橋梁樁基下穿串珠狀溶洞承載特性及穩(wěn)定性研究

姚成玉 （池州市公路管理服務(wù)中心，安徽 池州 247000）

1 引言

我國(guó)地質(zhì)情況復(fù)雜，巖溶分布廣泛，大量在建的交通工程都不可避免地會(huì)遇到巖溶地質(zhì)問(wèn)題，而皖南山區(qū)巖溶地質(zhì)情況更加復(fù)雜，常存在多個(gè)溶洞交錯(cuò)分布的情況，對(duì)該地區(qū)地樁基建設(shè)或其他基礎(chǔ)工程建設(shè)造成巨大影響。

黎斌等采用三維有限元法分析了樁基下伏溶洞頂板應(yīng)力分布情況，并提出了樁基底端距溶洞頂板臨界距離的回歸預(yù)測(cè)方程；汪稔等運(yùn)用定性分析、結(jié)構(gòu)力學(xué)的半定量分析方法和三維有限定量計(jì)算手段，對(duì)橋墩下伏溶洞頂板厚度進(jìn)行了研究；戴自航等采用ABAQUS建立巖溶區(qū)路堤的三維數(shù)值模型，分析了頂板厚度、溶洞位置及溶洞充填情況，對(duì)路堤及溶洞頂板穩(wěn)定性的影響；柏華軍等合理簡(jiǎn)化溶洞頂板持力層模型，綜合考慮頂板沖切、剪切和彎拉破壞模式，提出考慮頂板自重影響的頂板安全厚度計(jì)算方法；黃明等分析樁基下穿串珠狀溶洞的荷載傳遞特征及不同因素的影響規(guī)律，揭示樁基與串珠狀溶洞的耦合作用過(guò)程；李金良等利用ABAQUS對(duì)不同溶洞頂板厚度的樁基承載能力進(jìn)行研究，得出了頂板厚度對(duì)單樁極限承載力以及變形的影響規(guī)律和樁側(cè)、樁端的荷載傳遞特性。鄧尚強(qiáng)運(yùn)用Plaxis2D建立了有限元模型，分析單樁連續(xù)穿越串珠狀溶洞時(shí)的受力變形性狀，并分析樁周巖土體的位移及應(yīng)力分布規(guī)律。

本文結(jié)合皖南巖溶地區(qū)秋浦河大橋橋梁樁基工程，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)不同溶洞頂板厚度、不同溶洞充填情況下群樁基礎(chǔ)的承載特性進(jìn)行模擬，并橫向?qū)Ρ攘藰痘c溶洞不同位置下樁基受力變形規(guī)律，以期為皖南巖溶地區(qū)的樁基工程提供理論指導(dǎo)。

2 工程概況

秋浦河大橋全長(zhǎng)634.75m，全橋基礎(chǔ)均采用群樁基礎(chǔ)，8#～11#墩為跨河主橋，樁基共36根，其中8、11墩樁基各8根，樁徑1.6m，樁長(zhǎng)15m～36m不等；9、10墩樁基各10根，樁徑1.6m，樁長(zhǎng)20m～61m不等。本文選擇9-8#橋墩進(jìn)行研究，該橋墩長(zhǎng)44m，連續(xù)穿越兩個(gè)溶洞，具有較強(qiáng)代表性。

秋浦河大橋橋位區(qū)地貌類型屬于低山區(qū)山洼溝谷亞區(qū)，地形起伏較大。工程地質(zhì)自上而下分述如下：①卵石：灰褐色，稍密—中密狀，呈次棱—次圓角狀，粒徑主要在2mm～100mm間，個(gè)別大于100mm，其中d>20mm的顆粒質(zhì)量約占總質(zhì)量的50%～60%；母巖的主要成分為石英砂巖、礫巖、硅質(zhì)巖等。充填物為中細(xì)砂和粘性土（卵石層15m～20m不等）。②中風(fēng)化灰?guī)r：灰、粗灰及灰白色，致密質(zhì)純，厚層狀，塊狀構(gòu)造，本段巖石裂隙較發(fā)育，中等風(fēng)化，巖面存在溶蝕現(xiàn)象，局部巖芯較為破碎，大部巖芯較完整。③溶洞：砂礫石和粘性土全充填或半充填（最大溶洞達(dá)30m)。④中風(fēng)化灰?guī)r：灰、粗灰及灰白色，致密質(zhì)純，厚層狀，塊狀構(gòu)造，本段巖石裂隙較發(fā)育，中等風(fēng)化，巖面存在溶蝕現(xiàn)象，局部巖芯較為破碎，大部巖芯較完整。

3 計(jì)算模型

綜合考慮邊界影響及求解速率，本文只選取模型的一半進(jìn)行計(jì)算，如圖1所示。橋梁樁直徑1.6m，長(zhǎng)44m，為減少邊界影響，模型區(qū)域選取10倍樁徑，構(gòu)建30m×15m×50m的模型，底部設(shè)為全約束，四周邊界設(shè)為側(cè)向約束，頂部設(shè)為自由邊界。本文中假設(shè)溶洞位于樁基正下方，上下兩個(gè)溶洞簡(jiǎn)化為矩形，尺寸分別為10m×5m×4m和10m×5m×2m，兩溶洞垂直距離1m，溶洞以松散砂土及軟塑狀黏土充填。為簡(jiǎn)化計(jì)算，作以下假設(shè)：巖土體選用摩爾庫(kù)倫模型，樁體選用彈性模型，樁土接觸選用接觸面模擬，不考慮地下水位影響。根據(jù)工程勘察報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，相關(guān)材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 三維計(jì)算模型

模型力學(xué)參數(shù)表 表1

計(jì)算時(shí)通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：①進(jìn)行地應(yīng)力平衡，土層及溶洞在自重作用下達(dá)到初始平衡狀態(tài)；②位移速度清零，進(jìn)行樁基施工過(guò)程模擬，得到樁基施工后的應(yīng)力狀態(tài)；③模型位移速度清零，進(jìn)行樁基的加載試驗(yàn)，按每級(jí)5000kN進(jìn)行加載。通過(guò)建立大量數(shù)值模型，設(shè)置1D、2D、3D頂板厚度的不同工況，分析了不同溶洞頂板厚度下的樁基變形穩(wěn)定性及其應(yīng)力狀態(tài)。

4 結(jié)果分析

4.1 樁頂位移

圖2為不同溶洞頂板厚度下，樁頂位移與豎向荷載的關(guān)系曲線。見(jiàn)圖2所示，在不同頂板厚度下，橋梁樁基在豎向荷載下的Q-s曲線都表現(xiàn)相似的沉降規(guī)律，隨著荷載的不斷增大，樁頂位移也持續(xù)增大。但由于溶洞頂板厚度的影響，樁頂位移在不同頂板厚度下存在差異。在外部荷載較小時(shí)，不同厚度下樁頂位移相差較?。浑S著荷載的不斷增大，頂板厚度2D和3D的樁頂位移相差較小，可知頂板厚度增大到一定值時(shí)，對(duì)樁基抵抗變形的發(fā)揮的作用逐漸減小。如果以40mm沉降確定樁基的極限承載能力，則溶洞頂板厚度為1D時(shí)樁基承載力為22354.84kN，頂板厚度為2D樁基承載力為25897.93kN，頂板厚度為3D樁基承載力為27579.62kN，可知厚度為1D時(shí)的極限承載力為厚度為2D的86.3%，僅為頂板厚度3D的81.1%。

圖2 不同溶洞頂板厚度的Q-s曲線

4.2 最大剪應(yīng)力

圖3為不同溶洞頂板厚度下的最大剪應(yīng)力云圖。見(jiàn)圖3所示，樁頂荷載為5000kN時(shí)，溶洞頂板越厚，巖體所受的最大剪應(yīng)力越小。巖體剪應(yīng)力主要集中在溶洞和樁端附近，溶洞頂板處的剪應(yīng)力與樁基接觸部位為中心，逐漸向四周發(fā)展，并形成連通的應(yīng)力路徑，其與水平方向的夾角，隨著溶洞頂板的增大而增大。上方溶洞頂板的應(yīng)力影響區(qū)域更大，可知當(dāng)樁基穿越串珠狀溶洞時(shí)，上方溶洞更容易發(fā)生破壞。

圖3 不同頂板厚度最大剪應(yīng)力云圖（樁頂荷載Q=5000kN）

當(dāng)頂板厚度為1D時(shí)，溶洞頂板最大剪應(yīng)力為2.23MPa，位于上部溶洞頂板遠(yuǎn)離樁基，靠近內(nèi)墻位置；當(dāng)頂板厚度為2D、3D時(shí)，最大剪應(yīng)力分別為1.16MPa、1.08MPa，且最大剪應(yīng)力都位于下部溶洞的頂板與樁基接觸位置。隨著溶洞頂板厚度的增大，上部溶洞頂板與樁接觸部位的剪應(yīng)力減小，減小區(qū)域不斷擴(kuò)大，但下部溶洞頂板的剪應(yīng)力會(huì)持續(xù)增大。同時(shí)可知，頂板厚度2D時(shí)最大剪應(yīng)力明顯小于頂板厚度1D，但當(dāng)頂板厚度增大到3D時(shí)，其最大剪應(yīng)力減小幅度變小，可知溶洞頂板厚度增大到一定值后，對(duì)溶洞受力狀態(tài)的改變減小。

見(jiàn)圖4所示，隨著外部荷載的不斷增大，樁端阻力也不斷增大。第一個(gè)溶洞的最大剪應(yīng)力值大于第二個(gè)溶洞，可知在樁基下穿串珠狀溶洞時(shí)，只有第一個(gè)溶洞的側(cè)摩阻力得到充分發(fā)揮，下部溶洞的側(cè)摩阻力發(fā)揮有限。在外部荷載較小時(shí)，樁基荷載的傳遞主要發(fā)生在溶洞區(qū)域，由溶洞頂板向兩側(cè)發(fā)展，但隨著外部荷載的持續(xù)增大，樁基與巖體的側(cè)摩阻力充分發(fā)揮時(shí)，樁端阻力也會(huì)發(fā)揮作用，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，能夠充分利用基巖的承載能力，承載性能繼續(xù)增大。

圖4 不同荷載下最大剪應(yīng)力云圖（溶洞頂板厚度2D）

5 結(jié)論

本文選取皖南地區(qū)串珠狀溶洞地層橋梁樁基工程為依托，通過(guò)建立數(shù)值模型，分析了不同溶洞頂板厚度下橋梁樁基受力變形特性，得出以下結(jié)論：

①隨著溶洞頂板厚度的增加，樁基的極限承載能力顯著增大，但溶洞頂板到達(dá)一定厚度時(shí)，對(duì)樁基承載能力的影響減??；

②隨著頂板厚度的增加，溶洞的最大剪應(yīng)力減小，可以有效地改善溶洞區(qū)域的受力狀態(tài)，但當(dāng)頂板厚度增加一定值時(shí)，對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的改變幅度減小。隨著溶洞頂板厚度的增大，上部溶洞頂板與樁接觸部位的剪應(yīng)力減小，減小區(qū)域擴(kuò)散范圍增大，但下部溶洞頂板的剪應(yīng)力會(huì)持續(xù)增大；

③外荷載不斷增大，樁端出現(xiàn)應(yīng)力集中，樁端阻力發(fā)揮作用，樁基承載性能繼續(xù)增大。