秦嶺陡坡—巖溶發育區耦合作用下高速公路橋梁樁基礎穩定性研究

成圓夢 王緒旺 劉欣欣

摘 要：為了研究秦嶺山區陡坡—巖溶發育區耦合作用下高速公路橋梁樁基礎的穩定性，以實際工程十天高速公路（略陽—陜甘界段）為背景，采用FLAC3D建立數值仿真模型，分析了秦嶺陡坡—巖溶發育區樁基水平承載力。結果表明，溶洞對樁基水平承載力的影響程度大于陡坡。無溶洞、坡度為0°和頂板厚度1.5 m、坡度60°的樁基水平承載力分別為485.00 kN和323.84 kN，降低了33.2%。提出了樁基水平承載力預測公式，為相關類似工程提出借鑒。

關鍵詞：秦嶺山區；橋梁工程；巖溶發育區；耦合作用

中圖分類號：U443.15? ? 文獻標識碼：Ａ? ? ?文章編號：1674-0033（2023）02-0038-07

引用格式：成圓夢，王緒旺，劉欣欣.秦嶺陡坡—巖溶發育區耦合作用下高速公路橋梁樁基礎穩定性研究[J].商洛學院學報，2023，37（2）：38-44.

Abstract： In order to study the stability of the bridge pile foundation of expressway in the steep slope-rock-soluble development area in Qinling Mountains， the actual project ten-day highway （Lueyang-Shaanxi-Gansu boundary） was used as the background. The pile foundation level bearing capacity of the rock-soluble development area obtains the following conclusions： the degree of influence of the cave on the bearing capacity of the pile foundation is greater than the steep slope. The pile foundation level with a thickness of 0° and the thickness of the top plate is 1.5 m， and the slope is 60°. 485.00 kN and 323.84 kN were reduced by 33.2%. The pile foundation level bearing capacity prediction formula was proposed， and a reference for related similar projects was proposed.

Key words： Qinling Mountains; bridge works; karst development area; coupling

秦嶺山脈是我國南北方重要的地理分界線，其地質情況復雜，氣候多變，動植物種類繁多，再加上極端雨季會發生大面積的滑坡、泥石流及山體崩塌[1-5]的影響，修建鐵路高速公路的難度較大。山區高速公路工程中的較重要項目多是開挖隧道和架設橋梁。其中橋梁工程大多數采用樁基礎，承載性能高且易于施工。但陡坡上的樁基礎因兩邊受力大小不一，存在不穩定的因素。針對此類情況，常規的方法是增加樁徑或增大樁長，以提高樁基礎的承載力。馮忠居等[6]研究發現，一味地增大樁長來提高承載力是不經濟的，通過分析各影響因素的耦合作用，提出了使樁基礎設計的計算更加合理的公式。本文將以此方法為基礎，選取十天高速公路（略陽—陜甘界段）為工程背景，研究秦嶺陡坡—巖溶發育區耦合作用下樁基礎的承載性能，為秦嶺山區橋梁樁基礎設計提供借鑒。

1? 工程概況

1.1 概述

十天高速公路（略陽—陜甘界段），地形復雜，山體陡峭，路線選型考慮了“以橋帶路”。其中略陽至陜甘界段橋梁102座（左右幅分別計算），特大橋和大橋共95座，全長32 656.4 m，中橋7座，全長211.66 m。同時，十天高速公路（略陽—陜甘界段）位于陡坡地段的橋梁基礎約占全線樁基總數的3.8%。

1.2 巖溶發育區與樁基礎的位置關系

巖溶發育區呈不規則狀分布，樁基和巖溶區有三種位置關系，如圖1所示。

第一種：巖溶發育區位于樁基下方。有研究表明，只有出現以下兩種情況時，才可以不考慮頂板厚度對樁的影響：樁底頂板厚度大于3倍樁徑；樁底頂板厚度小于3倍樁徑且巖溶區被土填滿，承載力大于150 kN[7]。

第二種：巖溶發育區位于樁基周圍。樁周土體缺失，樁側土抗力降低，同時樁側摩阻力降低，樁基承載力減小。

第三種：巖溶發育區范圍較廣。此時樁周土體缺失嚴重，且頂板厚度嚴重不足。通常采取增大樁長的措施，使樁基穿越巖溶發育區，以此來提高樁基承載力。

1.3 山區陡坡與橋梁的位置關系

通過對十天高速（略陽—陜甘界段）現場實地調查，略陽至陜甘界段有102座橋梁中有47座橋梁部分橋墩位于陡坡上。通過調查分析，橋梁與陡坡的位置關系主要有跨越式和縱向沿坡式兩種，如圖2和圖3所示。

為分類研究位于陡坡地段上的橋梁樁基，根據其在陡坡的不同位置，分為陡坡頂、陡坡中部、陡坡坡腳三類。對三類樁基的分布進行統計，結果如表1所示。

本文取分布最多的陡坡中部樁基作為研究對象，建立對應數值的仿真模型，研究巖溶發育區與陡坡的耦合作用下樁基礎的承載性能。

2? 建立數值仿真模型

2.1 參數選取

參考地勘資料及設計資料，樁和土體的物理力學參數如表2所示。

2.2 樁土接觸問題

為解決相鄰結構物由于材料屬性不同而產生的接觸問題，在FLAC3D中設置了接觸面結構單元以解決一定受力條件下兩個接觸的表面上產生的滑動、分開與閉合問題。FLAC3D中接觸面幾何模型建立的方法有三種，分別為移來移去法、導來導去法及切割模型法。本文采用移來移去法，即將樁模型和地基模型分開建立，在地基模型相應位置上建立樁側和樁端接觸面單元，再將樁模型移動到相應位置，這樣使得同一坐標點有不同的節點號，可以模擬樁土之間滑移分離的情況，從而完成接觸模型的設置。

接觸面單元的特性主要由法向剛度kn、剪切剛度ks、內摩擦角ψ、粘聚力c、膨脹角、抗拉強度等參數控制。法向剛度kn、剪切剛度ks可以取接觸面周圍“最硬”臨近區域土層等效剛度的10倍，計算公式為：

式（1）中，K是體積模量，G是剪切模量，Δzmin是接觸面法向方向上連接區域上的最小尺寸。

模擬滑移和分離的情形時，接觸面單元的摩擦參數相較于剛度參數更為主要，因此在這種情形下合理選取摩擦參數變得尤為重要。根據文獻[8-10]，同時考慮樁與土體之間的接觸面較粗糙，樁側和樁端接觸面單元的粘聚力和內摩擦角取值為相鄰土層的粘聚力和內摩擦角的0.8倍。

2.3 模型建立

為了方便建模，提高計算效率，將形狀無規則的巖溶區域簡化為規則的矩形，方便描述溶洞的高度和跨度。FLAC3D是一款成熟的巖土工程軟件，常用于計算巖土工程參數和巖土受力分析。本文采用FLAC3D 5.0建模，將網格細化，使結果更加準確。溶洞位于樁基的下伏，即第二個石灰巖層。模型中的土體參數和樁基參數均取自工程勘測資料，如表2所示。土體選用彈塑性本構模型進行計算。樁基是鋼筋混凝土材料，選用理想彈性本構模型。X方向的邊界條件數值取為25D（D為樁徑），Y方向的邊界條件數值取為17D，Z方向根據頂板厚度調整。溶洞尺寸X方向3 m，Y方向4 m，Z方向6 m。樁長10 m，樁徑1.5 m。模型如圖4所示。

2.4 工況設置

研究兩個因素對陡坡樁基承載力的影響，采用控制變量法設計試驗工況，如表3所示。最終得到25組試驗，對25組試驗分別進行模擬。

3? 數值仿真結果與分析

3.1 坡度對樁基水平承載力的影響

樁基周邊土體缺失，影響樁基承載性能，圖5為60°和45°兩種具有代表性的坡度，在坡上模擬樁基，分別施加100，300，500 kN三種水平荷載，分析樁基的水平承載力。由圖5（a）可知，樁身位移隨埋置深度越來越小，樁頂位移最大。且施加的水平荷載越大，樁頂位移越明顯。由圖5（b）可知，樁身位移的變化趨勢與圖5（a）類似，但坡度越小，樁頂的位移越小。

為了進一步研究樁基水平承載力，繼續施加水平荷載，并建立水平荷載（H）與樁頂位移（y）的關系。圖6為不同坡度下樁基H-y關系圖，以坡度0°（平地）為對照組，坡角對樁頂水平位移影響明顯，且坡度越大，影響越顯著。以坡度0°為基準，計算坡度對樁基的影響度，見式（2）：

式（2）中，y為該坡度下樁頂水平位移；y0為坡度等于0時樁頂水平位移。

由圖7可知，坡度為15°，水平荷載為800 kN對樁基的影響度最大為21%；坡度為30°，水平荷載為800 kN對樁基的影響度最大為41%；坡度為45°，水平荷載為800 kN對樁基的影響度最大為63%；坡度為60°，水平荷載為800 kN對樁基的影響度最大為67%。由此可以得出：陡坡坡腳從15°變化到60°，樁基水平承載力不變，即樁基周圍無巖溶發育區時，陡坡對樁基水平承載力影響不大。當水平荷載力為400～500 kN時，影響度值變化最大。結合圖6的位移曲線及文獻[11]，取水平位移6 mm對應的荷載為水平承載力，坡度0°，15°，30°，45°，60°對應的水平承載力分別為485，453，437，412，400 kN。

3.2 頂板厚度對樁基水平承載力的影響

圖8中5個圖分別代表了0°，15°，30°，45°，60°坡度作用下不同頂板厚度對樁頂水平位移的影響。由圖8可知，在頂板厚度不斷加大的過程中，樁頂水平位移在不斷減小，且變化趨勢相似，因此可以推算出，頂板厚度與樁基存在某種線形關系。根據文獻[8]，取樁頂位移6 mm對應的水平荷載為樁基水平承載力，結果見表4。

為了擬合樁基水平承載力與秦嶺陡坡和頂板厚度的關系，建立25組數值仿真模型，計算得到25組不同工況下的樁基水平承載力[12]，結果如表4所示。

“無溶洞”在數值上等于“頂板厚度無窮大”，與其他數據的結果差異過大，因此去掉無溶洞對應的5種試驗工況，即無溶洞，坡度0°；無溶洞，坡度15°；無溶洞，坡度30°；無溶洞，坡度45°；無溶洞，坡度60°。對剩余20組試驗結果進行線形回歸，得到樁基在溶洞和陡坡耦合作用下的水平承載力（f）：

f=13.947d-1.36？琢+394.198（3）

式（3）中，為陡坡坡角；d為頂板厚度。

對數值模擬與預測結果進行對比，如表5所示。由表5可以得知，誤差均控制在6%以內，效果較好。

3.3 工程驗證

十天高速公路（略陽—陜甘界段）某大橋右幅樁基位于斜坡上，其坡腳59°，樁徑1.5 m，樁長10 m，與本文中數值模擬模型一致，地質條件相似，且下方探測出存在巖溶發育區[13-14]。巖溶區域離樁底最近的距離為5.8 m，根據本文預測公式可知，該樁基的水平承載力為395 kN，與無溶洞、無陡坡相比，折減了18.56%。

4? 結論

本文以秦嶺山區陡坡橋梁工程為依托，建立數值仿真模型，分析了秦嶺陡坡橋梁樁基在巖溶發育區的水平承載力?？傮w上，橋梁樁基水平承載力與坡角呈負相關，與溶洞頂板厚度呈正相關；橋梁樁基礎在陡坡和溶洞的耦合作用下，水平承載力減小最多，最危險的工況可減小 33.2%；根據現有數值模擬結果，采取線形回歸，提出了適用于秦嶺陡坡橋梁工程穿越巖溶發育區的水平承載力預測公式。在此基礎上，本文認為，秦嶺山區高速公路橋梁選址盡量避免大面積巖溶發育區；若無法避免，可采取回填或加大樁長樁徑的措施。

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