巖溶地區超長樁基的豎向承載特性

李學友

中鐵二局第四工程有限公司， 成都 610031

溶洞大幅度降低了地基的整體強度和穩定性，給鐵路基礎工程設計和施工帶來較大難度。為確保鐵路工程的安全，設計中偏向于采用超長樁基來解決巖溶地基中通行問題。近年來，國內外學者對巖溶地區樁基工作特性開展了一系列研究。黃祥國等［1］通過數值模擬分析了幾種不同溶洞病害下豎直單樁的變形與受力情況，并對填充溶洞前后樁基的變形進行對比分析。張慧樂等［2］基于室內模型試驗，對巖溶區嵌巖樁承載能力的影響因素進行了研究，在考慮巖溶區基樁嵌巖段巖層與頂板整體承載效應及溶洞形狀對樁端極限承載力影響的基礎上，分析了巖溶區嵌巖樁樁端極限破壞模式。趙明華等［3］通過建立極坐標系得出溶洞區嵌巖樁發生沖切破壞、冒頂破壞的限定條件和極限承載力計算公式。龔成中等［4］對巖溶地區樁基承載特性進行了分析，提出巖溶地區樁基承載力確定方法。劉金礪等［5-6］通過大型群樁試驗，研究了不同豎向荷載下群樁效應、樁基沉降等工作性狀。值得注意的是，既有文獻多基于單樁和室內群樁模型試驗開展研究，對于巖溶地區超長群樁的承載特性認識尚有不足，復雜巖溶地基中樁基工作特性與無巖溶時的區別還不明確。

本文以南玉鐵路跨黎湛特大橋為背景，開展巖溶地區超長群樁基礎承載特性研究。根據工程實際場地條件，采用有限元軟件PLAXIS 2D建立數值計算模型，對比分析有無巖溶條件下地基中超長群樁荷載傳遞性狀及樁基受力差異，所得結果可為類似樁基工程建設提供理論依據。

1 現場條件

橋址區位于廣西壯族自治區興業縣東南側，主要跨越324號國道（DK161 + 828）和黎湛鐵路（DK162 +103）。高架橋橋位區溶洞較發育，沿垂直節理裂隙分布有串珠狀中小型溶洞。橋址區屬殘丘洼地，較為平坦，地面高程9 ~ 26 m，相對高差47 m。地層主要為泥盆系榴江組砂巖、灰巖，在地表覆蓋有較厚的第四系堆積物。地層巖性主要特征自上而下描述如下：①人工填土，主要分布于國道、簡易通鄉水泥路和土路的路基，厚1 ~ 5 m，含少量砂礫、圓礫土和建筑垃圾，稍濕，稍密 ~ 中密；②黏土，主要分布于地表，厚2.6 ~3.2 m，褐黃色為主，土質較均勻，軟塑 ~ 硬塑，軟塑；③砂巖，厚22.6 ~ 24.3 m，黃褐色為主，泥質粉砂結構，薄厚層狀構造，硅質膠結，強風化，節理裂隙發育，巖芯呈角礫狀，全風化；④灰巖，青灰色、灰白色，礦物成分以方解石為主，隱晶質結構，中厚層狀構造，節理裂隙較發育，巖芯多呈柱狀，滴鹽酸劇烈起泡，巖質堅硬，弱風化。場地地層分布見圖1，巖土層物理力學性能指標見表1。

表1 巖土層物理力學性能指標

圖1 地質剖面（單位：m）

樁基采用樁長106 m、樁徑1.5 m的C30鋼筋混凝土樁，樁間距3.36 m，施工工藝選用旋挖樁配合泥漿護壁。承臺采用C35混凝土，尺寸為20 m（長） × 0.8 m（寬） × 3.5 m（高）。平面布置見圖2。

圖2 樁基平面布置（單位：cm）

為分析施工過程中樁基工作特性，承臺施工完成后在其邊緣設置沉降監測點，在橋梁墩臺和上部結構施工過程中進行沉降追蹤監測。

2 有限元模擬

2.1 模型建立及計算參數

地基采用15節點高精度三角形單元進行離散，考慮到樁周巖土體的受力需要進行精細化模擬，因此對樁周地基網格進行局部加密處理。計算過程中地基巖土體本構模型采用摩爾-庫倫模型，其基本力學參數取值同表1。承臺、樁與土之間的接觸采用界面單元模擬，在每個界面均設置一個“虛擬厚度”，用來定義界面材料性質的假想尺寸，虛擬厚度因子默認值為0.1。在地基底面邊界，限制其豎直和水平方向位移；在土體兩側邊界，限制其水平方向位移。

取承臺側部投影①—⑥號樁建立模型。鋼筋混凝土承臺采用基于線彈性本構模型的實體單元模擬，樁身采用軟件自帶結構單元embedded pile模擬。承臺及樁身混凝土物理力學參數取值見表2。

表2 承臺及樁身混凝土物理力學參數

2.2 模型設置與加載工況

為對比分析有無溶洞地基中樁基的承載性能，分別建立相應的數值計算模型，見圖3。模型水平方向尺寸為106 m，豎直方向取樁長的兩倍，為212 m；模型溶洞形態按照現場實際情況設置。樁、承臺結構與土體之間的相互作用通過界面強度折減因子Rinter模擬，將模擬結果與文獻［7］對照，不斷調整參數，反演得到摩擦因數為0.53。

圖3 數值模型

地基模型在自重加載情況下生成初始地應力，對于有巖溶地基先將巖溶空腔部分的單元去除，然后對整個地基位移進行清零。為獲得樁基在不同荷載情況下的工作特性，在承臺頂分14級逐級施加靜態均布荷載，單級荷載為500 kN。盡管該樁基設計荷載為3 500 kN，為深入探索樁基承載特性，本次加載最終荷載選擇較大值7 000 kN。

2.3 計算結果與現場監測數據對比

為驗證數值模擬參數取值的合理性，同時為樁基極限承載數值研究提供技術依據，提取橋墩施工不同階段及架梁完成時沉降監測數據，將數值計算結果與監測值進行對比，見表3?？芍瑪抵涤嬎憬Y果與現場監測結果較吻合，誤差為0.08 ~ 0.4 mm，表明數值計算結果能較好反映現場樁基沉降及其變化趨勢。

表3 施工過程中承臺頂沉降

3 樁基承載特性分析

3.1 承臺頂及樁沉降特征

承臺頂荷載-沉降曲線見圖4?？芍杭虞d初期，樁頂部荷載-沉降近似呈線性“緩變型”關系，未出現顯著的陡降點，這與軟土中樁基的工作特性較為接近［8］。在相同荷載情況下，有溶洞地基承臺頂沉降大于無溶洞地基。當加載到一定程度后，該曲線開始呈現非線性特征。無溶洞地基拐點為5 500 kN，有溶洞地基拐點為4 500 kN，后者比前者較早呈現非線性工作特征。若將荷載-沉降曲線非線性拐點處荷載作為容許承載力，則溶洞的存在使得樁基容許承載力降低了22.2%。

圖4 承臺頂荷載-沉降曲線

為進一步分析各基樁工作特性，提取荷載4 500、7 000 kN時兩種地基中角樁（樁①）和中樁（樁③）樁頂、樁端處沉降數值（表4），在相同荷載下中樁樁頂沉降略小于角樁，有溶洞地基中樁身壓縮量大于無溶洞地基。以樁頂荷載7 000 kN時角樁為例，無溶洞地基樁頂沉降4.84 mm，樁端處沉降4.58 mm，得出樁身壓縮量為0.26 mm；有溶洞地基樁頂沉降6.72 mm，樁端沉降6.33 mm，得出樁身壓縮量0.39 mm。表明當地基中存在缺陷時，樁身自身的壓縮量將增大，工程設計時可適當提高樁身剛度。

表4 各基樁沉降

3.2 樁身軸力沿深度方向變化特征

超長樁基樁身軸力隨深度變化曲線見圖5。可知：隨著荷載增大，各樁樁身軸力均呈現增長趨勢，且角樁軸力（1號樁） > 邊樁軸力（2號樁） > 中樁軸力（3號樁）。同時，在表層人工填土和黏土地層中，樁身軸力略有增加，這主要是由于表層土體在受力作用下產生比樁體更大的變形，從而給樁體施加了向下的附加應力。

圖5 樁身軸力隨深度變化曲線

對于無溶洞地基，隨著深度增大樁身軸力逐漸減小。減小區段主要分為兩段：第一段位于強風化砂巖層內，其減小幅度略小，主要是由于砂巖處于強風化狀態，其樁側摩阻力相對完整基巖較弱；第二段位于弱風化灰巖層中，該區段樁身軸力衰減幅度較大，表明該地基中灰巖對樁基提供主要承載力?；規r區段樁身軸力隨深度呈現典型的“碗弧狀”分布，整個基樁表現出端承摩擦樁性狀。

與無溶洞地基不同，有溶洞地基中樁身軸力呈現復雜的變化趨勢，較典型現象是樁身軸力在溶洞區段出現局部增大，相同荷載下其樁底軸力約為無溶洞地基中樁底軸力的2倍，這主要是由于溶洞區域對于樁基提供的樁側摩阻力相對有限，其承載需要樁端地基提供足夠的端阻力。同時，樁體自身重力作用使得樁身軸力在溶洞懸空段出現增加。

3.3 樁側摩阻力分布特征

樁側摩阻力分布曲線見圖6。可知：無溶洞地基中樁基左右兩側的摩阻力相差較小，中樁兩側的摩阻力基本吻合，邊樁左側摩阻力略大于右側摩阻力，這主要是由于邊樁左側位于外側，樁土之間位移相對樁右側略大，能夠調動更多的樁側摩阻力抵抗上部荷載。與無溶洞地基相比，有溶洞地基中角樁和邊樁的兩側側摩阻力均不相同，角樁（1號樁）樁身上部側摩阻力的變化幅度大于中樁（3號樁），而在樁端附近則呈現相反的規律，但其區域較小。此外，無溶洞地基中基樁樁側僅在近地表附近出現小幅度的樁側負摩阻力，負摩阻力最大值僅為-26 kPa，而有溶洞地基中負摩阻力最大值出現在地面以下25 m左右，其值為-80 kPa，后者是前者的3.08倍，且后者出現樁側負摩阻力的區域要大于前者。

圖6 有無溶洞地基中樁側摩阻力分布曲線

無溶洞地基中中性點位于地面以下18 m左右，而有溶洞地基中性點比無巖溶地基中性點低2 m，且有溶洞地基中出現較大區段摩阻力為0的區域。盡管灰巖地基相對于軟土地基能夠提供更多的側向約束和端部承載力，然而并非將樁端放在基巖上即可確保足夠的安全性。當地基中存在溶洞時需要對溶洞進行特殊處理，以保證樁側摩阻力的充分發揮和合理分布。

3.4 樁彎矩分布特征

角樁（1號樁）和中樁（3號樁）樁身彎矩分布見圖7?？芍簾o溶洞地基中樁身彎矩較小，而有溶洞地基中樁身某些深度處出現了較大的彎矩值，其位置基本與溶洞分布位置一致。同時，角樁樁身彎矩比中樁略大，這主要是由于角樁附近的約束作用沒有中樁附近大，中樁附近由于巖體的嵌固作用和周邊樁體的約束作用，其樁周應力不均勻現象得到改善，因而呈現出略小的彎矩值。對于有溶洞地基，樁身彎矩最大值在邊樁位于地面以下25 m左右，其值為63 kN·m，其后隨著深度增加樁身彎矩逐漸減小，當深度達到地面以下85 m左右時彎矩為9.6 kN·m，表明淺層溶洞對于樁身彎矩影響較大，在工程設計中可據此優化樁基的配筋設計。

圖7 有無溶洞樁身彎矩分布

3.5 地基變形形態與應力特征

地基變形分布與應力狀態見圖8、圖9?？芍孩佼敶嬖谌芏磿r，地基中應力的分布不均勻性增大，特別是存在串珠狀溶洞時，不同溶洞之間應力分布更為復雜，直接影響到地基中樁基周圍的應力分布，進而對樁基摩阻力產生影響。當樁頂荷載從4 500 kN增大到5 500 kN時，雖然地基中應力總數值沒有增大，但是溶洞周圍的應力增大，并且其不均勻性也隨之增大。②當樁頂施加荷載時，地基中變形最大位置始終位于承臺下部。有溶洞地基中位移較大區域的面積大于無溶洞地基，且前者是后者的1.6倍左右。當無溶洞時，地基中位移呈對稱分布，其等值線呈盆狀；當有溶洞時，地基中位移等值線在溶洞周圍局部彎折。由于本研究中地基中溶洞分布并不對稱，因此地基中溶洞附近變形和應力分布也不對稱，這將加劇樁身軸力分布的不均勻性。③隨著承臺頂部荷載的施加，樁基向下部地基中進行應力的傳遞和擴散，并在溶洞之間形成較為明顯的應力集中現象。這種現象一方面使得地基的沉降增大，另一方面使得溶洞周圍的變形呈現不規則形狀。

圖8 無溶洞地基應力和位移分布（應力單位：Pa；位移單位：mm）

圖9 有溶洞地基應力和位移分布（應力單位：Pa；位移單位：mm）

4 結論

1）巖溶發育時樁基的容許承載力比無溶洞地基中樁基削弱了22.2%。溶洞的存在一定程度上減弱了地基的剛度，同時造成了復雜的應力重分布現象。

2）有溶洞發育地基中樁身軸力除出現局部增大現象外，相同荷載下其樁底軸力約是無溶洞地基中樁底軸力的2倍，表明有溶洞地基為樁基提供的樁側摩阻力相對有限，需樁端地基提供足夠的端阻力。

3）當樁身穿過多個串珠狀溶洞時，由于溶洞發育區沒有地基約束，側摩阻力為0，彎矩出現較大波動，局部呈現往復型曲線，且最外側基樁彎矩最大，易發生破壞，必要時應對溶洞進行處理。

4）無溶洞時，地基中位移呈對稱分布，其等值線呈盆狀；有溶洞時，地基中位移等值線在溶洞周圍局部彎折，這將加劇樁身軸力分布的不均勻性，進而可能導致樁基局部失效。