カルスト洞窟における杭の鉛直耐力性能に関する研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4944 (2023) この記事を引用

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空洞は橋杭基礎の荷重伝達機構に影響を与え、橋の安全性が脅かされました。本研究は橋杭基礎の鉛直耐力特性に及ぼす橋杭基礎下のカルスト洞窟の影響を静荷重試験，有限要素解析および力学的モデルにより調査することを目的とした。試験では杭の沈下は変位計により、軸力は応力計により測定されました。荷重沈下量、軸力、単位表皮摩擦、側面抵抗と先端抵抗の比をシミュレーション結果と比較しました。次に、有限要素解析で 16 の条件が選択され、そのうちの 1 つは洞窟上にない従来の杭でした。他は洞窟の高さ5種類、スパン5種類、屋根の厚さ6種類程度でした。許容屋根厚を計算するために、単純に支持および固定された幅広梁が確立されました。その結果、洞窟スパンが 9 m × 9 m を超える場合、または屋根の厚さが 2 D (杭の直径) 未満の場合、杭の応力と変形が大きな影響を受けることがわかりました。

カルストは複雑な地層であり、橋の構造に必要な安定した支持体にとって、カルストにおける橋杭基礎の性能は非常に重要です。カルスト洞窟のある地形に橋杭基礎を設置する場合、杭を横切る洞窟、杭の側面の洞窟、杭の下の洞窟という 3 つの問題シナリオが発生する可能性があります。杭の支持特性は、その下にある洞窟のサイズと屋根の違いによって大きく異なります1。杭の下の空洞は杭底部の支持層の欠如を引き起こし、杭に脅威をもたらします2、3、4、5。

カルスト地域における橋杭基礎の耐力性能は、学者の多くの注目を集めています。 Feng、Chen、He は、高精度のグレーモデル 6、7、8、9 に基づいて、カルスト洞窟に建設された杭の支持強度と安定性を予測することに成功しました。 Wong と Dong は、静荷重試験と理論的演繹を使用して、荷重沈下則とカルスト地域の支持力と安全な厚さの計算方法を実装しました10,11。 Chen と Hu は、部分的にねじ込まれた杭の垂直破壊モードを研究し、試験とシミュレーションによってその支持力を計算しました12、13。洞窟の屋根の厚さとサイズが支持力と各要因の感度に及ぼす影響は、Zhang によって発見されました 14,15。 Liu と Fattah は、カルスト洞窟のサイズ、屋根の厚さ、形状を変化させて杭の垂直性能を調査し、杭の安定性を分析しました 16,17。

ほとんどの学者は、カルスト洞窟の屋根の破壊モードと安定性を研究しました。 Zhao と Xiao は、異なる非排水条件下での 1 つの空隙と複数の空隙の安定性を提案し、空隙に対する傾斜荷重の影響について議論しました 18,19。 Jiang、Zhao、Zhang、Wang、Bai は、洞窟の屋根の安全な厚さの理論計算式を得るために単純にサポートされる機械モデルを確立し、屋根がパンチング、せん断、曲げ、引張を受けたときの屋根の破壊モードを研究しました。失敗20、21、22、23、24。 Wilson、Tschuchnigg、Rodrigo によれば、構造の安定性は工学における限界平衡解析によって決定できます 25、26、27。 Lee は、さまざまな非排水条件下での空隙の安定性を提案し、空隙に対する傾斜荷重の影響について議論しました 28,29。上記の研究のほとんどは有限要素解析と機械モデルによって研究されています。静荷重試験は、杭の性能を研究するための最も信頼性の高い方法の 1 つです30、31、32、33、34。

本研究では，基礎カルスト洞窟の高さ，スパン，屋根厚が橋杭基礎の鉛直耐力特性に及ぼす影響を静荷重試験と有限要素解析により調査した。垂直支持力は異なる洞窟の下で得られた。一方,軸力,ユニットシャフト抵抗,2つの抵抗の比などの異なるシナリオの下で,荷重伝達特性を研究した。

現場試験の設計はプロトタイプ杭に完全に依存するため、現場試験のデータが最も信頼性が高く、代表的なものとなります。基礎空洞の影響による杭基礎の支持特性を正確に反映し、有限要素シミュレーションモデルの精度を検証するために、杭基礎の支持特性に関する現地静荷重試験を実施した。この原稿の静荷重テストでは、内部ベンチマークビームを革新的に使用しています35、36。これにより、上部荷重を試験杭により効率的に伝達できるようになります。この試験では変位計、ひずみゲージ、土圧セルの両方が使用されたため、試験によって得られた杭基礎の力学および変形データは比較的包括的でした。静荷重試験は主に平頂山の全長 470 m の高架橋に依存しました。橋の上部工は場所打ち連続箱桁、下部は柱橋脚、基礎はボーリング杭とした。橋は標高約 89.30 メートルの平地にあった。橋梁跡の上層は第四紀、下層はカンブリア紀のドロマイト石灰岩でした。地質条件の特徴を表 1 に示します。橋はカルスト地域に架かっており、多くの隠れたカルスト洞窟がありました。洞窟は主に桟橋 1# ～ 16# に分布していました。地質探査データと現場建設に基づいて、橋脚 3# が試験杭として選択されました。桟橋 3# の位置におけるカルストの特徴を表 2 に示します。

第四紀土壌はすべての岩層を覆い、桟橋 3# の SZ5 の位置には隠蔽カルストが発達しました。地質条件はボーリングサンプリング法により求めた。図 1 のように、走行距離計テストで圧縮弾性率をテストできます。乾燥試験により含水率を求めることができます。直接せん断試験ではせん断パラメータを受け取ることができます。圧縮試験では岩石のパラメータを調べることができます。土壌および岩石のパラメータを表 3 および表 4 に示します。SZ5 の支持層は、厚さ 1.5 m の中程度に風化した石灰岩でした。ここで、Es はヤング率です。 t は厚さです。 μ はポアソン比です。 c は凝集力です。 φ は内部摩擦角です。 γ は単位重量です。 frk は岩石の一軸極限圧縮強度です。 Rt は岩石の極限引張強さです。

物理的特性テスト: (a) 走行距離計テスト。 (b) 含水率試験。 (c) 直接せん断試験。 (d) 異なる比率の試験片。 (e) 圧縮試験。

SZ5は長さ19.5m、直径1.5mの模型橋杭基礎です。設計上の終局荷重8120kNの場所打ち杭です。 SZ5 は高さ 3.2 m、スパン 6.0 m × 3.0 m のカルスト洞窟の上に建てられており、杭の底から洞窟の頂上までは 1.5 m です。空洞の高さは杭の軸方向に測定されます。空洞のスパンは杭の軸方向に垂直な 2 方向で測定されます。屋根は杭底から洞窟までの岩です。 SZ5 のパラメータを表 5 に示します。表 5 において、l は SZ5 の長さです。 DはSZ5の図です。 Qu は設計上の SZ5 の最終負荷です。 hr は杭の岩穴の深さです。 Hc は洞窟の屋根の厚さです。 H は洞窟の高さです。 B は洞窟の横の長さです。 L は洞窟の縦方向の長さです。

積載油圧システムは、圧力安定装置を備えた 4 つのジャッキ (図 2a6) で構成されます。油圧計はジャッキと並列に設置され、油圧を測定し、荷重量を制御しました。横桁（図 2a10）は、煙突プラットフォームに取り付けられた鉄筋鋼で作られました。コンクリートブロックは横桁プラットフォーム上のバラストとして使用されました（図2a11）。図 2b に示すように、ベースビームは鋼製で、内部および外部の参照ビームが含まれています。テストで設定された外部参照ビームは、荷重下でも沈下しません。内部参照ビームが荷重を受けて下に移動した場合でも、テスト結果の精度を保証できます。図2にスタックプラットフォームの反応装置を示します。ここで、l は SZ5 の長さです。 DはSZ5の直径です。 Qu は設計上の SZ5 の究極の垂直支持力です。 Mu は SZ5 の設計上の曲げモーメントです。 hr は SZ5 の埋め込まれた岩石の深さです。 h は屋根の厚さです。 hc はカルスト洞窟の高さです。 B は洞窟の縦スパンです。 L は洞窟の水平スパンです。

試験装置: (a) 杭試験プラットフォームおよび反応装置。 (b) ベースビームのレイアウト。

変位計は図1、2に示すようにSZ5に4台、アウタービームに4台設置しました。変位計は対称かつ均等に配置されました。図3に示すように、SZ5の底部近くの上面と側面にひずみゲージを配置します。

変位計とひずみゲージの配置。

データの精度を高めるために、SZ5 の 2 つの対称的な主筋に沿って応力計を配置しました。応力計は図 4 に示すように鋼棒に溶接されました。補強の力はデータコレクターから要求される可能性があります。応力計を3m間隔で対称に2台設置しました。 SZ5の先端中央に土圧セルを設置しました。

応力計と土圧セルを配置。

試験は低速維持負荷法により実施した。垂直荷重は 11 段階あります。各レベルは 2MN ずつ増加しました。 SZ5 の沈下は、最初の 1 時間の 5 分、15 分、30 分、45 分、60 分に記録され、その後は 30 分ごとに記録されました。沈下量が 1 時間以内に 2 回以上 0.1 mm 未満であれば、安定していると判断できます。次に、レベルごとに 2MN で負荷が除去されました。各レベルの荷重を除去した後、15 分、30 分、60 分で残留沈下が必要でした。荷重がゼロに減少した後、残留沈下は最初の 30 分は 15 分ごとに読み取られ、その後は 30 分ごとに 1 回読み取られ、合計 3 時間かかりました。

杭は理想的な弾性構成関係を採用したソリッドモデルとしてコンクリート製とした。弾塑性構成モデルとモール・クーロン降伏基準が岩石と土壌に対して選択されました。 ABAQUS によって土と岩は 2D グリッドとして確立され、接触面を連続的に保つために 3D エンティティ単位に拡張されました。次に、各エンティティに対応するマテリアル属性が追加されました (図 5、表 1、2、3)。杭の単位延長は連続的であった。ホールドアップロックの洞窟の位置にある 2D 要素は、洞窟を作成するときに非表示になり、洞窟にはマテリアル属性がありませんでした。計算を簡略化するために、洞窟は四角柱に単純化されました。杭と土の界面にはマスター・スレーブ接触アルゴリズムが使用されました。

杭と土の分布のモデル: (a) 有限要素解析における土の分布と杭の位置。 (b) モデル。

操作されるパラメータには、杭と相互作用するカルスト洞窟の高さ、スパン、屋根の厚さが含まれます。カルスト洞窟のない杭を使用した処理 (対照)、5 つの異なる高さ (3、6、9、12、15 m)、5 つの異なるスパン (3 × 3、6 × 6、9 × 9、12) を含む合計 17 の処理があります。 × 12、15 × 15 m × m）、および 6 つの異なる厚さの洞窟（0.75 m、1.5 m、2.25 m、3.0 m、3.75 m、4.5 m）。杭は長さ 20 メートル、ダイアグラム 1.5 メートルです。高さ2.0mの岩に埋め込まれています。洞窟のスパンを操作すると、洞窟の高さは 3 m、屋根の厚さは 2.25 m になります。高さを変えると、洞窟のスパンは6m×6m、屋根の厚さは2.25mとなる。空洞の高さは杭の軸方向に測定されます。空洞のスパンは杭の軸方向に垂直な 2 方向で測定されます。

規格に基づく荷重沈下曲線から杭の極限鉛直支持力を求める方法は2種類あります。一つは急変決済に対応する力です。もう 1 つの方法は、杭径の 3% の値と 40 mm の値を計算し、小さい方を選択して破壊沈下とみなす方法です37。この沈下を生じさせるのに必要な荷重が、沈下時の杭の耐力となります。変異しない。沈下量が隣接する沈下量の2倍を超える場合は、杭基礎が損傷しています。隣接荷重は杭の究極の支持力です。

静荷重試験のQs曲線を図6に示します。

試験杭の荷重沈下曲線。

図６に示すように、試験における最終荷重は２２ＭＮであり、これに対応するＳＺ５の沈下量は３１．８ｍｍである。除荷後の残留沈下量は21.0mmです。 SZ5 の垂直極限支持力は 20.35 MN です。その主な理由は、SZ5 の沈下は小さな荷重による杭の弾性変形が主であるためです。荷重が増加すると、より多くの荷重が杭の底部に伝達されます。

SZ5の軸力と単位杭側面摩擦は式(1)で求められます。 (1) と式 (1) (2) 8,38。

ここで、Qi は杭の軸力です。 FG、EH、AHはそれぞれ主筋の軸圧、弾性率、断面積です（EHは2.8×104MPa、主筋径は28mm）。 EG と AG はそれぞれコンクリートの弾性率と断面積です（EG は 2.0 × 105 MPa）。 n は強化番号 (n は 28) です。 Ti はユニット側面摩擦 (i は応力計の番号、杭頭から先端まで 1 ～ 6)、杭要素のユニット側面領域にかかる力です。 U はパイルの円周です。 li は隣接する応力計間の距離です (図 4)。

SZ5の静荷重試験における軸力とユニット側摩擦力を図7に示します。

試験杭の荷重伝達則：（a）杭の軸力。 (b) 杭のユニット側摩擦。

図 7 では、杭の軸力は杭に沿って徐々に減少します。軸力の減衰率は岩層の範囲で著しく増加します。荷重8.12MNの場合、SZ5の側面摩擦は92.5%を占めます。その主な理由は、杭の深さが深くなると杭と土との相対変位が減少するためです。設計で使用されるパラメータは控えめなものです。荷重8.12MN（SZ5の設計上の極限荷重）の場合、SZ5はフリクションパイルの典型的な特性を示します。

3 つの要因による荷重 - 沈下曲線、および 3 つの要因による極限支持力と減速比を図に示します。それぞれ8と9。

荷重 - 沈下曲線は 3 つの要因に基づいて変化します。(a) 異なる洞窟の高さ。 (b) 異なる洞窟のスパン。 (c) 異なる洞窟の屋根の厚さ。

3 つの要因による究極の支持力と減速比: (a) 異なる洞窟の高さ。 (b) 異なる洞窟のスパン。 (c) 異なる洞窟の屋根の厚さ。

図8に示すように、荷重-沈下曲線は、屋根厚が1.5m未満の場合を除き、洞窟の高さやスパンの変化に伴う急激な変化点を示していない。図 9 では、下に空洞があると、同じ荷重下で空洞のない杭に比べて杭頂部の沈下が大きくなり、極限鉛直支持力が大幅に低下します。究極の支持力は、洞窟の高さが増加するにつれてわずかに減少する傾向を示します。高さが 3 メートルから 15 メートルに増加しても、わずか 0.8% しか減少しません。主な理由は、洞窟の高さの増加が屋根の強度にほとんど影響を与えないことです。たとえ下層の洞窟の高さが増加したとしても、可塑性開発ゾーンはほとんど変化しません。

同一の荷重下では、カルスト洞窟のスパンが大きいほど、杭の沈下が大きくなります。杭の究極の垂直支持力は、洞窟のスパンが増加するにつれて大幅に減少します。スパンが 3 m × 3 m から 9 m × 9 m に増加すると、3.1 MN 減少します。スパンが 9 m × 9 m から 15 m × 15 m に増加すると、極限垂直耐力の低減率は最大 16.4% に達します。洞窟のスパンが 9 m × 9 m を超えると、杭の極限支持力はより早く低下します。主な理由は、スパンの増加により洞窟の厚さとスパンの比が減少するためです。洞窟のスパンが9m×9mを超えると屋根が薄板になり、曲げ引張破壊が起こりやすくなります。

屋根の厚さが増加すると、同じ荷重下で杭の沈下量が減少します。杭の究極の垂直支持力は、屋根の厚さが増すにつれて大幅に増加します。屋根の厚さが 0.75 m から 2.25 m に増加すると、8.5 MN が増加します。しかし、屋根の厚さが 2.25 m から 4.5 m に増加しても、それはわずか 3.2 MN です。厚さが3.0μmを超えると支持力の減少率は10％未満になります。屋根の厚みが増すことで屋根の強度が増すためです。杭の沈下が小さく、屋根が厚い。

異なる洞窟高さでの杭の荷重伝達特性を図 10 に示します。軸力は表土では杭の長さ方向にゆっくりと減少し、杭が丸い砂利や中程度の風化した石灰岩の場合にはより速く減少します。空洞上の杭の軸力は、杭の下に空洞がない場合よりも減少します。洞窟の高さが増加すると、軸力の減少速度がわずかに増加します。カルスト洞窟の高さが高くなるほど、杭底に伝わる軸力は小さくなります。杭のユニット側摩擦は一般に最初に減少し、その後増加し、中風化石灰岩ではピーク値に達します。杭の下の非カルストと比較して、洞窟上の杭のユニット側の摩擦は、同じ深さでは大きくなります。ユニットの摩擦は、洞窟の高さが増加するにつれてより完全に発揮されます。主な理由は、洞窟の高さが増加しても保持力の屋根にほとんど影響を与えないことです。

異なる洞窟高さの下での杭の荷重伝達特性：（a）軸力。 (b) ユニット側の摩擦。

異なる洞窟スパンにおける杭の荷重伝達特性を図11に示します。

異なる洞窟スパンの下での杭の荷重伝達特性：（a）軸力。 (b) ユニット側の摩擦。

図 11 は、基礎となる洞窟スパンが異なる杭の荷重伝達則を示しています。杭の軸力は杭に沿って減少します。空洞スパンが大きいほど、杭底部に伝達される軸力は小さくなります。洞窟径間が 9m×9m を超えると軸力の低下が顕著に加速する。杭の単位摩擦は、洞窟スパンが増加するにつれて大きくなります。主な理由は、スパンの増加により、基礎となる屋根のたわみが大きくなり、杭と土の間の変位が増加するためです。パイルのユニット側摩擦がより完全に発達します。スパンが 9 m × 9 m より大きく、荷重が 16 MN になると、洞窟の屋根の曲がりがより顕著になります。

屋根厚の異なる杭の荷重伝達特性を図12に示します。

屋根の厚さが異なる杭の荷重伝達特性: (a) 軸力。 (b) ユニット側の摩擦。

図12では、土壌と岩石中の杭の軸力の傾向は、カルスト洞窟の屋根の厚さが異なっても同様です。違いは、屋根の厚さが増加すると、杭底部に向かう軸力の急激な伝達が明らかに増加することです。屋根が厚いほど、同じ深さでの軸力は大きくなります。屋根厚が3.0mを超えると杭の軸力の減少が遅くなります。杭の深さが増加すると、杭のユニット側摩擦は一般に最初に減少し、その後増加し、中風化石灰岩ではピーク値に達します。杭の単位摩擦は、屋根の厚さが減少するにつれて大きくなります。これは、洞窟の屋根が薄板になるためです。

極限垂直荷重下における杭の先端抵抗は補間によるフィッティングにより求めた。側面抵抗は式(1)で求めることができます。 (3)。比率は式で計算されました。 (4)と(5)。

ここで、Qsi は側面抵抗であり、杭にかかる横方向の力です。 Qui は究極の支持力です。 Qti は先端の抵抗です。 i は条件番号です。

ここで、\(\alpha_{i}\) は側面抵抗の比です。 \(\beta_{i}\) は先端抵抗の比です。

図13aに示すように、カルスト洞窟の高さが増加すると、杭の側面抵抗比はわずかに増加する傾向を示し、杭の先端抵抗比はわずかに減少する傾向を示します。側面抵抗比は、洞窟の高さが 0 m から 3 m に増加するにつれて 10.0% 増加します。次に、洞窟の高さが 3 メートルから 6 メートルに増加すると先端抵抗比は 1.4% 減少しますが、洞窟の高さが 6 メートルから 15 メートルに増加しても 0.3% しか変化しません。支持地層は梁や板であり、杭の下に空洞があるため、地層の支持力が弱まっていると考えられます。基礎となる洞窟の高さが増加しても、屋根の支持力にはほとんど影響しません。

杭の先端抵抗と側面抵抗の比: (a) 異なる洞窟の高さ。 (b) 異なる洞窟スパン。 (c) 異なる屋根の厚さ。

図 13b では、洞窟のスパンが 3 m × 3 m から 9 m × 9 m に増加するにつれて、側面抵抗比が 8.0% 増加しています。洞窟のスパンが 9 m × 9 m から 15 m × 15 m に増加するにつれて、先端抵抗比は 0.9% 減少します。カルスト洞窟のスパンが 9 m × 9 m を超えると、2 つの比率は安定します。その主な理由は、洞窟の屋根が薄い板とみなせるため、洞窟のスパンが長くなると損傷しやすくなるからです。杭と土の相対変位が大きくなるため、杭と土との摩擦力が十分に発揮されます。側面の摩擦抵抗はパイルトップの荷重の大部分を占めます。

図 13c は、屋根の厚さが増加するにつれて、杭の側面抵抗比が減少傾向を示し、杭の先端抵抗比が増加傾向を示していることを示しています。屋根厚が 3.0m を超えるとノンカルスト杭基礎に近い比率となります。主な理由は、屋根が厚くなるほど、プラスチックゾーンの貫通に必要な荷重が大きくなるためです。屋根には厚さ0.75mと1.5mの杭が垂直終局荷重で貫通します。屋根の厚みが薄くなるにつれて、側面摩擦がより十分に発揮されます。

杭の垂直極限支持力下での屋根厚の異なる屋根の破壊状況を図14に示します。杭先端に伝達された荷重は、杭の垂直極限荷重下での洞窟屋根の曲げおよび引張破壊ゾーンにつながります。洞窟屋根の曲げおよび引張破壊ゾーンは主に屋根の中央と底部に現れます。洞窟屋根の厚さが増加すると、杭先端抵抗の比率は増加しますが、洞窟屋根の曲げおよび引張破壊ゾーンは減少します。その主な原因は、杭先端に伝わる荷重が洞窟屋根の中央部に集中するためです。屋根の真ん中に曲がりが発生します。岩層の引張強度は圧縮強度やせん断強度に比べて小さいため、洞窟屋根の中腹や底部では引張破壊が発生しやすくなります。屋根の究極の支持力は、洞窟屋根の厚さが増加するにつれて増加します。

洞窟の屋根の破損: (a) 屋根の厚さ = 0.75 m。 (b) 屋根の厚さ = 1.5 m。 (c) 屋根の厚さ = 2.25 m。 (d) 屋根の厚さ = 3.0 m。 (e) 屋根の厚さ = 3.75 m。 (f) 屋根の厚さ = 4.5 m。

図 15 に SZ5 とシミュレーション杭の荷重沈下曲線を示す。現場試験および有限要素シミュレーションにおける段階荷重作用下の杭基礎の荷重と沈下との関係は、いずれも同様の傾向を示しています。有限要素解析における杭のQs曲線は、静荷重試験における杭のQs曲線とほぼ一致しています。現地試験での杭基礎の沈下量は 31.8 mm、有限要素法シミュレーションでの杭基礎の沈下量は 22MN 荷重で 30.5 mm でした。両者の差は4.1%です。静荷重試験における除荷後の杭基礎の残留沈下量は 21.00 mm、有限要素法シミュレーションにおける除荷後の杭基礎の残留沈下量は 20.58 mm です。両者の差は2.0%です。 SZ5 の垂直極限支持力は、有限要素解析において、それぞれ試験杭で 20.35 MN、杭の 21.00 MN でした。 2 つの結果の差はわずか 3.2% です。

荷重-沈下曲線の比較。

図16にSZ5とシミュレーション杭の軸力とユニット側摩擦を示す。有限要素解析における杭のQs曲線は、静荷重試験における杭のQs曲線とほぼ一致しています。現地試験での杭基礎の沈下量は 31.8 mm、有限要素法シミュレーションでの杭基礎の沈下量は 22MN 荷重で 30.5 mm でした。両者の差は4.1%です。静荷重試験における除荷後の杭基礎の残留沈下量は 21.00 mm、有限要素法シミュレーションにおける除荷後の杭基礎の残留沈下量は 20.58 mm です。両者の差は2.0%です。 SZ5 の垂直極限支持力は、有限要素解析において、それぞれ試験杭で 20.35 MN、杭の 21.00 MN でした。 2 つの結果の差はわずか 3.2% です。改訂原稿の 279 ～ 280 行目。改訂原稿の 275 ～ 282 行目で、ロードセルによる試験結果の Qs 曲線の解析とカルスト空洞上の杭の計算モデルの検証について説明しました。

荷重伝達則: (a) 杭の軸力の比較。 (b) 杭のユニット側摩擦の比較。

SZ5の軸力は杭頂部から深さ15mまでで3.475MN減少し、減少率は43.3％となります。試験では杭底部に伝わる荷重は0.60MNです。模擬杭の軸力は杭頂部から深さ15mまでで3.117MN減少し、その減少率は39.0％となった。杭底に伝達される荷重は、有限要素シミュレーションでは 0.55MN です。シミュレーション杭の軸力の法則は現場試験のものと一致しています。杭の軸力の変曲点は、いずれも杭基礎が岩盤に進入する位置にあります。杭のユニット側摩擦は、その上にある土壌では小さく、杭が岩に沈むと大きくなります。杭のユニット側面摩擦の分布則は、SZ5 と模擬杭の間で類似しています。荷重8.12MNのとき、SZ5と有限要素解析杭の側面摩擦はそれぞれ92.5%と93.6%を占めます。その主な理由は、杭の深さが深くなると杭と土との相対変位が減少するためです。設計で使用されるパラメータは控えめなものです。荷重8.12MN（SZ5の設計上の極限荷重）の場合、SZ5はフリクションパイルの典型的な特性を示します。有限要素解析の結果は、静荷重試験の結果とよく一致しています。

この研究では、基礎となる洞窟の高さ、スパン、および屋根の厚さが杭の耐力特性に及ぼす影響を、荷重試験と有限要素モデリングによって調査しました。この研究の結論は次のとおりです。

SZ5の静荷重試験における沈下量は22MNの荷重で急激に増加します。洞窟の屋根が破壊されたことを示しています。許容屋根厚を確保することは、橋杭基礎にとって重要です。基礎となる空洞は橋杭基礎の支持力の低下につながります。橋梁基礎の安全性を確保するためには、洞窟の大きさや屋根の強度を考慮した設計を行うことが重要です。

洞窟の高さの増加は橋杭基礎にはほとんど影響しません。杭の垂直耐力特性は、洞窟のスパンと屋根の厚さの増加に大きく影響されます。スパンが9m×9mを超える場合や屋根厚が3.0mより薄い場合は、橋杭基礎の支持力の低下に注意が必要です。

杭の軸力は、洞窟のスパンが増加し、屋根の厚さが減少するにつれて、より速く減少します。それは、摩擦によって周囲の土壌により多くの力が伝わるからです。このとき、杭基礎の安定性を確保するためには、洞窟屋根の強度が非常に重要です。

洞窟上の杭の先端抵抗比は最初に減少し、その後スパンの増加とともにほぼ一定に保たれます。スパンが9m×9mを超えると側面抵抗比は一定になります。洞窟上の杭の先端抵抗比は、屋根の厚さが増加するにつれて徐々に増加します。

この研究結果を裏付けるために使用されたデータは、記事内に含まれています。

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チェン・フイユン

長安大学高速道路学院、西安、710064、中国

Huiyun Chen、Zhongju Feng、Lu Chen、Cong Zhang

山西省建築設計研究所有限会社、太原市、030000、中国

私の呉

福建省交通計画設計研究所有限公司、福州市、350000、中国

周貴美

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Chen、H.、Feng、Z.、Wu、M. 他。カルスト洞窟における杭の垂直耐力性能に関する研究。 Sci Rep 13、4944 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31458-2

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受信日: 2022 年 8 月 16 日

受理日: 2023 年 3 月 13 日

公開日: 2023 年 3 月 27 日

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