樁基荷載作用下溶洞頂板穩(wěn)定性研究綜述

侯億暉 劉宗志 高為民

中電建路橋集團(tuán)有限公司

1 引言

我國(guó)國(guó)土遼闊，存在多種復(fù)雜地質(zhì)，其中碳酸鹽地層分布廣泛，約占我國(guó)國(guó)土面積三分之一，碳酸鹽地區(qū)為巖溶發(fā)育提供條件形成大量地下潛伏溶洞。近年來(lái)，我國(guó)加速發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè)，在工程建設(shè)中公路鐵路橋梁更多地需要穿越復(fù)雜溶洞地區(qū)，巖體中出現(xiàn)溶洞，會(huì)不同程度上破壞巖體的各種物理性能，降低巖體的整體承載能力，引發(fā)溶洞頂板坍塌，威脅人身安全。因此，對(duì)于樁基溶洞穩(wěn)定性的研究非常重要。

本文通過(guò)收集、整理和分析既有相關(guān)研究文獻(xiàn)，總結(jié)得出樁基作用下溶洞頂板穩(wěn)定性研究主要集中在三個(gè)方向：一為將溶洞頂板穩(wěn)定性力學(xué)分析進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化為固定梁板等模型，將溶洞形態(tài)簡(jiǎn)化為球狀、圓柱狀、橢球狀等近似規(guī)則形態(tài)進(jìn)行力學(xué)模型分析；二為借助有限元分析，建立符合實(shí)際工況的有限元模型，運(yùn)行軟件進(jìn)行多因素影響下的敏感性分析，探討溶洞頂板等受力破壞過(guò)程；三為利用相似理論原理，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行同比例縮小試驗(yàn)，進(jìn)行多工況模型試驗(yàn)，借助室內(nèi)模型試驗(yàn)現(xiàn)象驗(yàn)證提出公式和結(jié)論的正確性。

2 力學(xué)簡(jiǎn)化模型

溶洞研究涉及多方面因素，如溶洞形態(tài)、巖土性質(zhì)和溶洞頂板厚度尺寸大小等。近年來(lái)，大量學(xué)者開(kāi)展力學(xué)簡(jiǎn)化模型的試驗(yàn)，利用經(jīng)典簡(jiǎn)化力學(xué)模型如梁或板進(jìn)行力學(xué)求解。

國(guó)內(nèi)關(guān)于力學(xué)簡(jiǎn)化模型試驗(yàn)多數(shù)圍繞溶洞頂板發(fā)生破壞展開(kāi)，從溶洞頂板破壞機(jī)理研究影響溶洞頂板穩(wěn)定性的因素。文獻(xiàn)[1]提出了將溶洞頂板簡(jiǎn)化為懸臂梁、簡(jiǎn)支梁、兩端固定梁等簡(jiǎn)化計(jì)算方法，為溶洞頂板厚度計(jì)算提供新思路；趙明華等[2]引入固定梁板模型，將溶洞頂板視為固定梁板模型，分析在樁端垂直荷載作用下，巖層可能出現(xiàn)地沖切、剪切和彎拉破壞以及樁端巖層的安全厚度；考慮到存在多種因素影響樁基溶洞頂板性，對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性研究存在較多的未知，趙明華等[3]引入模糊集理論，在此理論基礎(chǔ)上，結(jié)合工程勘察資料，建立橋梁樁基溶洞頂板穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)與平衡分析模型，為溶洞區(qū)的橋梁樁基設(shè)計(jì)提供新方法；龔先兵等[4]在嵌巖段極限承載力則引入Hoek-Brown巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則，針對(duì)巖溶區(qū)基樁工程的特點(diǎn)，結(jié)合突變理論的基本概念，建立了力學(xué)簡(jiǎn)化模型并推出其勢(shì)能函數(shù)的表達(dá)式；汪華斌等[5]基于Hoek-Brown準(zhǔn)則，考慮溶洞頂板和樁基相互作用受力特性，采用彈性力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了固支梁、簡(jiǎn)支梁、圓形板和矩形板簡(jiǎn)化模型下的樁基荷載最大應(yīng)力計(jì)算式的推導(dǎo)。并采用Hoek-Brown準(zhǔn)則為判定頂板破壞的依據(jù)，推導(dǎo)出溶洞頂板在不同簡(jiǎn)化模型下的厚度計(jì)算公式以及不同破壞情況下的安全厚度計(jì)算公式；雷勇等[6]提出了兩種頂板極限承載力計(jì)算方法;其一假定沖切題為圓錐臺(tái),由極限平衡法得出極限平衡狀態(tài)下破壞面上拉應(yīng)力與剪應(yīng)力同時(shí)作用時(shí)的極限承載力；其二假定沖切題是以一個(gè)未知曲線為母線的旋轉(zhuǎn)體,由極限分析法求出其母線形式以及極限承載力的表達(dá)式,通過(guò)求偏導(dǎo)獲得了溶洞頂板的極限承載力；雷勇等[7]指出巖溶區(qū)樁基樁端巖層易發(fā)生沖切破壞，為此引入Hoek-Brown非線性巖石破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則，推得其剪應(yīng)力的二次拋物線型表達(dá)式。基于極限分析上限法原理，確定沖切破壞體的功能方程，并通過(guò)變分求極值原理獲得沖切破壞體的母線方程，進(jìn)一步通過(guò)微分得到樁端巖層抗沖切安全厚度計(jì)算公式；曹文貴等[8]基于巖溶區(qū)基樁樁端巖溶頂板穩(wěn)定性影響因素取值的隨機(jī)性、模糊性以及區(qū)間性特征，采用三角模糊數(shù)為基礎(chǔ)建立出同時(shí)考慮抗沖切、抗剪與抗彎作用的樁端巖溶頂板穩(wěn)定性模糊極限平衡分析模型，并為樁端巖溶頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與分析提供了一種新的方法；趙明華等[9]不考慮樁身側(cè)摩阻力的影響，考慮溶洞上覆土層自重應(yīng)力的影響，建立簡(jiǎn)化計(jì)算模型，并引入Griffith強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；李俊杰[10]認(rèn)為溶洞頂板巖層可簡(jiǎn)化為兩端固定支梁模型進(jìn)行計(jì)算分析，分別確定各模型樁基巖溶頂板最小安全厚度值，并將其與工程實(shí)際進(jìn)行對(duì)比分析；張永杰等[11]采用將溶洞頂板簡(jiǎn)化為固支梁、拋物線拱、圓拱與固支雙向板等承載模型的方法，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)等理論提出不同簡(jiǎn)化模型下溶洞頂板抗彎最小安全厚度的計(jì)算方法，以及樁端荷載作用下最小安全厚度的計(jì)算方法，并分析了各種因素對(duì)溶洞頂板破壞的影響規(guī)律。

3 有限元數(shù)值方法

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)存在經(jīng)費(fèi)需求過(guò)大，需求人力物力較多，不方便普遍開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。有限元軟件的快速發(fā)展，給樁基溶洞試驗(yàn)帶來(lái)巨大便捷。通過(guò)有限元軟件對(duì)樁基現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行軟件模型模擬，研究多種因素對(duì)溶洞穩(wěn)定性的影響。

劉國(guó)喜[12]對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性分析在傳統(tǒng)定量計(jì)算的基礎(chǔ)上，同時(shí)引入三維數(shù)值模擬分析軟件FLAC3D，建立三維數(shù)值模型對(duì)樁基和溶洞相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析并討論了溶洞穩(wěn)定性的影響因素及其敏感性；王勇等[13]以某巖溶隧道為背景，采用二維彈塑性有限元方法對(duì)隧道開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析了影響隧道溶洞頂板安全厚度的因素，引入支持向量機(jī)方法，建立了涵蓋多因素的溶洞頂板安全厚度預(yù)測(cè)模型；陽(yáng)軍生等[14]采用有限元方法建立有限元模型，對(duì)巖溶地區(qū)圓形基礎(chǔ)下溶洞頂板穩(wěn)定性進(jìn)行了模型分析計(jì)算，并分析極限承載力與各影響因素之間的關(guān)系;程曄等[15]運(yùn)用強(qiáng)度折減技術(shù)、彈塑性有限元和二分法探討基樁下溶洞頂板穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法；李仁江等[16]引入顯式有限差分法，對(duì)巖溶區(qū)中的橢球形溶洞頂板進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，為特種形狀溶洞頂板穩(wěn)定性研究提供了一種方法;符策簡(jiǎn)[17]利用有限元計(jì)算，預(yù)測(cè)了橋基下溶洞及頂板的變形規(guī)律，采用鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性；蔣沖等[18]建立了分析樁頂下洞室頂板穩(wěn)定性的力學(xué)模型，設(shè)定根據(jù)洞穴頂板邊界中巖體的完整性來(lái)支持洞穴頂板的邊界，基于板殼理論，計(jì)算簡(jiǎn)化模型，在簡(jiǎn)單支護(hù)頂板邊緣的情況下，可得到確定頂尖下頂板安全厚度的理論計(jì)算公式，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證證明合理，可作為計(jì)算樁頂下洞頂安全厚度的一種新方法；張冰琪[19]采用有限元方法，利用ABAQUS數(shù)值模擬軟件建立了單樁穿越溶洞的計(jì)算模型，對(duì)其承載特性進(jìn)行分析，并研究了樁徑、樁長(zhǎng)、中夾巖層厚度和巖體物理性能參數(shù)對(duì)溶洞穩(wěn)定性的影響；馮忠居等[20]采用有限元數(shù)值模擬方法，并引入灰色系統(tǒng)理論實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同溶洞尺寸下樁的承載力規(guī)律分析;劉莎等[21]基于雙折線模型推導(dǎo)了樁基通過(guò)多層巖溶區(qū)的荷載傳遞微分方程，采用數(shù)值模擬方法研究了武漢市巖溶區(qū)某建筑樁基穿過(guò)串珠狀溶洞時(shí)的承載性狀。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

樁基項(xiàng)目涉及面較大，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要人力物力和時(shí)間成本較大，有較大的限制。樁基室內(nèi)試驗(yàn)采用相似理論，在室內(nèi)一定程度模擬實(shí)際工程工況，具有較大參考意義。

劉鐵雄[22]采用了理論計(jì)算分析和模型試驗(yàn)分析并輔以工程驗(yàn)證的方法，深入研究了巖溶頂板與樁相互作用的機(jī)理，并對(duì)嵌巖樁基的室內(nèi)模型設(shè)定深入研究，得出了溶洞頂板厚度、嵌巖深度和模型材料尺寸設(shè)定等結(jié)論；孫映霞等[23]采用有限差分法，在建立室內(nèi)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了樁基荷載作用下溶洞頂板的穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析，提出判斷巖溶區(qū)樁基穩(wěn)定性的有效判據(jù)，并得出溶洞破壞模式主要受溶洞頂板厚度的影響的結(jié)論；張慧樂(lè)等[24]在室內(nèi)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了巖溶區(qū)嵌巖樁的承載能力與破壞模式之間的關(guān)系，結(jié)合不同條件下巖溶區(qū)嵌巖樁的破壞模式，提出一系列安全可靠、便于工程應(yīng)用的計(jì)算公式；趙明華等[25]根據(jù)相似理論，設(shè)計(jì)了3組不同厚度條件下溶洞頂板破壞模式的大比例模型試驗(yàn)，得到了溶洞頂板和樁基的荷載與位移關(guān)系圖和溶洞頂板的極限應(yīng)變曲線，并由模型試驗(yàn)總結(jié)出不同溶洞頂板厚度下頂板的破壞特性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)得溶洞頂板安全厚度最小值和溶洞頂板承載能力計(jì)算公式。

5 今后研究方向

對(duì)于樁基溶洞頂板穩(wěn)定性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外雖然已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究，但室內(nèi)試驗(yàn)、有限元模型試驗(yàn)和力學(xué)模型分析存在不同程度的簡(jiǎn)化，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況存在差異，得出的計(jì)算公式與現(xiàn)場(chǎng)工況存在出入。因此，需要在以下方面加強(qiáng)研究。

（1）樁基荷載下溶洞頂板發(fā)生沖切破壞和沖剪破壞等破壞機(jī)理尚不完全清楚，樁基荷載作用下溶洞頂板變形和失穩(wěn)的機(jī)理研究仍然需要深入，可通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與有限元模型相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。

（2）力學(xué)模型所采用的理論多為剛體和彈塑性理論，難以準(zhǔn)確描述和模擬溶洞頂板的實(shí)際破壞過(guò)程，建議可引入斷裂和損傷理論模型，完善現(xiàn)有力學(xué)模型，使受力破壞條件下的模型力學(xué)分析更符合實(shí)際。

（3）借助現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)與有限元模型試驗(yàn)的各種物理參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，使室內(nèi)試驗(yàn)與有限元模型更符合實(shí)際情況，已完善當(dāng)前溶洞頂板穩(wěn)定性和溶洞頂板安全厚度等計(jì)算方法，修正相關(guān)計(jì)算公式，提出符合工程實(shí)際的計(jì)算理論和方法。

6 結(jié)論

本文針對(duì)樁基溶洞頂板穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀和研究成果進(jìn)行總結(jié)歸納，對(duì)于樁基溶洞頂板穩(wěn)定性研究大致分為三個(gè)方面，即力學(xué)簡(jiǎn)化模型、有限元模型和室內(nèi)試驗(yàn)。大量學(xué)者圍繞溶洞頂板穩(wěn)定性這幾個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行了研究并得出諸多有價(jià)值的結(jié)論，但由于計(jì)算模型和室內(nèi)試驗(yàn)存在不同程度的簡(jiǎn)化，提出的計(jì)算方法與實(shí)際工程情況仍然存在一定的差異。今后應(yīng)該加強(qiáng)工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，將理論研究、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究相結(jié)合，建立更為合理的計(jì)算方法，以更好地指導(dǎo)溶洞區(qū)樁基設(shè)計(jì)與施工。