考慮溶洞跨度影響的鐵路橋梁嵌巖樁承載特性研究

張凱ZHANG Kai

（山東省路橋集團有限公司，濟南250014）

0 引言

巖溶的發育使得巖溶區巖體的強度與巖體穩定性大幅降低[1]，巖溶地質常常對工程建設造成不同程度的危害[2-3]。嵌巖樁將上部荷載傳遞至巖溶地基上，若樁基發生失穩，將引發上部結構破壞，故需要慎重考慮溶洞對樁基承載能力的影響。巖溶地區地質條件復雜，影響嵌巖樁承載力及溶洞頂板穩定性因素眾多，其中溶洞跨度為重要影響因素[4]。本文針對不同溶洞跨度開展數值模擬研究，得出不同溶洞跨度下單樁承載特性的一般規律，對實際工程有一定指導價值。

1 模型建立

1.1 基本假設

本文對所建立計算模型做出如下假設：

①上覆土層簡化為單一粉質粘土層，嵌巖段為石灰巖，二者分界面水平，所有巖土體均各向同性，不考慮地下水的影響，嵌巖段巖體完整；

②樁基下方溶洞為方形構造，不考慮溶洞內充填物的影響，溶洞頂板水平；

③不考慮樁體的破壞，土體及嵌巖段巖體采用Mohr-Coulomb 屈服準則；

④假定樁巖接觸良好，忽略樁底沉渣等施工工藝對樁巖接觸面的影響。

1.2 幾何模型

為減小邊界效應的干擾，對計算模型地層取20m×20m×40m 大小進行分析。根據相關文獻模型參數如下[5-6]，樁徑D=1.0m，樁長L=20m，溶洞高H=2m，頂板厚度h=3D，溶洞偏心距e=0，嵌巖深度hr=1D，溶洞跨度d 分別取2、4、6、8 倍的樁徑。樁基及地層的參數取值分別如表1、表2所示。

表1 樁基材料參數

表2 地層材料參數

1.3 接觸面設置

①樁-土接觸面：將剛度較大的樁體表面定義為主面，法向模型選擇“硬接觸”。切向模型采用罰函數模型，樁-土界面的摩擦系數設為0.45。

②樁-巖接觸面：將樁體側面定義為主面，法向模型為硬接觸模型，切向模型為罰函數模型，樁巖界面的摩擦系數設為0.60。

計算模型不考慮樁底沉渣等施工工藝的影響，將樁端設定為tie 約束，即樁端與下方基巖表面不發生相對位移。

1.4 邊界與荷載

對計算模型的底部與側面分別施加位移邊界條件：底部施加三向位移約束，側面施加法向位移約束，地表設為自由面。在地應力平衡分析步中只對完整地層施加重力并進行初始應力平衡，之后加入樁基模型并對其施加重力。在后續分析步中分級施加樁頂荷載，取每級10MPa，直至溶洞頂板破壞。

1.5 網格劃分

網格劃分技術采用結構化網格劃分與掃掠劃分相結合的方法。為確保網格劃分質量，對計算精度要求較高的局部進行網格加密。本文所用計算模型整體單元尺寸為1.4，局部適當加密至0.5，模型單元C3D8I。

2 溶洞跨度對單樁承載特性的影響

2.1 溶洞頂板破壞模式

在荷載逐漸增加的過程中，模型內部豎向位移變化見圖1。

圖1 加載過程中地層豎向位移變化云圖（h=3D）

由圖1 可知，隨著豎向荷載的增大，土體的主要塑性應變區從原來的嵌巖段上方部位逐漸過渡到樁端下方的巖體，即溶洞上方的頂板。隨著荷載增加，頂板破壞模式表現為沖切破壞。

2.2 溶洞跨度對單樁極限承載力的影響

圖2 為不同溶洞跨度模型下樁頂荷載-沉降曲線。當溶洞跨度在d=6~8D 的范圍內，樁頂荷載-沉降曲線沒有太大的差異，隨著溶洞跨度進一步減小，對應的單樁極限承載力有逐漸增加的趨勢。在溶洞跨度大于4 倍樁徑后，溶洞跨度的變化對單樁的極限承載力不再產生明顯的影響，單樁極限承載力逐漸趨于一個定值（見圖3）。

圖2 不同溶洞跨度下的樁頂Q-S 曲線

圖3 單樁極限承載力隨溶洞跨度的變化

2.3 不同溶洞跨度下的頂板破壞模式

在不同溶洞跨度情況下，由上部荷載引起的溶洞頂板的塑性滑移區域形態如圖4 所示。當溶洞跨度d=2D 時，溶洞頂板在極限荷載作用下表現為沿樁周向下的剪切破壞。據此可以解釋圖1 中溶洞跨度為2D 時樁底Q-S 曲線與其他3 組的差異。

圖4 不同溶洞跨度下的頂板破壞模式

當溶洞跨度在4D~8D范圍內，模型樁底Q-S 曲線后半段出現明顯陡降趨勢，而溶洞跨度為2D 時，曲線斜率更為平緩，即隨著溶洞跨度減小，溶洞頂板從脆性破壞過渡為塑性破壞。在溶洞頂板跨度從4D 增加到8D 的過程中，頂板沖切破壞角基本保持不變。當溶洞跨度超過某一閾值，在頂板厚度不變的條件下，其頂板沖切破壞角不再隨跨度增加而變化。

2.4 溶洞跨度對側阻與端阻荷載分布的影響

不同溶洞頂板破壞模式也表現為側阻與端阻荷載傳遞曲線的差別。如圖5 所示，對于樁側荷載傳遞曲線，當溶洞跨度為4D~8D 時均表現為近似三折線軟化模型，而溶洞跨度為2D 時曲線形態較為復雜，其側阻從線型階段的峰值處下降至第二個“折點”后再次出現增大趨勢，表現出一定的硬化特征，到達最大側阻后再次軟化。

圖5 樁側荷載傳遞曲線

從圖6 中可看出，樁端荷載傳遞曲線最初的線型階段的斜率受溶洞跨度影響不大，但側阻充分發揮所對應的極限位移值隨跨度增加而增大。對于樁端荷載傳遞曲線，溶洞跨度為4D~8D 時均表現為雙曲線模型，而溶洞跨度為2D 時表現出近似雙折線硬化模型。

圖6 樁端荷載傳遞曲線

嵌巖段側阻及端阻所承擔的荷載比隨溶洞跨度的變化曲線見圖7。

圖7 不同溶洞跨度下嵌巖段的側阻與端阻比重

由7 可知，隨著溶洞跨度的增加，樁端阻力承擔的荷載比逐漸降低。

3 結論

本文基于三維有限元數值模擬程序對單樁進行模擬，分析了單樁承載特性及頂板破壞模式，得到以下結論：

①隨著溶洞跨度進一步減小，對應的單樁極限承載力有逐漸增加的趨勢。②在豎向荷載作用下，隨著溶洞跨度的減小，頂板從脆性破壞變為塑性破壞。③當溶洞跨度為4D~8D 時樁側荷載傳遞曲線可采用三折線軟化模型。溶洞跨度為4D~8D 時樁端荷載傳遞曲線可采用雙曲線模型，而溶洞跨度為2D 時可采用雙折線硬化模型。