溶洞特性對樁基豎向承載力影響分析

呂貴賓, 蔣 興

(1.中電建路橋集團有限公司，北京100048； 2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

?

溶洞特性對樁基豎向承載力影響分析

呂貴賓1, 蔣 興2

(1.中電建路橋集團有限公司，北京100048； 2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

文章基于有限元理論并利用有限元仿真軟件ABAQUS建立樁基溶洞計算模型，重點探討巖溶地區溶洞半徑、溶洞高度以及嵌巖深度等特性對樁基豎向承載力的影響。分析結果表明: 在這些影響因素中, 溶洞半徑、嵌巖厚度影響較大, 溶洞高度對樁基豎向承載力的影響較小。

溶洞特征； 樁基承載力； 數值分析

近年來，隨著國家對基礎設施建設大力投入, 工程建設范圍不斷拓展。在這些工程建設中不可避免地要穿越巖溶區，而溶洞的存在對樁基承載力問題會產生較大影響，巖溶地區樁基極限承載力的確定是工程建設成敗的關鍵。為了保證樁基承載力能滿足工程需要，巖溶地區樁基一般采用嵌巖樁，將大部分的承載力傳遞到溶洞頂板上，以提高樁基的承載力。目前，有關巖溶地區樁基工程的研究主要集中于溶洞頂板穩定性分析[1-3]、針對具體的工程采取的溶洞處理的施工措施研究[4-5]以及溶洞區樁基數值模擬等研究[6-8]。基于上述成果，本文利用有限元分析方法并通過ABAQUS軟件進行仿真計算，探討了巖溶地區溶洞特性包括溶洞半徑、高度以及嵌巖厚度對樁基豎向承載力的影響，其研究成果可為樁基工程實踐提供有益幫助。

1 仿真模型

1.1 條件假設

樁基豎向承載力分析假設條件如下：

(1)巖體、土體均為均質、各向同性的彈塑性體；將樁視為均質、各向同性的彈性體，且不存在破壞荷載。

(2)充填物在分析結果時作為有利因素考慮，所以按空溶洞進行計算。

(3)忽略長期以來土壤和巖體因重力而產生的內部應力場的作用，其重力作用僅限于短期內的影響(不計入地應力場)。

1.2 有限元模型

根據假設條件，建立有限元計算模型，模型如圖1、圖2所示。

考慮到幾何模型的對稱性，只取四分之一做仿真計算。計算區域的上邊界為荷載邊界，上部分承受基礎人機荷載，樁基頂部承受來自于上部建筑物的荷載，豎向自重應力以體載荷形式加整個模型上。巖、土體的圓周面約束設置為X、Y的水平約束，巖體底面設有豎向約束。對稱面約束設置為該垂直的坐標軸上的約束。樁采用彈性模型，土體和巖石分別采用經典M-C理想彈塑性模型和雙曲線型DP模型，樁、土體和巖體的特征參數見表1。

2 仿真模擬計算

圖1 三維有限元計算模型

圖2 模型剖面

2.1 工況設計

為分析溶洞半徑、溶洞高度以及嵌巖深度變化對樁基豎向承載力的影響，影響因素及參數選取見表2。

表1 特征參數

表2 影響因素取值

2.2 計算結果與分析

2.2.1 溶洞半徑對樁基豎向承載力的影響

嵌巖深度h取0.5 m，溶洞高度為3 m，通過在樁頂逐級施加荷載分別得出溶洞半徑為 1 m、2 m、3 m、4 m、5 m時巖石區達到失效破壞時的樁基豎向承載力(表3)。

表3 樁基豎向承載力隨溶洞半徑的變化值

溶洞半徑與樁基豎向承載力的關系曲線見圖3。

圖3 樁基豎向承載力與溶洞半徑關系

由圖3可知：溶洞半徑對樁基豎向承載力有較大的影響，隨著溶洞半徑的增大，承載力逐漸減小，這是由于溶洞半徑的增大導致溶洞附近巖層剛度減小，樁基的豎向承載能力也相應減小。

2.2.2 溶洞高度對樁基豎向承載力的影響

嵌巖深度h取為0.5 m，溶洞半徑取為2 m，分別計算出當溶洞高度為 1 m、2 m、3 m、4 m、5 m時的樁基豎向承載力，得到樁基豎向承載力隨溶洞高度的變化情況見表4、圖4。

表4 樁基豎向承載力隨溶洞高低的變化值

圖4 樁基豎向承載力與溶洞高度關系

從表4和圖4中可以看出：在溶洞高度減小過程中樁基豎向承載力減小，但是減小幅度不大，溶洞高度從1 m增加到5 m時，樁基豎向承載力僅減小了0.559 MN。相比起溶洞半徑，溶洞高度的變化并未對溶洞頂部以上的受力特征產生較大的影響，由此可知溶洞高度對樁基豎向承載力影響不大。

2.2.3 嵌巖深度對樁基豎向承載力的影響

取R=2 m，H=3 m，嵌巖深度分別取為 0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m時的樁基豎向承載力(表5)。

表5 樁基豎向承載力隨嵌巖深度的變化值

嵌巖深度與樁基豎向承載力的關系曲線見圖5。

圖5 樁基豎向承載力與嵌巖深度關系

從圖5中可以看出當嵌巖深度為0.5～1.5 m時樁基豎向承載力由11.426 MN增加至12.103 MN，而此后隨著嵌巖深度增加到2.5 m，樁基豎向承載力下降到9.565 MN。當嵌巖深度在某小范圍增加時，樁-巖的側向接觸面積增大側摩阻力增加，樁基的豎向承載力隨之增加，但是隨著嵌巖深度的繼續加大使得樁底到溶洞頂部的距離減小，此時溶洞頂部巖石極其容易受到拉應力，導致巖體失效，承載力降低。因此，在樁基設計中存在著最佳嵌巖深度，使得巖體充分發揮其受力特性。

3 結論

通過有限元軟件ABAQUS建立樁基溶洞計算模型，仿真計算并分析了溶洞特征包括溶洞半徑、溶洞高度以及嵌巖深度對樁基豎向承載力的影響。分析結果表明:

(1)在巖溶地區，溶洞半徑對樁基豎向承載力的影響較大，溶洞半徑的增大使得溶洞附近巖層剛度減小進而會引起樁基礎承載力的降低，所以在樁基施工設計時，應考慮到溶洞半徑對樁基豎向承載力的影響。

(2)樁基豎向承載力隨著溶洞高度的減小而降低，但是減小幅度不大，因此，溶洞高度對樁基豎向承載力影響較小。

(3)適當提高嵌巖深度可以提高樁基豎向承載力，但是超過了一定的值，樁基豎向承載力隨著嵌巖深度的增加而降低。故在溶洞區樁基設計時應考慮最佳嵌巖深度，使樁基設計達到優化的目的。

[1] 何忠明,劉森峙,胡慶國,等. 基于尖點突變理論的路堤填筑下伏溶洞頂板穩定性研究[J]. 中南大學學報：自然科學版,2016(7):2456-2462.

[2] 汪華武，劉志峰，趙文鋒，等.橋梁樁基荷載下溶洞頂板穩定性研究[J]. 巖石力學與工程學報，2013，32(2)：3651-3652.

[3] 趙明華，張銳，胡柏學，等．巖溶區樁端下伏溶洞頂板穩定性分析研究[J].公路交通科技，2009(9): 13-16.

[4] 周威錦. 巖溶隧道跨越暗河及穿越大型充填溶洞處理技術[J]. 四川建筑，2015，35 (3): 93-95.

[5] 石振明，沈丹祎，彭銘，等. 巖溶地區樁基施工溶洞處理技術——以吉安永和大橋樁基施工為例[J]. 工程地質學報，2015,23(6)：1161-1163.

[6] 崔紅琴．巖溶區樁基沉降數值模擬分析[J].四川建筑，2014，34(3)：150-153.

[7] 滑帥. 廣東巖溶區某輸電塔樁基穩定性數值模擬分析[J]. 中國巖溶, 2014(1): 44-50.

[8] 李仁江，盛謙，張勇慧，等. 溶洞頂板極限承載力研究[J].巖土力學，2007，28(8)：1611-1613.

呂貴賓(1976～)， 男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為道路與橋梁工程。

TU473.1+1

A

[定稿日期]2017-03-21