigenschaften unter verschiedenen Szenarien untersucht, darunter Axialkraft, Wellenwiderstand der Einheit und Verhältnisse zweier Widerstände.

Das Design des Feldtests hängt vollständig vom Prototyppfahl ab, sodass die Daten des Feldtests am zuverlässigsten und repräsentativsten sind. Um die Trageigenschaften der Pfahlgründung unter dem Einfluss der darunterliegenden Höhle wirklichkeitsgetreu wiederzugeben und die Genauigkeit des Finite-Elemente-Simulationsmodells zu überprüfen, wurden statische Feldbelastungstests der Trageigenschaften der Pfahlgründung durchgeführt. Die statischen Belastungstests in diesem Manuskript nutzten innovativ den internen Benchmark-Träger35,36. Es ermöglicht eine effizientere Übertragung der Oberlasten auf die Testpfähle. Bei diesem Test wurden sowohl der Verschiebungsmesser als auch der Dehnungsmessstreifen und die Erddruckmesszelle verwendet, so dass die durch den Test gewonnenen Mechanik- und Verformungsdaten der Pfahlgründung relativ umfassend waren. Der statische Belastungstest stützte sich hauptsächlich auf eine 470 m lange Überführungsbrücke in Pingdingshan. Der Überbau der Brücke bestand aus vor Ort gegossenen durchgehenden Kastenträgern, der untere Teil aus Säulenpfeilern und das Fundament aus Bohrpfählen. Die Brücke befand sich in einer Ebene mit einer Geländehöhe von etwa 89,30 m. Die obere Schicht des Brückenstandorts bestand aus Quartär und die untere Schicht aus kambrischem dolomitischem Kalkstein. Die Merkmale der geologischen Bedingungen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Brücke überspannte das Karstgebiet und es gab viele versteckte Karsthöhlen. Die Höhlen waren hauptsächlich auf die Pfeiler 1#–16# verteilt. Den Daten der geologischen Prospektion und der Baustellenkonstruktion zufolge wurde Pier 3# als Testpfahl ausgewählt. Die Eigenschaften des Karsts am Standort von Pier 3# sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Der quartäre Boden bedeckte alle Gesteinsschichten und an der Stelle von SZ5 von Pier 3# entwickelte sich verborgener Karst. Die geologischen Bedingungen wurden durch Bohrprobenverfahren ermittelt. Wie Abb. 1 zeigt, könnte der Ödometertest den Kompressionsmodul testen. Der Trocknungstest könnte den Feuchtigkeitsgehalt ermitteln. Der direkte Scherversuch könnte die Scherparameter ermitteln. Durch die Kompressionsversuche konnten die Parameter des Gesteins überprüft werden. Die Boden- und Gesteinsparameter sind in den Tabellen 3 und 4 dargestellt. Die Tragschicht von SZ5 war mäßig verwitterter Kalkstein mit einer Mächtigkeit von 1,5 m. Wobei Es der Elastizitätsmodul ist; t ist die Dicke; μ ist das Poisson-Verhältnis; c ist der Zusammenhalt; φ ist der innere Reibungswinkel; γ ist das Einheitsgewicht; frk ist die einachsige maximale Druckfestigkeit des Gesteins; Rt ist die maximale Zugfestigkeit des Gesteins.

Prüfungen der physikalischen Eigenschaften: (a) Ödometertest; (b) Prüfung des Feuchtigkeitsgehalts; (c) direkter Schertest; (d) Proben mit unterschiedlichen Proportionen; (e) Kompressionstests.

SZ5 ist eine Modellbrückenpfahlgründung mit 19,5 m Länge und 1,5 m Durchmesser. Es handelt sich um einen Ortbetonpfahl mit einer Höchstlast von 8120 kN. SZ5 ist auf einer Karsthöhle mit einer Höhe von 3,2 m und einer Spannweite von 6,0 m × 3,0 m errichtet, wobei die Pfahlsohle 1,5 m über der Höhlenoberkante liegt. Die Höhen der Höhlen werden in Achsrichtung des Pfahls gemessen. Die Spannweiten der Höhlen werden in zwei Richtungen senkrecht zur Achsrichtung des Pfahls gemessen. Das Dach ist der Fels vom Pfahlboden bis zur Höhle. Die Parameter von SZ5 sind in Tabelle 5 aufgeführt. In Tabelle 5 ist l die Länge von SZ5; D ist das Diagramm von SZ5; Qu ist die ultimative Last von SZ5 im Design; hr ist die Felstiefe des Pfahls; Hc ist die Dachdicke der Höhle; H ist die Höhe der Höhle; B ist die Querspannweite der Höhle; L ist die Längenspanne der Höhle in Längsrichtung.

Das Ladehydrauliksystem besteht aus 4 Zylindern (Abb. 2a6) mit Druckstabilisierungsvorrichtungen. Das hydraulische Messgerät befand sich parallel zu den Zylindern, um den Öldruck zu bestimmen und die Belastungsmenge zu kontrollieren. Der Querträger (Abb. 2a10) bestand aus Bewehrungsstahl und war auf der Stapelplattform montiert. Die Betonsteine dienten als Ballast (Abb. 2a11) auf der Querträgerplattform. Der Basisträger bestand aus Stahl, der den internen und externen Referenzträger umfasst, wie in Abb. 2b dargestellt. Der im Test eingestellte externe Referenzträger weist unter der Belastung keine Setzungen auf. Es könnte die Genauigkeit der Testergebnisse sicherstellen, wenn sich der interne Referenzbalken unter der Last nach unten bewegt. Abbildung 2 zeigt die Reaktionsvorrichtung der Stapelplattform. Wobei l die Länge von SZ5 ist; D ist der Durchmesser von SZ5; Qu ist die ultimative vertikale Tragfähigkeit von SZ5 im Design; Mu ist das Biegemoment von SZ5 im Design; hr ist die Tiefe des eingebetteten Gesteins von SZ5; h ist die Dicke des Daches; hc ist die Höhe der Karsthöhle; B ist die Längenausdehnung der Höhle; L ist die horizontale Spannweite der Höhle.

Testausrüstung: (a) Pfahltestplattform und Reaktionsgerät; (b) Grundbalkenanordnung.

Am SZ5 wurden vier Verschiebungsmesser installiert, am Außenträger vier, wie in den Abbildungen dargestellt. 2 und 3. Die Verdrängungsmesser waren symmetrisch und gleichmäßig angeordnet. Auf der Oberseite und an der Seite des SZ5 im unteren Bereich angebrachte Dehnungsmessstreifen, wie in Abb. 3 dargestellt.

Anordnung des Wegmessers und des Dehnungsmessstreifens.

Um die Genauigkeit der Daten zu gewährleisten, wurden Spannungsmessgeräte entlang der beiden symmetrischen Hauptbewehrungen von SZ5 angeordnet. Die Spannungsmesser wurden wie in Abb. 4 gezeigt an die Stahlstange geschweißt. Die Bewehrungskraft könnte vom Datensammler angefordert werden. Zwei Spannungsmessgeräte wurden symmetrisch im Abstand von 3 m installiert. Die Erddruckzelle wurde in der Mitte der Spitze von SZ5 angebracht.

Anordnung von Spannungsmessern und Erddruckmesszelle.

Der Test wurde mit der Methode der langsamen Erhaltungsbelastung durchgeführt. Die vertikale Belastung umfasste 11 Ebenen. Jedes Level wurde um 2 MN erhöht. Die Setzung von SZ5 wurde in der ersten Stunde nach 5 Minuten, 15 Minuten, 30 Minuten, 45 Minuten und 60 Minuten und dann alle 30 Minuten einmal aufgezeichnet. Wenn die Setzung innerhalb einer Stunde mindestens zweimal weniger als 0,1 mm betrug, konnte sie als stabil angesehen werden. Dann wurde die Last mit 2 MN pro Ebene entfernt. Nach dem Entfernen jeder Ebenenlast war die Restsetzung nach 15 Minuten, 30 Minuten und 60 Minuten erforderlich. Nachdem die Last auf Null gesenkt worden war, wurde die Restsetzung in der ersten halben Stunde alle 15 Minuten und dann alle 30 Minuten abgelesen, was insgesamt 3 Stunden dauerte.

Der Pfahl wurde aus Beton als Festkörpermodell hergestellt, das die ideale elastische Materialbeziehung einnimmt. Für Gestein und Boden wurden das elastoplastische Materialmodell und das Mohr-Coulomb-Ertragskriterium ausgewählt. Der Boden und das Gestein wurden von ABAQUS als 2D-Gitter erstellt und zu 3D-Einheiten erweitert, um die Kontaktfläche kontinuierlich zu halten. Dann wurde jeder Entität ein entsprechendes Materialattribut hinzugefügt (Abb. 5, Tabellen 1, 2, 3). Die Einheitsverlängerung des Pfahls erfolgte kontinuierlich. Das 2D-Element an der Stelle der Höhle im Überbleibselfelsen wurde beim Bau der Höhle verborgen und es gab keine materiellen Attribute in der Höhle. Um die Berechnung zu vereinfachen, wurde die Höhle zu einem viereckigen Prisma vereinfacht. Für die Schnittstelle zwischen Pfahl und Boden wurde der Master-Slave-Kontaktalgorithmus verwendet.

Modellpfahl- und Bodenverteilung: (a) Bodenverteilung und Position des Pfahls in der Finite-Elemente-Analyse; (b) Modell.

Zu den manipulierten Parametern gehörten die Höhe, die Spannweite und die Dachdicke von Karsthöhlen, die mit Pfählen interagieren. Es gibt insgesamt siebzehn Behandlungen, darunter eine mit Pfählen ohne Karsthöhlen (Kontrolle), fünf verschiedene Höhen (3, 6, 9, 12, 15 m), fünf verschiedene Spannweiten (3 × 3, 6 × 6, 9 × 9, 12). × 12, 15 × 15 m × m) und sechs Höhlen unterschiedlicher Dicke (0,75 m, 1,5 m, 2,25 m, 3,0 m, 3,75 m, 4,5 m). Der Pfahl ist 20 m lang und im Diagramm 1,5 m lang. Es ist 2,0 m tief in den Fels eingelassen. Wenn die Spannweite der Höhle manipuliert wird, betragen die Höhe und die Dachdicke der Höhle 3 m bzw. 2,25 m. Wenn die Höhe geändert wird, betragen die Spannweite und die Dachdicke der Höhle 6 m × 6 m bzw. 2,25 m. Die Höhen der Höhlen werden in Achsrichtung des Pfahls gemessen. Die Spannweiten der Höhlen werden in zwei Richtungen senkrecht zur Achsrichtung des Pfahls gemessen.

Es gibt zwei Methoden, die die maximale vertikale Tragkraft von Pfählen anhand der Last-Setzungs-Kurve gemäß der Norm ermitteln. Eine davon ist die Kraft, die der plötzlichen Änderungsabwicklung entspricht. Die andere Methode besteht darin, den Wert von 3 % des Pfahldurchmessers und den Wert von 40 mm zu berechnen und dann den kleineren Wert zu wählen, der als Versagenssetzung betrachtet wird37. Die zur Erzeugung dieser Setzung erforderliche Last ist die Tragfähigkeit der Pfähle, wenn die Setzung auftritt nicht mutieren. Wenn die Siedlung mehr als das Zweifache der angrenzenden Siedlung beträgt, ist die Pfahlgründung beschädigt. Die angrenzende Last ist die maximale Tragfähigkeit des Pfahls.

Die Qs-Kurven im statischen Belastungstest sind in Abb. 6 zu sehen.

Last-Setzungs-Kurven des Testpfahls.

Wie in Abb. 6 dargestellt, beträgt die Endbelastung im Test 22 MN und die entsprechende Setzung von SZ5 beträgt 31,8 mm. Die Restsetzung nach Entlastung beträgt 21,0 mm. Die vertikale Tragfähigkeit von SZ5 beträgt 20,35 MN. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Setzung von SZ5 hauptsächlich eine elastische Verformung des Pfahls bei geringer Belastung ist. Mit zunehmender Last wird mehr Last auf die Unterseite des Pfahls übertragen.

Die Axialkraft und die Seitenreibung des Einheitspfahls von SZ5 können durch Gleichung (1) ermittelt werden. (1) und Gl. (2) 8,38.

wobei Qi die Axialkraft des Pfahls ist; FG, EH und AH sind der Axialdruck, der Elastizitätsmodul bzw. die Querschnittsfläche einer Hauptbewehrung (EH beträgt 2,8 × 104 MPa und der Durchmesser des Hauptstabs beträgt 28 mm). EG und AG sind der Elastizitätsmodul bzw. die Querschnittsfläche von Beton (EG beträgt 2,0 × 105 MPa); n ist die Verstärkungszahl (n ist 28). Ti ist die Einheitsseitenreibung (i ist die Anzahl der Spannungsmeter, 1 bis 6 von der Pfahlspitze bis zur Spitze), es ist die Kraft auf die Einheitsseitenfläche des Pfahlelements; U ist der Umfang des Pfahls; li ist der Abstand zwischen benachbarten Spannungsmessern (Abb. 4).

Die Axialkraft und die Seitenreibung der Einheit von SZ5 im statischen Belastungstest sind in Abb. 7 zu sehen.

Lastübertragungsgesetz des Testpfahls: (a) Axialkraft der Pfähle; (b) Einheitsseitenreibung der Pfähle.

In Abb. 7 nehmen die Axialkräfte der Pfähle entlang des Pfahls allmählich ab. Die Dämpfungsrate der Axialkraft nimmt im Bereich der Gesteinsschichten deutlich zu. Bei einer Belastung von 8,12 MN beträgt die Seitenreibung von SZ5 92,5 %. Der Hauptgrund liegt darin, dass die relative Verschiebung zwischen Pfahl und Boden mit zunehmender Pfahltiefe abnimmt. Die im Entwurf berücksichtigten Parameter sind konservativ. Bei einer Belastung von 8,12 MN (Grenzlast von SZ5 in der Auslegung) weist SZ5 typische Eigenschaften eines Reibungspfahls auf.

Die Last-Setzungs-Kurven unter drei Faktoren sowie die endgültige Tragfähigkeit und das Reduktionsverhältnis unter drei Faktoren sind in den Abbildungen dargestellt. 8 bzw. 9.

Die Last-Setzungs-Kurven unter drei Faktoren: (a) unterschiedliche Höhlenhöhe; (b) unterschiedliche Höhlenspannweite; (c) unterschiedliche Höhlendachdicke.

Die ultimative Tragfähigkeit und das Reduktionsverhältnis hängen von drei Faktoren ab: (a) unterschiedliche Höhlenhöhe; (b) unterschiedliche Höhlenspannweite; (c) unterschiedliche Höhlendachdicke.

Wie in Abb. 8 dargestellt, weisen die Last-Setzungs-Kurven keinen plötzlichen Änderungspunkt bei der Änderung der Höhe und Spannweite der Höhle auf, außer wenn die Dachdicke kleiner als 1,5 m ist. In Abb. 9 führen die darunter liegenden Höhlen zu einer stärkeren Setzung an der Spitze des Pfahls im Vergleich zum Pfahl ohne Höhle bei gleicher Belastung und die endgültige vertikale Tragfähigkeit nimmt stark ab. Die ultimativen Lagerkräfte zeigen mit zunehmender Höhlenhöhe einen geringfügig abnehmenden Trend. Sie verringert sich nur um 0,8 %, wenn die Höhe von 3 auf 15 m zunimmt. Der Hauptgrund liegt darin, dass die zunehmende Höhlenhöhe kaum Einfluss auf die Festigkeit des Daches hat. Selbst wenn die Höhe der darunter liegenden Höhle zunimmt, bleibt die plastische Entwicklungszone nahezu unverändert.

Größere Spannweiten der Karsthöhlen führen bei gleicher Belastung zu stärkerer Pfahlsetzung. Die ultimativen vertikalen Tragkräfte der Pfähle nehmen mit zunehmender Höhlenspannweite erheblich ab. Sie verringert sich um 3,1 MN, wenn die Spannweite von 3 m × 3 m auf 9 m × 9 m vergrößert wird. Bei einer Vergrößerung der Spannweite von 9 m × 9 m auf 15 m × 15 m beträgt das Reduktionsverhältnis der maximalen vertikalen Auflagerkräfte bis zu 16,4 %. Die endgültige Tragfähigkeit von Pfählen nimmt schneller ab, wenn die Höhlenspannweite 9 m × 9 m überschreitet. Der Hauptgrund dafür ist, dass die zunehmende Spannweite zu einer Verringerung des Dicken-Spannungs-Verhältnisses der Höhle führt. Wenn die Spannweite der Höhle 9 m × 9 m überschreitet, wird das Dach zu einer dünnen Platte und ist anfälliger für Biegezugversagen.

Mit zunehmender Dachdicke nehmen die Setzungen der Pfähle bei gleicher Belastung ab. Die endgültigen vertikalen Tragfähigkeiten von Pfählen nehmen mit zunehmender Dachdicke deutlich zu. Mit zunehmender Dachdicke von 0,75 m auf 2,25 m steigt sie um 8,5 MN. Bei einer Dachdicke von 2,25 m auf 4,5 m sind es jedoch nur noch 3,2 MN. Bei Dicken über 3,0 m beträgt das Reduktionsverhältnis der Lagerkräfte weniger als 10 %. Dies liegt daran, dass die zunehmende Dachdicke die Festigkeit des Daches erhöht. Es gibt kleinere Pfahlablagerungen mit dickerem Dach.

Die Lastübertragungseigenschaften von Pfählen bei unterschiedlichen Höhlenhöhen sind in Abb. 10 zu sehen. Die Axialkraft hat in der Längsausrichtung des Pfahls im Abraum langsam abgenommen und nimmt schneller ab, wenn der Pfahl aus rundem Kies und mittelverwittertem Kalkstein bestand. Die Axialkraft des Pfahls auf eine Höhle nimmt stärker ab, als dass sich unter dem Pfahl keine Höhle befindet. Mit zunehmender Höhlenhöhe nimmt die Geschwindigkeit der Axialkraftabnahme leicht zu. Je höher die Karsthöhle ist, desto geringer ist die Axialkraft, die auf die Pfahlsohle übertragen wird. Die Seitenreibung der Pfähle nimmt im Allgemeinen zuerst ab und nimmt dann zu, wobei sie im mittelverwitterten Kalkstein ihren Spitzenwert erreicht. Verglichen mit Nichtkarst unter dem Pfahl ist die Seitenreibung der Pfahleinheit auf einer Höhle bei gleicher Tiefe größer. Die Reibung der Einheit wird mit zunehmender Höhlenhöhe stärker ausgeübt. Der Hauptgrund liegt darin, dass die zunehmende Höhlenhöhe nur geringe Auswirkungen auf das Dach der Haltekraft hat.

Die Lastübertragungseigenschaften von Pfählen bei unterschiedlichen Höhlenhöhen: (a) Axialkraft; (b) Seitenreibung der Einheit.

Die Lastübertragungseigenschaften von Pfählen bei unterschiedlichen Höhlenspannweiten sind in Abb. 11 dargestellt.

Die Lastübertragungseigenschaften von Pfählen bei verschiedenen Höhlenspannweiten: (a) Axialkraft; (b) Seitenreibung der Einheit.

Abbildung 11 zeigt die Lastübertragungsgesetze von Pfählen mit unterschiedlichen zugrunde liegenden Höhlenspannweiten. Die Axialkraft des Pfahls nimmt entlang des Pfahls ab. Je größer die Höhlenspannweite ist, desto geringer ist die Axialkraft, die auf die Pfahlsohle übertragen wird. Wenn die Höhlenspannweite 9 m × 9 m überschreitet, wird die Abnahme der Axialkraft offensichtlich beschleunigt. Die Einheitsreibung des Pfahls ist mit zunehmender Höhlenspannweite größer. Der Hauptgrund liegt darin, dass mit zunehmender Spannweite die Durchbiegung des darunter liegenden Daches größer wird und die Verschiebung zwischen Pfahl und Boden zunimmt. Die Seitenreibung des Pfahls ist stärker ausgeprägt. Wenn die Spannweite größer als 9 m × 9 m ist und die Last 16 MN beträgt, biegt sich die Höhlendecke deutlicher.

Die Lastübertragungseigenschaften von Pfählen mit unterschiedlicher Dachdicke sind in Abb. 12 dargestellt.

Die Lastübertragungseigenschaften von Pfählen mit unterschiedlicher Dachdicke: (a) Axialkraft; (b) Seitenreibung der Einheit.

In Abb. 12 sind die Trends der Axialkraft von Pfählen in Boden und Fels bei unterschiedlichen Dachdicken von Karsthöhlen ähnlich. Der Unterschied besteht darin, dass mit zunehmender Dachdicke offensichtlich die abrupten Übertragungen der Axialkräfte in Richtung Pfahlboden zunehmen. Je dicker das Dach ist, desto größer ist die Axialkraft bei gleicher Tiefe. Bei einer Dachdicke über 3,0 m wird die Axialkraft des Pfahls langsamer abgebaut. Mit zunehmender Pfahltiefe nimmt die Seitenreibung der Pfähle im Allgemeinen zuerst ab und nimmt dann zu, und sie erreicht den Spitzenwert im mittelverwitterten Kalkstein. Die Einheitsreibung des Pfahls ist mit abnehmender Dachdicke größer. Dies liegt daran, dass das Dach der Höhle mit abnehmender Dachdicke zu einer dünnen Platte wird.

Der Spitzenwiderstand der Pfähle unter der maximalen Vertikallast wurde durch Anpassung durch Interpolation ermittelt. Der Seitenwiderstand könnte durch Gl. (3). Die Verhältnisse wurden nach Gleichung berechnet. (4) und (5).

wobei Qsi der seitliche Widerstand und die seitliche Kraft auf den Pfahl ist; Qui ist die ultimative Lagerkraft; und Qti ist der Spitzenwiderstand; i ist die Konditionsnummer.

wobei \(\alpha_{i}\) das Verhältnis des Seitenwiderstands ist; und \(\beta_{i}\) ist das Verhältnis des Spitzenwiderstands.

Wie in Abb. 13a dargestellt, zeigt das Seitenwiderstandsverhältnis des Pfahls mit zunehmender Karsthöhlenhöhe einen geringfügig zunehmenden Trend und das Spitzenwiderstandsverhältnis des Pfahls zeigt einen geringfügig abnehmenden Trend. Mit zunehmender Höhlenhöhe von 0 auf 3 m erhöht sich das Seitenwiderstandsverhältnis um 10,0 %. Dann verringert sich das Kippwiderstandsverhältnis mit zunehmender Höhlenhöhe von 3 auf 6 m um 1,4 %, mit zunehmender Höhlenhöhe von 6 auf 15 m ändert es sich jedoch nur um 0,3 %. Da es sich bei der tragenden Schicht wahrscheinlich um einen Balken oder ein Brett mit der Höhle unter dem Pfahl handelt, wird die Tragfähigkeit der Schicht geschwächt. Die zunehmende Höhe der darunter liegenden Höhle hat kaum Einfluss auf die Tragfähigkeit des Daches.

Verhältnisse von Spitzenwiderstand und Seitenwiderstand der Pfähle: (a) unterschiedliche Höhlenhöhe; (b) unterschiedliche Höhlenspannweite; (c) unterschiedliche Dachdicke.

In Abb. 13b erhöht sich das Seitenwiderstandsverhältnis um 8,0 %, wenn die Höhlenspannweite von 3 m × 3 m auf 9 m × 9 m zunimmt. Mit zunehmender Höhlenspannweite von 9 m × 9 m auf 15 m × 15 m verringert sich das Kippwiderstandsverhältnis um 0,9 %. Wenn die Spannweite der Karsthöhle 9 m × 9 m überschreitet, müssen die beiden Proportionen stabil sein. Der Hauptgrund liegt darin, dass das Höhlendach als dünne Platte betrachtet werden kann, die mit zunehmender Höhlenspannweite leichter beschädigt wird. Aufgrund der größeren relativen Verschiebung zwischen Pfahl und Boden kommt die Reibung zwischen Pfahl und Boden voll zum Tragen. Der seitliche Reibungswiderstand trägt den größten Teil der Pfahloberlast.

Abbildung 13c zeigt, dass das Seitenwiderstandsverhältnis des Pfahls einen abnehmenden Trend zeigt und das Spitzenwiderstandsverhältnis des Pfahls einen zunehmenden Trend mit zunehmender Dachdicke zeigt. Wenn die Dachdicke 3,0 m überschreitet, liegen die Proportionen nahe an denen einer Pfahlgründung ohne Karst. Der Hauptgrund dafür ist, dass je dicker das Dach ist, desto größer ist die erforderliche Last für die Durchdringung der Kunststoffzonen. Das Dach wird vom Pfahl mit einer Dicke von 0,75 m und 1,5 m unter der vertikalen Grenzlast durchdrungen. Mit abnehmender Dachdicke wirkt die Seitenreibung stärker.

Die Versagenssituationen von Dächern unterschiedlicher Dicke unter der vertikalen Grenztragfähigkeit der Pfähle sind in Abb. 14 dargestellt. Die auf die Pfahlspitze übertragene Last führt zur Biege- und Zugversagenszone des Höhlendachs unter der vertikalen Grenzlast der Pfähle. Die Biege- und Zugversagenszone des Höhlendachs tritt hauptsächlich in der Mitte und am unteren Ende des Dachs auf. Mit zunehmender Dicke des Höhlendachs nimmt das Verhältnis des Pfahlspitzenwiderstands zu, aber die Biege- und Zugversagenszone des Höhlendachs nimmt ab. Der Hauptgrund liegt darin, dass sich die auf die Pfahlspitze übertragene Last auf den mittleren Teil der Höhlendecke konzentriert. Die Durchbiegung erfolgt in der Dachmitte. Da die Zugfestigkeit der Gesteinsschicht geringer ist als die Druck- und Scherfestigkeit, kann es leicht zu einem Zugversagen in der Mitte und am Boden der Höhlendecke kommen. Die maximale Tragfähigkeit des Daches nimmt mit zunehmender Dicke des Höhlendachs zu.

Das Versagen des Höhlendachs: (a) Dachdicke = 0,75 m; (b) Dachdicke = 1,5 m; (c) Dachdicke = 2,25 m; (d) Dachdicke = 3,0 m; (e) Dachdicke = 3,75 m; (f) Dachdicke = 4,5 m.

Abbildung 15 zeigt Last-Setzungs-Kurven von SZ5 und Simulationspfahl. Der Zusammenhang zwischen Belastung und Setzung der Pfahlgründung unter Einwirkung abgestufter Lasten im Feldversuch und in der Finite-Elemente-Simulation zeigt einen ähnlichen Trend. Die Qs-Kurve des Pfahls in der Finite-Elemente-Analyse stimmt nahezu mit der im statischen Belastungstest überein. Die Setzung der Pfahlgründung im Feldtest beträgt 31,8 mm und die der Pfahlgründung in der Finite-Elemente-Simulation beträgt 30,5 mm unter einer Last von 22 MN. Der Unterschied zwischen ihnen beträgt 4,1 %. Die Restsetzung der Pfahlgründung nach Entlastung im statischen Belastungsversuch beträgt 21,00 mm, die der Pfahlgründung nach Entlastung in der Finite-Elemente-Simulation beträgt 20,58 mm. Der Unterschied zwischen beiden beträgt 2,0 %. Die vertikale Tragfähigkeit von SZ5 beträgt 20,35 MN des Testpfahls bzw. 21,00 MN des Pfahls in der Finite-Elemente-Analyse. Der Unterschied zwischen den beiden Ergebnissen beträgt lediglich 3,2 %.

Vergleich von Last-Setzungs-Kurven.

Abbildung 16 zeigt die Axialkraft und die Seitenreibung der Einheit von SZ5 und Simulationspfahl. Die Qs-Kurve des Pfahls in der Finite-Elemente-Analyse stimmt nahezu mit der im statischen Belastungstest überein. Die Setzung der Pfahlgründung im Feldtest beträgt 31,8 mm und die der Pfahlgründung in der Finite-Elemente-Simulation beträgt 30,5 mm unter einer Last von 22 MN. Der Unterschied zwischen ihnen beträgt 4,1 %. Die Restsetzung der Pfahlgründung nach Entlastung im statischen Belastungsversuch beträgt 21,00 mm, die der Pfahlgründung nach Entlastung in der Finite-Elemente-Simulation beträgt 20,58 mm. Der Unterschied zwischen beiden beträgt 2,0 %. Die vertikale Tragfähigkeit von SZ5 beträgt 20,35 MN des Testpfahls bzw. 21,00 MN des Pfahls in der Finite-Elemente-Analyse. Der Unterschied zwischen den beiden Ergebnissen beträgt lediglich 3,2 %. Zeilen 279–280 des überarbeiteten Manuskripts. Wir haben die Analyse der Qs-Kurve der Testergebnisse mit Kraftmessdosen und die Überprüfung der berechneten Modelle des Pfahls über der Karsthöhle in den Zeilen 275–282 des überarbeiteten Manuskripts erläutert.

Lastübertragungsgesetz: (a) Vergleich der Axialkraft von Pfählen; (b) Vergleich der Seitenreibung der Pfähle.

Die Axialkraft von SZ5 nimmt von der Pfahlspitze bis zur Tiefe von 15 m um 3,475 MN ab, und das Reduktionsverhältnis beträgt 43,3 %. Die auf den Pfahlboden übertragene Last beträgt bei der Prüfung 0,60 MN. Die Axialkraft des Simulationspfahls nimmt von der Pfahlspitze bis zur Tiefe von 15 m um 3,117 MN ab, und das Reduktionsverhältnis beträgt 39,0 %. Die auf den Pfahlboden übertragene Last beträgt in der Finite-Elemente-Simulation 0,55 MN. Das Gesetz der Axialkraft des Simulationspfahls stimmt mit dem im Feldversuch überein. Der Wendepunkt der Axialkraft des Pfahls liegt an der Stelle, an der die Pfahlgründung in den Fels eintritt. Die seitliche Reibung des Pfahls ist im darüber liegenden Boden gering und wird größer, wenn der Pfahl in den Fels eindringt. Das Verteilungsgesetz der Einheitsseitenreibung des Pfahls ist beim SZ5 und beim simulierten Pfahl ähnlich. Bei einer Belastung von 8,12 MN machen die Seitenreibungen von SZ5 und Pfahl mit Finite-Elemente-Analyse 92,5 % bzw. 93,6 % aus. Der Hauptgrund liegt darin, dass die relative Verschiebung zwischen Pfahl und Boden mit zunehmender Pfahltiefe abnimmt. Die im Entwurf berücksichtigten Parameter sind konservativ. Bei einer Belastung von 8,12 MN (Grenzlast von SZ5 in der Auslegung) weist SZ5 typische Eigenschaften eines Reibungspfahls auf. Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse stimmen gut mit den Ergebnissen des statischen Belastungstests überein.

In dieser Studie wurden die Auswirkungen der Höhe, Spannweite und Dachdicke der darunter liegenden Höhle auf die Trageigenschaften von Pfählen durch Belastungstests und Finite-Elemente-Modellierung untersucht. Die Schlussfolgerungen dieser Studie lauten wie folgt:

Die Setzung des SZ5 im statischen Belastungstest nimmt unter der Belastung von 22 MN sprunghaft zu. Es weist darauf hin, dass das Höhlendach zerstört ist. Für die Pfahlgründung der Brücke ist die Einhaltung der zulässigen Dachdicke von entscheidender Bedeutung. Die darunter liegende Höhle führt zu einer Verringerung der Tragfähigkeit der Brückenpfahlgründung. Um die Sicherheit des Brückenfundaments zu gewährleisten, ist es von großer Bedeutung, bei der Planung die Größe der Höhle und die Stärke des Höhlendachs zu berücksichtigen.

Die zunehmende Höhlenhöhe hat kaum Auswirkungen auf die Pfahlgründung der Brücke. Die vertikalen Trageigenschaften der Pfähle werden stark durch die zunehmende Höhlenspannweite und Dachdicke beeinflusst. Wenn die Spannweite mehr als 9 m × 9 m beträgt oder das Dach dünner als 3,0 m ist, muss die Verringerung der Tragfähigkeit der Brückenpfahlgründung vorsichtig berücksichtigt werden.

Die Axialkraft des Pfahls nimmt mit zunehmender Höhlenspannweite und abnehmender Dachdicke schneller ab. Dies liegt daran, dass durch die Reibung mehr Kräfte auf die umliegenden Böden übertragen werden. Zu diesem Zeitpunkt ist die Festigkeit des Höhlendachs sehr wichtig, um die Stabilität der Pfahlgründung sicherzustellen.

Das Verhältnis des Spitzenwiderstands des Pfahls in einer Höhle nimmt zunächst ab und bleibt dann mit zunehmender Spannweite nahezu konstant. Das Seitenwiderstandsverhältnis bleibt konstant, wenn die Spannweite 9 m × 9 m überschreitet. Das Kippwiderstandsverhältnis des Pfahls auf einer Höhle nimmt mit zunehmender Dachdicke allmählich zu.

Die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendeten Daten sind im Artikel enthalten.

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Mein Wu

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Guimei Zhou

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Korrespondenz mit Huiyun Chen oder Zhongju Feng.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 16. August 2022

Angenommen: 13. März 2023

Veröffentlicht: 27. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31458-2

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