Estudio de las prestaciones portantes verticales de pilotes en cueva kárstica

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 4944 (2023) Citar este artículo

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Las cuevas afectaron el mecanismo de transferencia de carga de los cimientos de pilotes del puente, y luego la seguridad del puente se vio amenazada. Este estudio fue para investigar el efecto de la cueva kárstica debajo de los cimientos de pilotes de puentes en las características de soporte vertical de los cimientos de pilotes de puentes mediante pruebas de carga estática, análisis de elementos finitos y modelo mecánico. El asentamiento del pilote se midió con un medidor de desplazamiento y la fuerza axial se midió con medidores de esfuerzo en la prueba. La carga-asentamiento, la fuerza axial, la unidad de fricción superficial y las relaciones de las resistencias lateral y de punta se compararon con el resultado de la simulación. Luego se seleccionaron dieciséis condiciones en análisis de elementos finitos, una de ellas fue un pilote convencional no en cueva. Los otros tenían como cinco clases de altura, cinco clases de luz y seis clases de grosor del techo de la cueva. La viga ancha simplemente apoyada y fija se establecieron para calcular el espesor del techo permitido. Los resultados revelan que cuando la luz de la cueva es mayor a 9 m × 9 m o el espesor del techo es menor a 2 D (diámetro del pilote), la tensión y la deformación de los pilotes se ven significativamente afectadas.

Karst es un sustrato complejo, y con los soportes estables necesarios para las estructuras de los puentes, el rendimiento de los cimientos de pilotes de puente en karst es de vital importancia. Pueden ocurrir tres escenarios problemáticos cuando se instalan cimientos de pilotes de puentes en terrenos con cuevas kársticas: hundimiento sobre pilote, hundimiento al costado del pilote o hundimiento bajo pilote. Las características de carga de los pilotes son significativamente diferentes según el tamaño y el techo de la cueva1 subyacente. El hundimiento debajo del pilote provoca la falta de una capa de soporte en el fondo del pilote, lo que representa una amenaza para los pilotes2,3,4,5.

El rendimiento portante de los cimientos de pilotes de puentes en áreas kársticas ha atraído mucho la atención de los estudiosos. Feng, Chen y He predijeron con éxito la resistencia portante y la estabilidad de los pilotes que se construyeron en la cueva kárstica según el modelo gris de alta precisión6,7,8,9. Wong y Dong implementaron la ley de asentamiento de carga y el método de cálculo de la capacidad portante y el espesor seguro en áreas kársticas utilizando una prueba de carga estática y deducción teórica10,11. Chen y Hu estudiaron el modo de destrucción vertical de pilotes parcialmente atornillados y calcularon su capacidad portante mediante prueba y simulación12,13. Zhang14,15 encontró la influencia del grosor y el tamaño del techo de la cueva en la capacidad de carga y la sensibilidad de cada factor. Liu y Fattah investigaron el desempeño vertical de la pila con el cambio de tamaño, grosor del techo y forma de la cueva kárstica y analizaron la estabilidad de la pila16,17.

La mayoría de los eruditos estudiaron el modo de falla y la estabilidad del techo de la cueva kárstica. Zhao y Xiao propusieron las estabilidades de un vacío y múltiples vacíos bajo diferentes condiciones sin drenaje y discutieron la influencia de la carga inclinada en el vacío18,19. Jiang, Zhao, Zhang, Wang y Bai establecieron el modelo mecánico de soporte simple para obtener la fórmula de cálculo teórico del espesor seguro del techo de la cueva y estudiaron el modo de destrucción del techo, cuando el techo se somete a punzonado, corte, flexión y tracción. falla20,21,22,23,24. Según Wilson, Tschuchnigg y Rodrigo, la estabilidad de una estructura podría determinarse mediante análisis de equilibrio límite en ingeniería25,26,27. Lee propuso la estabilidad del vacío bajo diferentes condiciones sin drenaje y discutió la influencia de la carga inclinada sobre el vacío28,29. Casi todas las investigaciones anteriores se estudian mediante el análisis de elementos finitos y el modelo mecánico. El ensayo de carga estática es uno de los métodos más fiables para estudiar el comportamiento de los pilotes30,31,32,33,34.

En este estudio, los efectos de la altura, la luz y el espesor del techo de la cueva kárstica subyacente sobre las características de apoyo vertical de los cimientos de pilotes de puentes se investigaron mediante la prueba de carga estática y el análisis de elementos finitos. Las capacidades portantes verticales se obtuvieron bajo diferentes cuevas. Mientras tanto, las características de transferencia de carga se estudiaron bajo diferentes escenarios, incluida la fuerza axial, la resistencia del eje unitario y las relaciones de dos resistencias.

El diseño de la prueba de campo depende completamente de la pila prototipo, por lo que los datos de la prueba de campo son los más confiables y representativos. Con el fin de reflejar verdaderamente las características de soporte de la base de pilotes bajo la influencia de la cueva subyacente y verificar la precisión del modelo de simulación de elementos finitos, se llevó a cabo la prueba de carga estática de campo sobre las características de soporte de la base de pilotes. Las pruebas de carga estática en este manuscrito utilizaron de manera innovadora la viga de referencia interna35,36. Permite una transferencia más eficiente de las cargas superiores a los pilotes de prueba. En esta prueba se utilizaron tanto el medidor de desplazamiento como la galga extensiométrica y las celdas de presión de tierra, por lo que los datos de mecánica y deformación de la cimentación por pilotes obtenidos por la prueba fueron relativamente completos. La prueba de carga estática se basó principalmente en un puente elevado de 470 m de largo en Pingdingshan. La superestructura del puente adoptó una viga cajón continua moldeada en el lugar, la parte inferior adoptó un pilar de columna y la base fue una pila perforada. El puente estaba situado en un piso con una cota de terreno de unos 89,30 m. La capa superior del sitio del puente era cuaternaria y la capa inferior era caliza dolomítica cámbrica. Las características de las condiciones geológicas se muestran en la Tabla 1. El puente atravesaba el área kárstica y había muchas cuevas kársticas ocultas. Las cuevas se distribuyeron principalmente en los pilares 1#–16#. De acuerdo con los datos de prospección geológica y la construcción del sitio, se seleccionó el muelle 3# como pilote de prueba. Las características del karst en la ubicación del muelle 3# se muestran en la Tabla 2.

El suelo cuaternario cubrió todos los estratos rocosos y se desarrolló karst oculto en la ubicación de SZ5 del muelle 3#. Las condiciones geológicas se determinaron mediante el método de muestreo de perforación. Como en la Fig. 1, la prueba del edómetro podría probar el módulo de compresión. La prueba de secado podría obtener el contenido de humedad. La prueba de corte directo podría recibir los parámetros de corte. Las pruebas de compresión podrían probar los parámetros de la roca. Los parámetros de suelo y roca se muestran en las Tablas 3 y 4. La capa de soporte de SZ5 era caliza moderadamente meteorizada con un espesor de 1,5 m. Donde, Es es el módulo de Young; t es el espesor; μ es la relación de Poisson; c es la cohesión; φ es el ángulo de fricción interna; γ es el peso unitario; frk es la resistencia última a la compresión uniaxial de la roca; Rt es la resistencia última a la tracción de la roca.

Pruebas de propiedades físicas: (a) prueba del edómetro; (b) prueba de contenido de humedad; (c) prueba de corte directo; (d) especímenes con diferentes proporciones; (e) pruebas de compresión.

SZ5 es un modelo de cimentación de pilotes de puente con 19,5 m de longitud y 1,5 m de diámetro. Es un pilote colado en sitio con una carga última de diseño de 8120 kN. SZ5 está construido sobre una cueva kárstica con una altura de 3,2 m y una luz de 6,0 m × 3,0 m, y la parte inferior de la pila está a 1,5 m de la parte superior de la cueva. Las alturas de las cuevas se miden en la dirección axial del pilote. Los vanos de las cuevas se miden en dos direcciones perpendiculares a la dirección axial del pilote. El techo es la roca desde el fondo del pilote hasta la cueva. Los parámetros de SZ5 se muestran en la Tabla 5. En la Tabla 5, l es la longitud de SZ5; D es el diagrama de SZ5; Qu es la carga máxima de SZ5 en diseño; hr es la profundidad de roca del pilote; Hc es el espesor del techo de la cueva; H es la altura de la cueva; B es el tramo de transversal de la cueva; L es el tramo longitudinal de la cueva.

El sistema hidráulico de carga consta de 4 gatos (Fig. 2a6) con dispositivos estabilizadores de presión. El manómetro hidráulico estaba en paralelo con los gatos para determinar la presión del aceite y controlar la cantidad de carga. La viga transversal (Fig. 2a10) estaba hecha de barras de acero montadas en la plataforma de apilamiento. Los bloques de hormigón se utilizaron como lastre (Fig. 2a11) en la plataforma de vigas transversales. La viga base fue de acero, que incluye la viga de referencia interna y externa, como se muestra en la Fig. 2b. La viga de referencia externa establecida en el ensayo no tiene asentamiento bajo la carga. Podría garantizar la precisión de los resultados de la prueba si la viga de referencia interna se mueve hacia abajo bajo la carga. La figura 2 muestra el dispositivo de reacción de la plataforma de apilamiento. Donde l es la longitud de SZ5; D es el diámetro de SZ5; Qu es la máxima capacidad de carga vertical de SZ5 en el diseño; Mu es el momento de flexión de SZ5 en el diseño; hr es la profundidad de la roca incrustada de SZ5; h es el espesor del techo; hc es la altura de la cueva kárstica; B es el tramo longitudinal de la cueva; L es el tramo horizontal de la cueva.

Equipo de prueba: (a) plataforma de prueba de pilotes y dispositivo de reacción; (b) disposición de la viga base.

Se instalaron cuatro medidores de desplazamiento en SZ5 y cuatro en la viga exterior, como se muestra en las Figs. 2 y 3. Los medidores de desplazamiento se dispusieron de manera simétrica y uniforme. Galgas extensiométricas colocadas en la parte superior y lateral del SZ5 cerca de la parte inferior, como se muestra en la Fig. 3.

Diseño de medidor de desplazamiento y galgas extensométricas.

Se dispusieron medidores de tensión a lo largo de los dos refuerzos principales simétricos de SZ5 para la precisión de los datos. Los medidores de tensión se soldaron a la barra de acero como se muestra en la Fig. 4. La fuerza del refuerzo podría ser requerida por el colector de datos. Se instalaron dos medidores de tensión simétricamente a intervalos de 3 m. La celda de presión de tierra se colocó en el centro de la punta de SZ5.

Disposición de medidores de esfuerzo y celda de presión de tierra.

La prueba se llevó a cabo mediante el método de carga de mantenimiento lento. La carga vertical incluía 11 niveles. Cada nivel aumentó en 2 MN. El asentamiento de SZ5 se registró a los 5 min, 15 min, 30 min, 45 min y 60 min en la primera hora, y luego se registró una vez cada 30 min. Cuando el asentamiento era inferior a 0,1 mm al menos dos veces en una hora, se podía considerar estable. Luego se eliminó la carga a 2MN por nivel. Después de eliminar cada nivel de carga, se requirió el asentamiento residual a los 15 min, 30 min, 60 min. Después de que la carga se redujo a cero, se leyó el asentamiento residual cada 15 min en la primera media hora, y luego una vez cada 30 min, lo que llevó 3 h en total.

El pilote se hizo de hormigón como modelo macizo, el cual adopta la relación constitutiva elástica ideal. El modelo constitutivo elastoplástico y el criterio de rendimiento de Mohr-Coulomb fueron seleccionados para la roca y el suelo. ABAQUS estableció el suelo y la roca como una cuadrícula 2D y se extendió a la unidad de entidad 3D para mantener la superficie de contacto continua. Luego se agregó cada entidad con un atributo material correspondiente (Fig. 5, Tablas 1, 2, 3). La extensión unitaria del pilote fue continua. El elemento 2D en la ubicación de la cueva en la roca de atraco se ocultó al hacer la cueva y no había ningún atributo material en la cueva. La cueva se simplificó a un prisma cuadrilátero para simplificar el cálculo. El algoritmo de contacto maestro-esclavo se utilizó para la interfaz entre la pila y el suelo.

Modelo de pilotes y distribución del suelo: (a) distribución del suelo y posición del pilote en análisis de elementos finitos; (b) modelo.

Los parámetros que se manipulan incluyen la altura, la luz y el grosor del techo de las cuevas kársticas que interactúan con pilotes. Hay diecisiete tratamientos en total, incluyendo uno con pilotes sin cuevas kársticas (control), cinco alturas diferentes (3, 6, 9, 12, 15 m), cinco luces diferentes (3 × 3, 6 × 6, 9 × 9, 12 × 12, 15 × 15 m × m), y seis diferentes espesores de cuevas (0,75 m, 1,5 m, 2,25 m, 3,0 m, 3,75 m, 4,5 m). La pila tiene 20 m de largo y 1,5 m de diagrama. Está empotrado en roca 2,0 m. Cuando se manipula la luz de la cueva, la altura y el espesor del techo de la cueva son 3 m y 2,25 m, respectivamente. Cuando se cambia la altura, la luz y el espesor del techo de la cueva son 6 m × 6 m y 2,25 m, respectivamente. Las alturas de las cuevas se miden en la dirección axial del pilote. Los vanos de las cuevas se miden en dos direcciones perpendiculares a la dirección axial del pilote.

Hay dos métodos que requieren la fuerza portante vertical última de los pilotes a partir de la curva de asentamiento de acuerdo con la norma. Uno de los cuales es la fuerza correspondiente al asentamiento de cambio repentino. El otro método es calcular el valor del 3% del diámetro del pilote y el valor de 40 mm, luego elegir el más pequeño para considerarlo como el asentamiento de falla37 La carga necesaria para producir este asentamiento es la capacidad portante de los pilotes cuando el asentamiento no no mutar. Cuando el asentamiento es más de dos veces el asentamiento adyacente, la base de pilotes se ha dañado. La carga adyacente es la capacidad portante última del pilote.

Las curvas Qs en prueba de carga estática se pueden ver en la Fig. 6.

Curvas carga-asentamiento del pilote de prueba.

Como se muestra en la Fig. 6, la carga final en la prueba es de 22 MN y el asentamiento correspondiente de SZ5 es de 31,8 mm. El asentamiento residual después de la descarga es de 21,0 mm. La capacidad de carga última vertical de SZ5 es 20,35 MN. La razón principal es que el asentamiento de SZ5 es principalmente una deformación elástica del pilote con una carga pequeña. Con el aumento de la carga, se transfiere más carga al fondo de la pila.

La fuerza axial y la fricción lateral del pilote unitario de SZ5 se pueden obtener mediante la ecuación. (1) y la ecuación. (2) 8,38.

donde Qi es la fuerza axial del pilote; FG, EH y AH son la presión axial, el módulo elástico y el área de la sección transversal de un refuerzo principal, respectivamente (EH es 2,8 × 104 MPa y el diámetro de la barra principal es 28 mm). EG y AG son el módulo de elasticidad y el área de la sección transversal del hormigón, respectivamente (EG es 2,0 × 105 MPa); n es el número de refuerzo (n es 28). Ti es la fricción del lado de la unidad (i es el número de medidores de tensión, 1 a 6 desde la parte superior del pilote hasta la punta), es la fuerza en el área del lado de la unidad del elemento del pilote; U es la circunferencia de la pila; li es la distancia entre medidores de tensión adyacentes (Fig. 4).

La fuerza axial y la fricción lateral de la unidad de SZ5 en la prueba de carga estática se pueden ver en la Fig. 7.

Ley de transferencia de carga del pilote de prueba: (a) fuerza axial de los pilotes; (b) la fricción del lado unitario de los pilotes.

En la Fig. 7, las fuerzas axiales de los pilotes disminuyen gradualmente a lo largo del pilote. La tasa de atenuación de la fuerza axial aumenta significativamente en el rango de estratos rocosos. Cuando la carga es de 8,12 MN, la fricción lateral de SZ5 representa el 92,5 %. La razón principal es que el desplazamiento relativo entre el pilote y el suelo disminuye con el aumento de la profundidad del pilote. Los parámetros tomados en el diseño son conservadores. Cuando la carga es de 8,12 MN (carga máxima de SZ5 en diseño), SZ5 muestra características típicas de pilotes de fricción.

En las Figs. 8 y 9, respectivamente.

Las curvas de carga-asentamiento bajo tres factores: (a) diferente altura de la cueva; (b) lapso de cueva diferente; (c) diferente grosor del techo de la cueva.

La capacidad de carga máxima y la relación de reducción bajo tres factores: (a) diferentes alturas de la cueva; (b) lapso de cueva diferente; (c) diferente grosor del techo de la cueva.

Como se muestra en la Fig. 8, las curvas de carga-asentamiento no tienen un punto de cambio repentino con el cambio de altura y luz de la cueva, excepto el espesor del techo inferior a 1,5 m. En la Fig. 9, las cuevas subyacentes conducen a un mayor asentamiento en la parte superior del pilote en comparación con el pilote sin cueva bajo la misma carga y la capacidad portante vertical última disminuye mucho. Las fuerzas de apoyo máximas muestran una pequeña tendencia decreciente con el aumento de la altura de la cueva. Disminuye solo un 0,8% cuando la altura aumenta de 3 a 15 m. La razón principal es que el aumento de la altura de la cueva tiene poca influencia en la resistencia del techo. Incluso si aumenta la altura de la cueva subyacente, la zona de desarrollo plástico permanece casi sin cambios.

Bajo cargas idénticas, los tramos más grandes de las cuevas kársticas dan como resultado un mayor asentamiento de pilotes. Las fuerzas máximas de apoyo vertical de los pilotes se reducen significativamente con el aumento de la luz de la cueva. Disminuye 3,1 MN cuando la luz aumenta de 3 m × 3 m a 9 m × 9 m. La relación de reducción de las fuerzas de apoyo verticales últimas alcanza hasta el 16,4 % cuando la luz aumenta de 9 m × 9 m a 15 m × 15 m. La capacidad de carga última de los pilotes disminuye más rápido después de que la luz de la cueva supera los 9 m × 9 m. La razón principal es que el aumento de la luz conduce a la disminución de la relación espesor-luz de la cueva. El techo se convierte en una placa delgada cuando la luz de la cueva supera los 9 m × 9 m, y es más propenso a fallas por flexión y tracción.

A medida que aumenta el espesor del techo, los asentamientos de los pilotes disminuyen bajo cargas idénticas. Las capacidades portantes verticales últimas de los pilotes aumentan significativamente con el aumento del espesor del techo. Aumenta 8,5 MN al aumentar el espesor del techo de 0,75 m a 2,25 m. Pero son solo 3,2 MN, cuando el espesor del techo aumenta de 2,25 m a 4,5 m. La relación de reducción de las fuerzas de apoyo es inferior al 10%, cuando el espesor supera los 3,0 m. Esto se debe a que el aumento del grosor del techo mejora la resistencia del techo. Hay un asentamiento más pequeño de pilotes con techo más grueso.

Las características de transferencia de carga de pilotes bajo diferentes alturas de cueva se pueden ver en la Fig. 10. La fuerza axial ha disminuido lentamente en la orientación longitudinal del pilote en sobrecarga, y disminuye más rápido cuando el pilote estaba en grava redondeada y piedra caliza medianamente meteorizada. La fuerza axial del pilote sobre una cueva disminuye más que si no hubiera cueva debajo del pilote. Con el aumento de la altura de la cueva, la velocidad de disminución de la fuerza axial aumenta ligeramente. Cuanto más alta es la cueva kárstica, menor es la fuerza axial que se transfiere al fondo del pilote. La fricción del lado unitario del pilote generalmente disminuye primero y luego aumenta, y alcanza el valor máximo en la piedra caliza meteorizada media. En comparación con los no kársticos debajo del pilote, la fricción lateral unitaria del pilote sobre una cueva es mayor a la misma profundidad. La unidad de fricción se ejerce más plenamente con el aumento de la altura de la cueva. La razón principal es que el aumento de la altura de la cueva tiene poco efecto sobre el techo de la fuerza de sujeción.

Las características de transferencia de carga de pilotes bajo diferentes alturas de cueva: (a) fuerza axial; (b) fricción del lado unitario.

Las características de transferencia de carga de pilotes bajo diferentes luces de cueva se pueden ver en la Fig. 11.

Las características de transferencia de carga de pilotes bajo diferentes luces de cueva: (a) fuerza axial; (b) fricción del lado unitario.

La figura 11 muestra las leyes de transferencia de carga de pilotes con diferentes luces de cueva subyacentes. La fuerza axial del pilote disminuye a lo largo del pilote. Cuanto mayor es la luz de la cueva, menor es la fuerza axial que se transfiere al fondo del pilote. Cuando la luz de la cueva supera los 9 m × 9 m, la disminución de la fuerza axial obviamente se acelera. La fricción unitaria del pilote es mayor con el aumento de la luz de la cueva. La razón principal es que el aumento de la luz conduce a una mayor deflexión del techo subyacente, aumenta el desplazamiento entre la pila y el suelo. La fricción lateral unitaria del pilote está más desarrollada. Cuando la luz es mayor que 9 m × 9 m y la carga es de 16 MN, el techo de la cueva se dobla de manera más evidente.

Las características de transferencia de carga de pilotes con diferentes espesores de techo se pueden ver en la Fig. 12.

Las características de transferencia de carga de pilotes con diferentes espesores de techo: (a) fuerza axial; (b) fricción del lado unitario.

En la Fig. 12, las tendencias de la fuerza axial de pilotes en suelo y roca son similares con diferentes espesores de techo de cuevas kársticas. La diferencia es que con el aumento del espesor del techo, las transferencias abruptas de fuerza axial hacia el fondo del pilote obviamente aumentan. Cuanto más grueso es el techo, mayor es la fuerza axial a la misma profundidad. Cuando el espesor del techo excede los 3,0 m, la fuerza axial del pilote se reduce más lentamente. Con el aumento de la profundidad del pilote, la fricción del lado unitario del pilote generalmente disminuye primero y luego aumenta, y alcanza el valor máximo en la piedra caliza meteorizada media. La fricción unitaria del pilote es mayor con la disminución del espesor del techo. Es porque el techo de la cueva se convierte en una placa delgada con la disminución del espesor del techo.

La resistencia en punta de los pilotes bajo la carga vertical última se obtuvo ajustando por interpolación. La resistencia lateral podría obtenerse mediante la Ec. (3). Las relaciones se calcularon Eq. (4) y (5).

donde, Qsi es la resistencia lateral y es la fuerza lateral sobre el pilote; Qui es la última fuerza de sustentación; y Qti es la resistencia de punta; i es el número de condición.

donde \(\alpha_{i}\) es la relación de resistencia lateral; y \(\beta_{i}\) es la relación de resistencia de la punta.

Como se muestra en la Fig. 13a, con el aumento de la altura de la cueva kárstica, la relación de resistencia lateral del pilote muestra una pequeña tendencia creciente y la relación de resistencia de la punta del pilote muestra una pequeña tendencia decreciente. La relación de resistencia lateral aumenta un 10,0% con el aumento de la altura de la cueva de 0 a 3 m. Luego, la relación de resistencia de la punta se reduce un 1,4 % con el aumento de la altura de la cueva de 3 a 6 m, pero solo cambia un 0,3 % con el aumento de la altura de la cueva de 6 a 15 m. Debido a que el estrato portante es probablemente una viga o tabla con la cueva debajo del pilote, la capacidad portante del estrato se debilita. El aumento de la altura de la cueva subyacente tiene poca influencia en la capacidad de carga del techo.

Relaciones de resistencia de punta y resistencia lateral de pilotes: (a) altura de cueva diferente; (b) diferentes tramos de cueva; (c) diferentes espesores de techo.

En la Fig. 13b, la relación de resistencia lateral aumenta un 8,0 % con el aumento de la luz de la cueva de 3 m × 3 m a 9 m × 9 m. La relación de resistencia de la punta se reduce un 0,9 % con el aumento de la luz de la cueva de 9 m × 9 m a 15 m × 15 m. Cuando la extensión de la cueva kárstica supera los 9 m × 9 m, las dos proporciones deben ser estables. La razón principal es que el techo de la cueva puede considerarse como una placa delgada que se daña más fácilmente a medida que aumenta la extensión de la cueva. El rozamiento entre el pilote y el suelo se ejerce plenamente debido al mayor desplazamiento relativo entre pilote y suelo. La resistencia de fricción lateral comparte la mayor parte de la carga superior del pilote.

La figura 13c muestra que la relación de resistencia lateral del pilote muestra una tendencia decreciente y la relación de resistencia de la punta del pilote muestra una tendencia creciente con el aumento del espesor del techo. Cuando el grosor del techo supera los 3,0 m, las proporciones son cercanas a las de los cimientos de pilotes no kársticos. La razón principal es que cuanto más grueso es el techo, mayor es la carga requerida para la penetración de la zona plástica. El techo es penetrado por el pilote con un espesor de 0,75 m y 1,5 m bajo la carga última vertical. La fricción lateral se ejerce más plenamente con la disminución del espesor del techo.

Las situaciones de falla del techo con diferentes espesores bajo la capacidad portante última vertical de los pilotes se muestran en la Fig. 14. La carga transferida a la punta del pilote conduce a la zona de falla por flexión y tracción del techo de la cueva bajo la carga última vertical de los pilotes. La zona de falla por flexión y tracción del techo de la cueva aparece principalmente en el centro y la parte inferior del techo. A medida que aumenta el grosor del techo de la cueva, aumenta la relación de resistencia de la punta del pilote, pero disminuye la zona de falla por flexión y tracción del techo de la cueva. La razón principal es que la carga transferida a la punta del pilote se concentra en la parte media del techo de la cueva. La flexión se produce en el medio del techo. Debido a que la resistencia a la tracción del estrato rocoso es menor que la resistencia a la compresión y al corte, es fácil que ocurra una falla por tracción en el medio y en el fondo del techo de la cueva. La capacidad de carga última del techo aumenta con el aumento del espesor del techo de la cueva.

La falla del techo de la cueva: (a) espesor del techo = 0,75 m; (b) espesor del techo = 1,5 m; (c) espesor del techo = 2,25 m; (d) espesor del techo = 3,0 m; (e) espesor del techo = 3,75 m; (f) espesor del techo = 4,5 m.

La Figura 15 muestra las curvas de carga-asentamiento de SZ5 y el pilote de simulación. La relación entre la carga y el asentamiento de la cimentación por pilotes bajo la acción de cargas graduadas en el ensayo de campo y la simulación por elementos finitos muestran una tendencia similar. La curva Qs del pilote en el análisis de elementos finitos es casi coincidente con la del ensayo de carga estática. El asentamiento de la base de pilotes en la prueba de campo es de 31,8 mm, y el de la base de pilotes en la simulación de elementos finitos es de 30,5 mm bajo una carga de 22MN. La diferencia entre ellos es del 4,1%. El asentamiento residual de la cimentación con pilotes después de la descarga en el ensayo de carga estática es de 21,00 mm, y el de la cimentación con pilotes después de la descarga en la simulación de elementos finitos es de 20,58 mm. La diferencia entre los dos es 2.0%. La capacidad portante última vertical de SZ5 es 20,35 MN del pilote de prueba y 21,00 MN del pilote en el análisis de elementos finitos, respectivamente. La diferencia entre los dos resultados es solo del 3,2%.

Comparación de curvas carga-asentamiento.

La figura 16 muestra la fuerza axial y la fricción lateral unitaria de SZ5 y el pilote de simulación. La curva Qs del pilote en el análisis de elementos finitos es casi coincidente con la del ensayo de carga estática. El asentamiento de la base de pilotes en la prueba de campo es de 31,8 mm, y el de la base de pilotes en la simulación de elementos finitos es de 30,5 mm bajo una carga de 22MN. La diferencia entre ellos es del 4,1%. El asentamiento residual de la cimentación con pilotes después de la descarga en el ensayo de carga estática es de 21,00 mm, y el de la cimentación con pilotes después de la descarga en la simulación de elementos finitos es de 20,58 mm. La diferencia entre los dos es 2.0%. La capacidad portante última vertical de SZ5 es 20,35 MN del pilote de prueba y 21,00 MN del pilote en el análisis de elementos finitos, respectivamente. La diferencia entre los dos resultados es solo del 3,2%. Líneas 279–280 del manuscrito revisado. Hemos explicado el análisis de la curva Qs de los resultados de las pruebas con celdas de carga y la verificación de los modelos calculados del pilote sobre la cavidad kárstica en las Líneas 275–282 del manuscrito revisado.

Ley de transferencia de carga: (a) Comparación de la fuerza axial de pilotes; (b) Comparación de la fricción lateral unitaria de pilotes.

La fuerza axial de SZ5 disminuye en 3,475 MN desde la parte superior del pilote hasta la profundidad de 15 m, y la relación de reducción es del 43,3 %. La carga transferida al fondo del pilote es de 0,60 MN en la prueba. La fuerza axial del pilote de simulación disminuye en 3,117 MN desde la parte superior del pilote hasta la profundidad de 15 m, y la relación de reducción es del 39,0% de la. La carga transferida al fondo del pilote es de 0,55 MN en la simulación de elementos finitos. La ley de la fuerza axial del pilote de simulación es consistente con la de la prueba de campo. El punto de inflexión de la fuerza axial del pilote está ubicado en la posición donde la cimentación del pilote entra en la roca. La fricción lateral unitaria del pilote es pequeña en el suelo suprayacente y aumenta cuando el pilote se encaja en la roca. La ley de distribución de la fricción lateral unitaria del pilote es similar entre el SZ5 y el pilote simulado. Cuando la carga es de 8,12 MN, las fricciones laterales de SZ5 y el pilote de análisis de elementos finitos representan el 92,5 % y el 93,6 %, respectivamente. La razón principal es que el desplazamiento relativo entre el pilote y el suelo disminuye con el aumento de la profundidad del pilote. Los parámetros tomados en el diseño son conservadores. Cuando la carga es de 8,12 MN (carga máxima de SZ5 en diseño), SZ5 muestra características típicas de pilotes de fricción. Los resultados del análisis de elementos finitos concuerdan bien con los resultados de la prueba de carga estática.

En este estudio, los efectos de la altura, la luz y el espesor del techo de la cueva subyacente sobre las características de soporte de los pilotes se investigaron mediante pruebas de carga y modelos de elementos finitos. Las conclusiones de este estudio son las siguientes:

El asentamiento del SZ5 en la prueba de carga estática aumenta repentinamente bajo la carga de 22 MN. Indica que el techo de la cueva está destruido. Asegurar el espesor de techo permitido es importante para la base de pilotes del puente. La cueva subyacente conduce a la disminución de la capacidad de carga de los cimientos del pilote del puente. Para garantizar la seguridad de los cimientos del puente, es de gran importancia tener en cuenta el tamaño de la cueva y la resistencia del techo de la cueva en el diseño.

El aumento de la altura de la cueva tiene poco efecto sobre los cimientos del pilote del puente. Las características de soporte vertical de los pilotes se ven muy afectadas por el aumento de la luz de la cueva y el espesor del techo. Cuando la luz es mayor a 9 m × 9 m o el techo es más delgado que 3,0 m, la disminución de la capacidad portante de la cimentación del pilote del puente se debe considerar con cautela.

La fuerza axial del pilote disminuye más rápidamente con el aumento de la luz de la cueva y la disminución del espesor del techo. Es porque se transfieren más fuerzas a los suelos circundantes por fricción. En este momento, la resistencia del techo de la cueva es muy importante para garantizar la estabilidad de los cimientos de pilotes.

La relación de resistencia de la punta del pilote en una cueva disminuye primero, luego se mantiene casi constante con el aumento de la luz. La relación de resistencia lateral se mantiene constante cuando la luz supera los 9 m × 9 m. La relación de resistencia de la punta del pilote en una cueva aumenta gradualmente con el aumento del espesor del techo.

Los datos utilizados para respaldar los hallazgos de este estudio se incluyen en el artículo.

Hannigan, PJ, Rausche, F., Likins, GE, Robinson, BR y Becker, ML Circular de ingeniería geotécnica n.° 12: diseño y construcción del volumen II de cimentaciones con pilotes hincados (2016).

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Correspondencia a Huiyun Chen o Zhongju Feng.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Chen, H., Feng, Z., Wu, M. et al. Estudio de las prestaciones portantes verticales de pilotes en cueva kárstica. Informe científico 13, 4944 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31458-2

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Recibido: 16 Agosto 2022

Aceptado: 13 de marzo de 2023

Publicado: 27 de marzo de 2023

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

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