樁基荷載作用下巖溶區溶洞頂板穩定性研究

姚成玉

(池州市公路管理服務中心，安徽 池州 247000)

0 引 言

巖溶地貌又被稱為喀斯特(karst)地貌，巖溶區域在我國各地均有分布，但主要集中在中西部地區。巖溶的特征主要為：下伏基巖埋藏較深、上覆土層較厚；溶洞規模普遍較小，大多數為全填充或半填充。隨著我國工程建設項目的增多，越來越多的項目可能碰到巖溶地質條件，而由于溶洞的隱蔽性強、不易被探測到的特點給工程建設帶來了極大的困難。大量的工程實踐表明，巖溶地區地基承載力及其穩定性受溶洞發育情況影響較大，樁基施工及上部荷載施加極易引起溶洞坍塌，嚴重影響該地區公路、橋梁等工程構筑物施工、運營的安全。樁基由于其能適應各類工程地質條件，承載力高，已經廣泛應用于巖溶地區的工程建設中[1,2]。

針對巖溶地區的樁基施工工程，國內外學者做了大量相關研究。趙明華等[3]運用極限分析原理研究巖溶去樁端頂板的沖切破壞機制，根據格里菲斯巖石強度準則，計算得到樁端巖層抗沖切破壞的極限荷載。董蕓秀等[4]通過樁基靜載實驗，測量樁身內力，分析了巖溶區樁頂荷載與沉降之間的規律。汪華斌等[5]根據彈性力學推導巖溶頂板在樁基荷載作用下的最大應力計算公式，引入Hoek-Brown準則得出不同簡化模型下巖溶頂板厚度的理論計算公式。廖春芳等[6]根據三維非線性有限元方法確定了采空區巖層頂板安全厚度的方法。王偉[7]系統開展了巖溶區樁基承載機制及溶腔整治技術的研究，通過數值模擬分析了單層、多層溶洞下“地層-樁基-溶洞”系統的破壞模式。尹凱麗等[8]研究了溶洞高度、頂板厚度、溶洞跨度和巖體強度等因素對樁基承載力的影響。楊博銘等[9]基于復變函數理論，得到了樁端荷載在矩形溶洞地層中的應力場分布，最終通過數值分析對理論計算結果進行驗算，其理論計算結果對巖溶區嵌巖樁的設計計算有一定的參考價值。

本文基于已有研究成果，使用FLAC 3D軟件計算了溶洞頂板厚度和樁端偏心距離情況下樁基礎及溶洞的穩定性，分析對比了各因素作用下樁基的受力及變形規律，以期為巖溶區樁基工程勘察、設計及施工優化提供指導。

1 數值計算模型

1.1 數值模型假設條件

(1)土層采用mohr-columb模型，巖層采用各向同性的彈性模型。

(2)不考慮地質構造運動造成的軟弱結構面的影響。

(3)參考工程實際對作用于樁基頂端的荷載進行取值。

(4)將溶洞簡化為規則的長方體形狀，且洞內無充填物，洞體為空洞。

1.2 建立三維模型

使用有限差分法軟件FLAC 3D建立三維模型進行數值計算，如圖1所示。

圖1 計算模型簡圖(單位：m)

考慮最不利情況，樁頂荷載全部傳遞至樁底，由于該模型為軸對稱模型，因此取模型的1/2進行計算。模型中，樁徑D=1 m，樁長30 m，為減小邊界條件對樁基施工的影響，模型邊界距樁基均為15倍樁徑，整體尺寸為40 m×20 m×45 m，四周邊界設水平位移約束，底部邊界設豎向位移約束，溶洞為6 m×6 m×3 m的長方體空腔。

模型中，巖土體采用mohr-columb模型，樁基采用彈性模型，在樁基和土層之間建立接觸面考慮樁-土之間的相互作用，樁頂施加均布荷載，采用分級加載的方式施加。巖土層及樁基力學參數取值見表1。

表1 模型力學參數取值

本文保持其他條件不變，通過改變H/D和L/D的取值來研究樁底與溶洞間豎向和水平距離對樁端位移的影響，文中H/D和L/D均為1～5。

2 數值計算結果分析

2.1 頂板厚度敏感性分析

本文進行了樁基偏心距離為0、頂板厚度分別為1D、2D、3D、4D、5D的數值模擬實驗，溶洞頂板厚度從1D增加到5D時，樁基底部位移值如圖2所示。

圖2 頂板厚度H與樁底豎向位移間的關系圖

從圖2可以看出，樁底的位移值隨頂板厚度的增加而從-12.3 mm逐漸減小至-3.5 mm，說明頂板厚度的大小直接關系到樁基穩定性的高低，頂板厚度越大，樁底位移越小，樁基施工時穩定性越高。從圖2中也可以看出，當頂板厚度大于3倍樁徑時，樁底位移變化曲線趨于平緩，說明當頂板厚度大于3倍樁徑時，樁基施工對溶洞產生的影響較小，巖溶區較穩定。

圖3為不同頂板厚度條件下樁底位移值隨荷載的變化曲線。

圖3 不同頂板厚度下樁底Q-S曲線

從圖3可以看出，各曲線均隨荷載的增大其樁底位移值隨之增大，但由于溶洞頂板厚度的影響，厚度為1D時，隨荷載增加，位移亦隨之較快增長，最大值為12.3 mm，且樁底位移隨荷載近似線性增加，表明，樁底與溶洞間的塑性區已經貫通，此時溶洞對樁基施工的穩定性產生了較大的影響。而頂板厚度為3D、4D、5D時的三條曲線各階段位移值相近，表明，當頂板厚度大于3D時，樁基施工對溶洞產生的影響較小。

2.2 偏心距離敏感性分析

本文保持頂板厚度為2D不變，改變樁端和溶洞中心偏心距離分別為1D、2D、3D、4D、5D的數值實驗，當偏心距改變時，樁底位移值曲線如圖4所示。

圖4 偏心距離L與樁底豎向位移間的關系圖

保持其他因素不變，改變巖溶區樁基與溶洞的相對位置作為研究對象。圖4表明，當偏心距離從1D增加至5D過程中，樁頂位移從-5 mm逐漸減小至-3.5 mm，即樁基施工位置距離溶洞越遠，溶洞穩定性越高。當偏心距離大于3D時，樁基已經不在溶洞上方，此時，增加偏心距離對減小樁底位移值的效果不明顯，因此，巖溶區樁基礎設計及施工時應盡量遠離溶洞分布密集區域。

圖5是頂板厚度為2D時，不同偏心距離下樁底Q-S曲線。

從圖5可以看出，最荷載的增加，樁底位移值平緩增大，當荷載較小時，各工況下樁底位移值相近，表明此時溶洞對樁基施工的影響較小，當荷載大于6 000 kN時，樁底位移隨偏心距離的增加有了明顯變化。水平偏心距離大于3D時，樁基已經不在溶洞上方位置，此時偏心距離為3D、4D、5D的三條曲線相近，即增加偏心距離對減小樁基位移無明顯效果，因此施工時應避開巖溶密集區域。

3 結 論

本文使用有限差分法軟件FLAC 3D對溶洞與樁基之間的頂板厚度與偏心距離對樁基施工的影響進行了研究，分析了不同頂板厚度和偏心距離下樁底位移的變化情況，所得結論如下：

(1)頂板厚度直接關系到樁基的穩定性，隨著頂板厚度的增加，樁底位移值隨之減小，當頂板厚度大于3D時，樁底位移值趨向于穩定，因此可認為臨界頂板厚度為3D。

(2)樁底位移值隨著偏心距離的增加而減小，當樁基不在溶洞上方區域時，巖溶對樁基施工產生的影響較小，因此施工時應盡量避開巖溶區域。

(3)樁底位移隨施工荷載的增大而增加，荷載從3 000 kN增加至6 000 kN時，其位移改變率較大，荷載大于6 000 kN時，隨著荷載的增加，樁底位移呈均勻緩慢增加。