地震影響下樁基下穿串珠狀溶洞的穩定性數值分析

熊 軍

（中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037）

0 引言

因為串珠狀溶洞的地質構造的形式多種多樣，各個溶洞內部間連通狀態比較復雜，在溶洞結構形式的選取過程中無法兼顧各個要素。在該文的研究過程中選擇的串珠狀溶洞結構是雙溶洞的結構，研究人員關注的重點是豎向排布的雙溶洞之間的間距變化規律、豎直方向排布的雙溶洞的幾何尺寸的改變量對于整體結構的綜合穩定特性的相關影響，主要可以分為2種情況：串珠狀溶洞的頂板位置設置樁基以及串珠狀溶洞的底部位置設置樁基，下面分別針對上述2種類型進行詳細的研究。研究內容的重點是地震作用下樁基荷載作用于溶洞底部的穩定性分析，分別考慮豎向排列雙溶洞的距離變化和尺寸變化對整體穩定性的影響。

1 串珠狀溶洞間距變化對整體穩定性影響

1.1 模型建立

簡化模型所使用的相關材料的各種物理參數如下，模型中的串珠狀溶洞的相關參數為寬度值取7.5 m、高度值3.6 m，選取雙溶洞間的距離值分別是0.6 m、1.2 m、1.5 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、6 m、6.5 m幾組實施具體的分析。相關數字模型的網格的劃分、模型的單元類型、網格劃分技術以及無限元邊界條件實現方法均相同[1]。

1.2 計算結果分析

1.2.1 應力應變分析

在溶洞底部位置設置樁基的前提下施加Mises類型的等效應力，雙溶洞的間距數值是1.1 m，雙溶洞的間距數值是5 m。可見，在溶洞底部位置設置樁基的前提下，串珠狀溶洞的周圍同樣會發生應力集中的情況，不過在樁基的末端位置處應力集中情況相對來講是最明顯的。從中能夠得出，隨著串珠狀雙溶洞減距離數值的加大，溶洞間的巖層內部的應力并沒有顯著增大，并且樁基的末端位置的巖體內部的應力分布情況基本上保持一致，這樣的結果表明，在地震狀況發生的前提條件下，串珠狀溶洞間的巖層內部結構對于樁基的側面摩擦阻力相對較小，并沒有分擔樁基在豎直方向上的有效荷載，豎直方向的荷載通常被樁基的末端的巖石所承受。串珠狀溶洞底部設置樁基的狀況下的塑性應變量，與串珠狀溶洞頂板部分設置樁基的狀況有所不同，該狀態下的塑性應變區域在和樁基直接接觸位置的巖層內生成一個分布狀態為連續型的區間[2]。

1.2.2 樁底移動狀況研究

圖1 豎向位移云圖

圖1為串珠狀溶洞底部設置樁基的狀況下的豎直方向位移量的云圖，圖中的雙溶洞間距離數值為4.5 m。根據該圖能夠看出如下規律：串珠狀溶洞頂板區域及樁基末端的豎直方向的位移數值最大，影響位移的半徑約為3.1 m左右，在相關半徑影響的范圍之內，自樁身朝兩側面拓展，巖層豎直方向的位移漸漸縮小。由此可見，與串珠狀溶洞頂部的巖體相比較，雙溶洞間的巖體發生的豎直方向的位移比較小，表明對于樁基的側向摩擦阻力效應相對較小，然而上部串珠狀溶洞頂部巖體發生顯著的豎直方向的位移，其主要原因為基礎巖體的頂面是地震波加速度分量的加載表面，在地震波的作用下，相關位置將會產生顯著的位移。針對兩幅圖像進行對比分析，能夠得出相關結論：串珠狀雙溶洞間的距離的變化，并不能讓溶洞間的巖體對樁基施加額外的側向摩擦阻力，豎直方向的荷載通常由樁基末端的巖層所承擔。串珠狀溶洞底部設置樁基的狀況下的水平方向的位移，在基巖頂部向下1 m左右的區域發生了水平方向的位移。PEMAG指的是塑性應變量，Avg指的是平均值。

1.2.3 樁端豎向位移發展曲線

串珠狀溶洞底部設置樁基的狀況下的樁基末端豎直方向的位移演變曲線，相關研究人員選定樁基末端節點為初始觀測位置，地震過程完畢之后的該觀測位置的豎直方向的位移量是0.03686 m。當靜力的荷載作用完畢之后，樁基末端豎直方向的位移曲線的發展方向明顯趨向收斂，位移變化的程度降低。在地震過程的加速度分量作用時間以內，樁基末端豎直方向的位移不斷增加[3]。

1.2.4 樁端豎向位移變化率曲線

樁基末端豎直方向的位移變化率的特征曲線和地表處地震過程的加速度均方根分量的改變速率變化曲線（放大10倍）進行對比，樁基底部豎直方向的位移改變率在第5.78 s的時間處發生大范圍的波動，并且其變化率的極值發生在5.78 s的時間處，地面處地震的加速度均方根分量改變率極值發生在5.78 s的時間處，時間角度非常吻合，這和串珠狀溶洞頂板部分設置樁基的狀況相一致，表明地震波對于串珠狀溶洞底部設置樁基的狀況下的豎直方向的位移值有顯著的影響。樁端豎向位移發展曲線如圖2所示，m代表單位米，s代表時間單位秒。由對比可知，串珠狀溶洞底部設置樁基的狀況下，樁基末端豎直方向的位移的變化率比較平滑，只有在地震波的加速度分量到達峰值的情況下才會出現較大的變化，并且樁基位置出現一個反彈的狀況。然而串珠狀溶洞頂板部分設置樁基的狀況下，特征曲線發生了顯著的突變，然而并沒有發生樁基反彈的狀況。由此能夠得到相關結論：在地震波的影響下，串珠狀溶洞底部設置樁基的狀況下，因為巖層的彈性效應，有可能導致樁基出現瞬間的反向位移，然而當串珠狀溶洞頂板部分設置樁基的狀況下，因為樁基末端下方溶洞的結構減弱了地基部分的承載功能，導致溶洞的頂板可能出現塑性應變，從而不能發生樁基的反彈狀況。

圖2 樁端豎向位移發展曲線

1.2.5 樁身在豎向的位移變化研究

地震影響下的加速度分量施加下樁身在豎向上發生的相關位移。在溶洞嵌巖部位向上的部分，樁身豎直方向位移表現為線性降低，在串珠狀溶洞嵌巖段的樁身位移改變的速率減少，表現為明顯的端承樁性質。靜力影響之下樁身在豎向上發生的移動量，在基巖表面向上的樁身區域，豎直方向的位移表現為線性降低，基巖表面向下的樁身區域，豎直方向的位移一樣表現為線性降低，不過變化速率對比基巖表面向上的部分較低，這種情況是因為基巖對于樁基的側向摩擦阻力比紅黏土對于樁基的側向摩擦阻力值大而引起的。比較能夠得出當地震波的加速度分量影響下樁身的豎直方向的位移演變并沒有被紅黏土及基巖的側向摩擦阻力的制約，然而靜力影響下樁身的豎直方向的位移的演變被紅黏土的基巖側向摩擦阻力的作用比較大，表明在水平方向的地震波的影響下，樁基和基巖間的側向摩擦阻力效應不明顯，樁基是末端承載的樁體[4]。

1.2.6 雙溶洞之間巖層中點位置

雙溶洞之間巖層中點位置的樁身與巖體水平位移發展曲線比較，樁端與樁端巖體的水平位移發展曲線對比。在2個位置處的樁身和土體部分的水平方向位移的變化方式均比較相似，然而針對圖像進行比較分析，可以得到在第7 s的位置處已經發生樁體的位移多與巖層位移的情況，也就是說，雙溶洞間的巖體在相對比較早的時段就已經發生了樁體和巖層分離的情況，這種情況下巖層已經失去了抵抗剪切力的能力。然而一直持續到地震波加速度分量加載完畢之后才發生樁體和巖層分離的現象。由此能夠得出：在地震波的影響之下，巖層和樁體接觸部位已經失去了抵抗剪切力的功能，對于樁基無側向摩擦阻力。除此以外，隨著埋藏深度的加大，樁體與巖層分離的狀況發生的時間段就越遲，樁體與巖層相對移動量變化越小。樁基末端水平方向移動量變化趨勢程度特征曲線和地面位置地震波加速度平方根變化程度特征曲線（加大12倍）的比較，樁基末端水平方向變化最大值和地面位置地震波加速度平方根變化程度最大值產生時間段完全對應。串珠狀溶洞底部設置樁基的狀況和串珠狀溶洞頂板部分設置樁基的狀況相似，地震波對于樁基的水平位移影響巨大。

1.2.7 樁基末端豎直方向移動量

圖3是樁基末端豎直方向移動量隨雙溶洞間距的變化特征曲率，隨著雙溶洞間距的加大，樁基末端豎直方向移動量逐部縮小，這種情況通常是因為雙溶洞間巖體厚度加大，造成巖層側向摩擦力作用增大，因此樁基末端豎直方向移動隨著雙溶洞間距的加大而降低。

2 溶洞外形尺寸改變對結構安全穩定性的制約

2.1 建立溶洞數字模型

改進溶洞數字模型材料物理力學參數，相關數字模型選取雙溶洞間距是3.5 m，選取雙溶洞的寬度及高度尺寸數值分別是：4.5 m和2.5 m、5.5 m和2 m、6.5 m和5 m、7.5 m和3 m，8.5 m和4.5 m、9.5 m和4 m、10.5 m、5.5 m幾類狀況進行研究。溶洞數字模型的網格劃分模型的單元類型、網格劃分技術以及無限元邊界條件實現方法均相同。

圖3 樁端豎向位移

2.2 計算結果分析

2.2.1 應力應變分析

Mises等效應力的溶洞寬度尺寸及高度尺寸分別為4.5 m和2.5 m，溶洞寬度尺寸及高度尺寸分別為10.5 m和5.5 m。通過比可得，隨著溶洞直徑的加大，相關應力集中的范圍一直集中在溶洞的兩端和樁基末端區域，雙層溶洞間巖體沒有應力集中的狀況發生。塑性應變可見塑性區在上部溶洞頂部巖體內形成1個連續的區域。

2.2.2 樁底位移分析

豎向位移云上部溶洞頂部巖體和樁端豎向位移取最大值，該半徑數值為3.5 m，在相關作業半徑以內，沿著樁體向兩端延伸，巖層豎直方向移動量逐步降低。通過比較可得溶洞直徑的加大對于豎直方向位移特定曲線的制約不明顯，所以省略對比研究的步驟。水平位移云在上部溶洞頂部巖體內存在水平位移，這是由于施加水平地震時程加速度而產生。計算機仿真模擬獲得樁體豎直方向與水平移動特性曲線，樁體豎直方向與水平移動特征曲線及樁體軸向受力與變化趨勢相同[5]。

樁端豎向位移隨溶洞尺寸的變化曲線，隨著洞徑的增大，樁端豎向位移逐步加大。導致樁體底部移動量在溶洞寬度數值＜7.5 m時表現為線性遞增的主要原因是：當溶洞直徑比較小時，溶洞高度的增大對于巖體發揮側摩阻力的影響較大，溶洞高度數值越大，側向摩擦力所負擔的樁體載荷就越小，進而導致樁基末端阻力及樁基底部移動量的加大。樁端豎向位移如圖4所示。m代表單位米。

圖4 樁端豎向位移

3 結語

綜上所述，該文分析了地震影響下溶洞樁基結構的綜合穩定性，重點研究了為豎直方向排布雙溶洞間距改變及豎直方向排布改變對于主體結構穩定性的影響，得到以下結論：分別對地震作用下和靜力作用下的樁身豎向位移和軸力實施對比，樁基和巖體間的摩擦阻力消失。