嵌巖樁承載力影響因素?cái)?shù)值分析

劉會(huì)球

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嵌巖樁承載力影響因素?cái)?shù)值分析

劉會(huì)球

(中鐵二十五局集團(tuán)第三工程有限公司，湖南 長沙 410001)

基于韶山某鐵路橋梁工程，應(yīng)用FLAC3D對(duì)橋梁地基嵌巖樁進(jìn)行數(shù)值模擬，研究溶洞直徑、頂板厚度、嵌巖深度對(duì)嵌巖樁承載力的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：溶洞直徑越大，嵌巖樁承載力越低；增大頂板厚度可減小嵌巖樁沉降，當(dāng)頂板厚度增加至一定值則沉降減小不明顯；嵌巖深度越大嵌巖樁沉降越小，當(dāng)嵌巖深度達(dá)到一定值則沉降減小不明顯。

嵌巖樁；溶洞直徑；頂板厚度；嵌巖深度；FLAC3D

巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件往往較復(fù)雜，橋梁樁基嵌巖樁承載力不僅與其嵌巖深度有關(guān)，還與溶洞的分布情況相關(guān)[1?2]。我國關(guān)于巖溶地區(qū)嵌巖樁豎向承載力的研究并不多，對(duì)嵌巖樁的沉降分析也較少。在實(shí)際工程中通常會(huì)對(duì)溶洞安全厚度進(jìn)行檢算，對(duì)滿足厚度檢算的嵌巖樁按照一般嵌巖樁考慮，該算法忽略了下方溶洞對(duì)嵌巖樁承載力及沉降的影響，但溶洞會(huì)使嵌巖樁承載機(jī)理發(fā)生較大改變，尤其是不良地質(zhì)的溶洞遇較大荷載可能發(fā)生塌陷，因此嵌巖樁在巖溶地區(qū)實(shí)際承載情況還有待進(jìn)一步研 究[3?4]。國內(nèi)外有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)溶洞地區(qū)的嵌巖樁展開理論研究。周棟梁等[5]利用ABQUS軟件對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)溶洞嵌巖樁的承載特性的影響進(jìn)行分析，模擬結(jié)果表明溶洞范圍內(nèi)的樁身無法提供側(cè)摩阻力，遠(yuǎn)離溶洞的巖層側(cè)摩阻力依舊有效，距溶洞1 d(為嵌巖樁直徑)以上側(cè)摩阻力基本不受影響，相比于無溶洞的情況，溶洞上方樁側(cè)摩阻力有所削弱，溶洞下方樁側(cè)摩阻力有所增強(qiáng)。趙昌清等[6]采用MIDAS對(duì)巖溶地區(qū)大孔徑樁承載力進(jìn)行模擬，結(jié)果表明溶洞頂板厚度、溶洞高度和樁周巖體彈性模量是影響樁基承載力的主要因素，溶洞頂板厚度從2 d到10 d增加的過程中，沉降不斷減小，溶洞高度越大則沉降越大，樁周巖體彈性模量增大會(huì)略微減小沉降，但彈性模量降低會(huì)迅速增大沉降量。趙明華等[7]基于突變理論建立了巖溶區(qū)嵌巖樁承載力及下伏溶洞頂板安全厚度確定的尖點(diǎn)突變模型，通過溶洞頂板穩(wěn)定與失穩(wěn)分析可得到溶洞頂板發(fā)生突變的必要條件，根據(jù)必要條件可計(jì)算溶洞最小安全厚度和樁端承載力。ZHANG等[8]對(duì)巖溶地區(qū)嵌巖樁模型失效條件進(jìn)行研究，對(duì)多種影響因素進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)塑性模型和撕裂模型在一定條件下易坍塌失效，失效條件主要根據(jù)溶洞頂板厚度和溶洞半徑大小，并可總結(jié)出計(jì)算公式計(jì)算失效情況。WANG等[9]采用三維有限元數(shù)值模擬分析溶洞對(duì)嵌巖樁承載力的影響，分析了樁的直徑、溶洞頂板厚度、溶洞直徑、溶洞幾何偏心對(duì)嵌巖樁承載能力的影響，并提出了相應(yīng)的修正系數(shù)。我國巖溶地區(qū)施工情況較多，但對(duì)嵌巖樁承載力和沉降的影響分析不夠完備，尤其是對(duì)溶洞處于嵌巖樁正下方情況的數(shù)值模擬較少，本文基于韶山某鐵路段地質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)巖溶地區(qū)溶洞處于嵌巖樁下方的情況采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，得出溶洞直徑、頂板厚度、溶洞深度對(duì)嵌巖樁地基沉降的影響規(guī)律，為相似工程提供數(shù)值分析和參考。

1 數(shù)值分析

1.1 工程概況

韶山鐵路橋梁工程段地質(zhì)條件復(fù)雜，距離地表0~7 m為人工覆蓋層，在距離地表7~18 m的土層為粉質(zhì)黏土，18 m以下為中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，在距地表28~35 m處存在軟塑狀粉質(zhì)黏土填充的溶洞，溶洞直徑最大的有4 m，再往下為中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r。勘查結(jié)果表明該地段溶洞主要存在于地層較深處，處于嵌巖樁正下方的溶洞較多，雖然溶洞具有一定頂板厚度，但在上部荷載的作用下溶洞本身產(chǎn)生變形，且溶洞對(duì)嵌巖樁承載力有一定削弱作用，因此對(duì)巖溶地區(qū)嵌巖樁進(jìn)行數(shù)值模擬具有必要的研究價(jià)值。

1.2 模型建立及邊界條件

取該鐵路橋梁工程某支墩下方嵌巖樁地基作為研究對(duì)象，根據(jù)施工地質(zhì)情況建立相應(yīng)模型并建立對(duì)應(yīng)邊界條件。根據(jù)施工資料，承臺(tái)尺寸為10.5 m×10.5 m×3 m，樁直徑為1.5 m，單個(gè)承臺(tái)下設(shè)6根嵌巖樁，樁長為25 m，樁間距為4 m。將承臺(tái)單元?jiǎng)澐譃?00(10×10×3)個(gè)，將土層按地質(zhì)勘察情況進(jìn)行分層，距承臺(tái)底0~18 m土層設(shè)為粉質(zhì)黏土，單元體個(gè)數(shù)為1 800(10×10×18)，再往下為13 m的中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，單元數(shù)為1 300(10×10× 13)。樁和溶洞為模擬分析重點(diǎn)，因此要細(xì)分其單元，樁單元總數(shù)為12 000(2 000×6)，溶洞的位置為距承臺(tái)底31 m處，將溶洞按照直徑為4 m的球體進(jìn)行近似處理，溶洞部分受力較為復(fù)雜因此單元數(shù)設(shè)為3 825個(gè)。

圖1 模型示意圖

對(duì)模型=0面(即模型底面)約束其，和Z 3個(gè)方向上的節(jié)點(diǎn)位移；對(duì)模型=0、=10.5 2個(gè)面限制其方向節(jié)點(diǎn)位移；對(duì)模型=0、=10.5處的兩個(gè)面限制其方向節(jié)點(diǎn)位移。

1.3 參數(shù)賦值

嵌巖樁與樁側(cè)土之間的接觸需要采用接觸面來模擬變形，如果直接施加荷載會(huì)導(dǎo)致位移不連續(xù)，土體沉降大于樁沉降，因此在模擬過程中必須設(shè)置接觸面來反映樁和土體之間的剪切滑移或侵入行為，以便更好模擬樁和樁側(cè)土的共同作用。接觸面模型為庫倫剪切模型，由一系列具有節(jié)點(diǎn)的三角形單元組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相關(guān)面積，當(dāng)其它網(wǎng)格面相接觸時(shí)，則接觸面節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生，接觸面所受的力由目標(biāo)方位決定。FLAC3D中對(duì)接觸面采用單面接觸，根據(jù)接觸面節(jié)點(diǎn)和其它網(wǎng)格體絕對(duì)法向刺入量以及相對(duì)剪切速度來計(jì)算法向力和切向力大小。根據(jù)FLAC3D中對(duì)接觸面參數(shù)取值的要求，接觸面參數(shù)取值如表1。

結(jié)合現(xiàn)場勘測資料及相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)，確定模型參數(shù)見表2所示。

表1 接觸面參數(shù)

表2 模型力學(xué)參數(shù)

1.4 計(jì)算步驟

模型建立好并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行正確賦值后將結(jié)構(gòu)分2步進(jìn)行計(jì)算，首先設(shè)置重力并在自重條件下按照彈性體模型進(jìn)行平衡，將最大不平衡力變化率設(shè)置為1×10?5，使受力變形充分，之后將自重下的位移歸零。之后施加55 kN/m2的橋墩外荷載，方向豎直向下，并求解在該狀態(tài)下的受力和變形。

1.5 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)計(jì)算可得嵌巖樁沉降云圖、嵌巖樁豎向應(yīng)力云圖、地基沉降云圖及地基豎向應(yīng)力云圖。

圖2 地基沉降云圖

圖3 地基總應(yīng)力云圖

圖4 嵌巖樁Z軸方向位移云圖

圖5 嵌巖樁Z軸方向應(yīng)力云圖

在承臺(tái)頂部施加55 kN/m2的橋墩荷載后，對(duì)地基受力和沉降進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，地基最大豎向位移為35.6 mm，最大位移處為地基頂面，樁頂位移最大為24.9 mm，樁底位移達(dá)到了19.4 mm，由于底面完全固定限制了位移，因此模型底面位移為0。地基最大豎向應(yīng)力處位于模型底部為12.2 MPa，頂部的應(yīng)力為0.6 MPa，而根據(jù)樁的豎向應(yīng)力云圖可知樁身最大應(yīng)力位于嵌巖樁底部為7.8 MPa。在實(shí)際施工中，會(huì)針對(duì)溶洞特點(diǎn)采取注漿、回填等方式處理溶洞，若溶洞深度較大，則會(huì)不考慮溶洞對(duì)承載力影響，現(xiàn)場監(jiān)測沉降小，沉降值稍微高出模擬結(jié)果，因此沉降與模擬結(jié)果吻合程 度高。

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可知，該承臺(tái)下的地基沉降滿足規(guī)范要求，嵌巖樁受力也未超過其承載能力，因此該溶洞地質(zhì)條件的樁基符合工程質(zhì)量要求。但想要研究溶洞直徑，溶洞頂板厚度、嵌巖深度對(duì)嵌巖樁承載力的影響規(guī)律，直接通過工程試驗(yàn)去研究顯然不可能，因此可以采用FLAC3D進(jìn)行研究，得出各因素影響規(guī)律。

2 溶洞直徑、頂板厚度、嵌巖深度對(duì)嵌巖樁承載力的影響

工程中的不同的溶洞大小、溶洞所處的位置極其頂板厚度的大小、嵌巖樁的嵌巖深度均對(duì)嵌巖樁承載力有一定影響，工程中對(duì)溶洞幾何尺寸和位置等只有系統(tǒng)的規(guī)定，控制嵌巖深度要在5 m以上。但我國對(duì)溶洞存在情況下，地基受力變形和嵌巖樁承載情況研究較少，因此本文采用FLAC3D分析溶洞直徑、溶洞頂板厚度、嵌巖深度對(duì)嵌巖樁承載力的影響。

2.1 溶洞直徑對(duì)嵌巖樁沉降影響分析

為了研究溶洞直徑對(duì)嵌巖樁的承載力及沉降的影響，將溶洞頂板厚度保持為3 m不變，改變?nèi)芏粗睆?，采用FLAC3D分別對(duì)直徑為1~6 m的溶洞分6組進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬示意圖如圖6。

圖6 溶洞示意圖

為全面考慮溶洞對(duì)樁頂沉降影響，應(yīng)同時(shí)取左邊緣1號(hào)樁中間2號(hào)樁和作為研究對(duì)象，同時(shí)記錄1號(hào)樁樁頂和2號(hào)樁樁頂?shù)奈灰谱鳛檠芯繀?shù)，并將結(jié)果列于表2。

表2 溶洞直徑對(duì)沉降影響

根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)1號(hào)和2號(hào)嵌巖樁的沉降統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其它條件不變時(shí)，溶洞直徑對(duì)左邊緣1號(hào)樁中間2號(hào)樁的沉降差并沒有影響，這表明在一定的溶洞頂板厚度的情況下，溶洞直徑大小對(duì)嵌巖樁之間沉降差不會(huì)造成影響。但樁頂沉降會(huì)隨著溶洞直徑增大而增大，并且增長速率也會(huì)增大，說明溶洞直徑對(duì)嵌巖樁沉降有較大影響，尤其是大直徑溶洞對(duì)工程危害極大。

2.2 溶洞頂板厚度對(duì)嵌巖樁沉降影響

溶洞頂部至嵌巖樁底部的垂直距離為溶洞頂板厚度，由于巖溶區(qū)樁端持力巖層安全厚度影響因素較多，因此目前我國現(xiàn)行公路及鐵路規(guī)范尚未對(duì)溶洞頂板厚度有明確規(guī)定，目前僅部分國家建筑規(guī)范對(duì)此有一定規(guī)定，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007—2011中要求頂板厚度必須大于3倍獨(dú)立基礎(chǔ)底寬或大于6倍條形基礎(chǔ)底寬[10]。因此我國對(duì)溶洞頂板厚度的研究尚不完備。為研究溶洞頂板厚度對(duì)嵌巖樁沉降的影響，采用FLAC3D分別對(duì)溶洞頂板厚度為1，2，3，4，5和6 m的情況進(jìn)行研究，分別記錄1號(hào)樁和2號(hào)樁的樁頂沉降。

表3 頂板厚度對(duì)沉降影響

根據(jù)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)可知，溶洞頂板厚度對(duì)嵌巖樁沉降有較大影響，當(dāng)溶洞頂板為1 m厚時(shí)，嵌巖樁均出現(xiàn)較大沉降，且由于溶洞處于2號(hào)樁正下方，2號(hào)樁樁底出現(xiàn)236. 3 mm的過大沉降，而且2號(hào)中間樁與1號(hào)邊緣樁之間出現(xiàn)過大沉降差，工程無法滿足承載要求。增大溶洞頂板厚度會(huì)讓樁底沉降迅速減小，沉降減小幅度隨頂板厚度增大而減小，當(dāng)頂板厚度增加至5 m時(shí)，頂板厚度對(duì)沉降影響很小，增大頂板厚度也使嵌巖樁之間樁頂沉降差減小。因此可得出結(jié)論，溶洞頂板厚度過小對(duì)嵌巖樁沉降有較大影響，施工時(shí)應(yīng)不可忽略溶洞造成的影響，當(dāng)頂板厚度增加至某個(gè)定值，則可忽略溶洞影響，工程上可將其作為普通嵌巖樁處理。

2.3 嵌巖深度對(duì)嵌巖樁沉降影響

要減小地基沉降提高嵌巖樁承載力必須有足夠的嵌巖深度，工程中嵌巖樁嵌巖深度要求大于5 m，為研究嵌巖深度對(duì)嵌巖樁的影響，將嵌巖深度分為2，4，6，8，10和12 m進(jìn)行研究，記錄2號(hào)樁樁頂沉降，結(jié)果如圖7所示。

圖7 嵌巖深度對(duì)沉降影響

根據(jù)沉降曲線結(jié)果可知，嵌巖深度越大，樁頂沉降越小，當(dāng)嵌巖深度達(dá)到一定值，則樁頂沉降減小變化不明顯。在工程中嵌巖深度越大施工成本越高，因此要根據(jù)具體工程地質(zhì)情況確定嵌巖樁嵌巖深度。

3 結(jié)論

1) 溶洞直徑越大嵌巖樁樁頂沉降越大，且沉降增大的速率隨溶洞直徑變大而增長。本模擬中對(duì)直徑超過2 m的溶洞，都應(yīng)考慮其降低嵌巖樁承載能力，不能視為一般嵌巖樁。

2) 溶洞頂板厚度越大，嵌巖樁沉降越小，當(dāng)頂板厚度增加至4 m，沉降減小速率變小。本模擬中對(duì)超過4 m頂板厚度的溶洞，可不考慮其對(duì)嵌巖樁的影響。

3) 嵌巖深度越大，嵌巖樁沉降越小，但隨嵌巖深度的增大，沉降減小的速率變小。本模擬中當(dāng)嵌巖深度超過8 m，對(duì)嵌巖樁沉降減小的作用可忽略不計(jì)。

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(編輯 涂鵬)

Numerical analysis of rock socketed pile

LIU Huiqiu

(China Railway 25 Bureau Group 3 Engineering Co. Ltd, Changsha 410001, China)

This paper is based on railway bridge engineering in Shaoshan. Numerical simulation of rock-socketed pile is carried out by FLAC3D. Analyzing the influence of the diameter of the karst cave, thickness of the roof, the depth of rock-socketed. Research found that the larger the diameter of the cave, the larger the settlement of rock-socketed pile. Increasing roof thickness can reduce the settlement of rock-socketed pile, and when the roof thickness increases to a certain value, the settlement is less obvious. The larger the rock-socketed depth, the smaller the settlement of the rock-socketed pile, and the settlement reduction is not obvious when the rock-socketed depth reaches a certain value.

rock-socketed pile; the diameter of karst cave; roof thickness; the depth of rock-socketed; FLAC3D

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.10.012

TU446

A

1672 ? 7029(2018)10 ? 2535 ? 06

2017?09?23

劉會(huì)球(1973?)，男，湖南祁東人，高級(jí)工程師，從事土木工程施工管理研究；E?mail：993614781@qq.com