基于有限差分的高層建筑樁基下溶洞模擬方法

甘海峰 陳 峰 祝向文 石 強 肖 湘

我國地勢結(jié)構(gòu)上具備一定特殊性，巖溶發(fā)育廣泛，并且具備分布面積廣、類型繁多等特點。溶洞是指在地下水運動的作用下，從巖溶通道當中運移，進而使得可溶巖受到溶蝕、沖蝕等作用形成的地下洞穴結(jié)構(gòu)。當前溶洞在可溶巖區(qū)域當中分布十分廣泛，并且大部分位于可溶巖的斷層結(jié)構(gòu)和裂縫結(jié)構(gòu)當中[1]。溶洞的形式會使周圍基巖產(chǎn)生不完整問題，進而使其力學性能在一定程度上受到限制，最終導致基巖的承載力降低。若在溶洞上方完成對高層建筑的建設，則需要在充分明確建筑樁基下方溶洞具體變化情況的基礎上，才能夠通過合理的措施，促進基巖的承載力提升，并保證高層建筑的施工以及后期使用的安全[2]。

在上述內(nèi)容的基礎上，應在高層建筑樁基下溶洞施工時，全面考慮巖層基石的下深深度，但根據(jù)實際情況，下層巖溶進深往往較大，因此很難成樁，造成施工難度進一步增加。為了充分考慮在溶洞上完成建筑樁基建設的可行性，并為巖溶區(qū)域的工程設計和施工提供更可靠的技術支撐和依據(jù)，本文采用有限差分軟件，開展對高層建筑樁基下溶洞模擬方法的設計研究。

1 基于有限差分的高層建筑樁基下溶洞分析

1.1 高層建筑樁基下溶洞失穩(wěn)分析

在對高層建筑樁基施工下方的溶洞進行模擬前，首先需要對溶洞的失穩(wěn)機理進行分析。通常情況下，溶洞出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象是受到巖層垮塌或側(cè)壁巖體被破壞等因素影響。針對結(jié)構(gòu)中頂板層整體厚度不足的溶洞而言，失穩(wěn)同時會伴隨著溶洞的脆性破壞；針對結(jié)構(gòu)中頂板層整體厚度較大的溶洞而言，失穩(wěn)的同時會伴隨著整體滑移的破壞[3]。

針對樁基下方的溶洞結(jié)構(gòu)，其樁端加載面對于基巖整體的起伏而言影響程度不大，因此在后續(xù)模擬時可忽略不計。綜合分析得出，溶洞的失穩(wěn)主要受到局部荷載作用的影響[4]。為了方便后續(xù)模擬，還需要對整個巖體結(jié)構(gòu)面進行切割，并確定溶洞的展布方式。通常情況下，溶洞的展布分為單層和串珠狀2 種。

1.2 高層建筑樁基溶洞模擬范圍和邊界條件

明確高層建筑樁基下溶洞失穩(wěn)機理后，應持續(xù)進行模擬過程中有效范圍與邊界條件的設定。在后續(xù)對其模型的構(gòu)建時，需要充分考慮到高層建筑樁基施工的安全性；可在模擬過程中，設定地表層為模擬邊緣范圍，從地表逐步下深到巖基結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際工況條件確定模型的尺寸[5]。在確定溶洞模擬范圍后，將正方體進行網(wǎng)格化處理，此次所選的地層結(jié)構(gòu)模型由若干個單元與節(jié)點集成構(gòu)成，定義地層結(jié)構(gòu)模型單元表示為m，地層結(jié)構(gòu)模型節(jié)點表示為n，設定m 與n 的取值為30 541.0 個與34 587.0 個，為了確保建模的過程更加精準，計算結(jié)果更加準確與精密，可在確定其邊界條件時，適當對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行加密處理，加密處理的對象包括樁基排布與溶洞空間布局。在模擬過程中，根據(jù)實際情況與計算需求，對模型底部結(jié)構(gòu)進行約束，約束時可參照底部結(jié)構(gòu)與四周結(jié)構(gòu)的空間位置排布，進行邊緣偏移，通過此種方式，實現(xiàn)對地表邊界的位移設計，從而實現(xiàn)構(gòu)建一個呈現(xiàn)自由化狀態(tài)的邊界，將此邊界作為建模邊界，實現(xiàn)對溶洞模擬過程中邊界條件的設定。

1.3 高層建筑樁基溶洞模擬力學分析

完成對邊界條件與相關參數(shù)的設計后，引進有限差分計算軟件，對溶洞模擬力學模型進行構(gòu)建研究，根據(jù)建模需求，使用有限差分中的莫爾—庫倫塑性材料作為實體結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)成材料，選擇此材料作為建模材料可以保證在建模中對不同參數(shù)的及時調(diào)整。在此基礎上，根據(jù)高層建筑樁基結(jié)構(gòu)下層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進行巖體力學參數(shù)的獲取[6]。此次所選的參數(shù)具體數(shù)值參照工程手冊與試驗資料。統(tǒng)計并整理建模中的需求數(shù)據(jù)，相關內(nèi)容如表1 所示。

表1 高層建筑樁基下溶洞巖土層力學參數(shù)信息

將上述表1 中的數(shù)據(jù)代入有限差分軟件，構(gòu)建一個針對此地區(qū)的高層建筑樁基下溶洞結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)高層建筑樁基下溶洞中樁基的位置分布，進行模型中參數(shù)的調(diào)整與加載，在布置樁基的過程中，可以使用FLAC3D 中的自帶結(jié)構(gòu)進行單元模擬，對模擬結(jié)構(gòu)進行一次收斂，當收斂結(jié)構(gòu)與實測結(jié)果呈現(xiàn)一定的平衡性時，輸出此時的模擬結(jié)果，將其作為溶洞最終模擬結(jié)果。當收斂結(jié)構(gòu)無法與實測結(jié)果呈現(xiàn)匹配或不滿足平衡條件時，可以在計算的同時進行樁基結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以此種方式，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的平衡化與優(yōu)化處理。

1.4 高層建筑樁基溶洞施工要點

為確保巖溶發(fā)育地段鉆孔灌注樁施工過程中不漏漿、不漏漿、不塌孔，確保樁孔順利鉆進、成樁，滿足承載能力要求，施工時應根據(jù)檢測到的地質(zhì)條件判斷溶洞地層、溶洞大小、溶洞充填情況。高層建筑樁基溶洞形態(tài)比較復雜，施工中還存在一些問題，需要采取一些治理措施。

（1）在處理小型溶洞時，可以采用注漿的方法。經(jīng)過成洞處理后，穿過小型巖溶洞穴。如果洞穴中沒有礫石或干砂等填充材料，則需要先填充后再灌漿。

（2）在充填空洞時，可選擇合適的孔位，將砂石通過鋼套澆注。澆注后的干砂需要用加壓風機進行處理。其他孔洞也可作為減壓方式，使充填更穩(wěn)定。填土滿足施工要求后，應進行灌漿處理。

（3）對于一些溶槽、溶溝和小裂縫，在打孔時可以放入碎石和粘土，甚至可以放一整袋水泥堵住護壁，確保泥漿不流失，使鉆孔順利通過巖溶區(qū)。

1.5 溶洞樁基設計

考慮到高層建筑地基承載力較高且對沉降要求高的特點，一般需要采用樁基礎方案，主要的樁基選型及樁基特點如下所述。

（1）預應力管樁。預制樁具有單樁承載力高、樁身強度大、價格經(jīng)濟、施工速度快、可提前預制等特點，是一種較為成熟的基礎形式。但在溶洞地區(qū)易出現(xiàn)無法鉆穿溶洞至穩(wěn)定持力層的情況，因此，在溶洞發(fā)育地區(qū)不建議采用。

（2）鉆孔灌注樁。該樁型適用于大部分的場地，不受地質(zhì)條件的限制，且可做大直徑樁，單樁承載力可根據(jù)建筑需求調(diào)整，在國內(nèi)的高層建筑中被廣泛采用。但灌注樁基礎施工周期較長、單位長度造價高、施工質(zhì)量難以控制且樁底沉渣厚度難以控制，對周邊的環(huán)境亦有污染。

（3）人工挖孔灌注樁。該樁型較鉆孔灌注樁而言施工質(zhì)量較好，施工速度快且后期建筑物沉降控制較好。但對地下水較豐富的區(qū)域，需提前進行降水處理，但對于上部荷載較大或單樁承載力較高的項目而言，該樁型樁長受限，無法提供較高的單樁承載力；在溶洞發(fā)育且地下水位較高的區(qū)域，施工危險性較大，亦具有一定的困難，溶洞發(fā)育地區(qū)應謹慎采用。

（4）沖孔灌注樁。該樁型在鉆孔灌注樁的基礎上發(fā)展而來，類似于鉆孔灌注樁，但沖孔灌注樁可有效穿透各類地層，且施工速度較快，成孔適應性強，可至穩(wěn)定的樁端持力層，在溶洞發(fā)育地區(qū)適用性也較好。

本文以江蘇師范大學科文學院校園網(wǎng)現(xiàn)狀為背景,盡可能立足于實際應用,以校園網(wǎng)的主要性能指標及采用的主要網(wǎng)絡技術作為研究切入點,以網(wǎng)絡仿真工具OPNET Modeler為研究平臺,對校園網(wǎng)進行仿真研究．通過增加新業(yè)務,仿真得到衡量網(wǎng)絡性能的一些主要評價指標,如網(wǎng)絡時延、應用響應時間、吞吐量、鏈路利用率等,然后對仿真結(jié)果進行分析,找出影響校園網(wǎng)性能的“瓶頸”.在此基礎上,針對現(xiàn)有校園網(wǎng)的不足,提出科文學院校園網(wǎng)的升級改造方案,并利用OPNET Modeler對方案進行仿真評估,為校園網(wǎng)的升級改造提供較為客觀、可靠的定量依據(jù),以保證校園網(wǎng)建設中決策的正確性,降低校園網(wǎng)投資的風險．

由于溶洞地區(qū)地質(zhì)條件復雜，溶洞發(fā)育較明顯，應根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況選擇合適的樁型。

2 對比實驗

通過本文上述研究，在引入有限差分軟件的基礎上，提出一種針對高層建筑樁基下溶洞的模擬方法，為了驗證該方法的實際應用效果，選擇以某高層建筑施工項目為依托，已知該工程項目所在區(qū)域為巖溶區(qū)域，其區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)特征按照地質(zhì)的新舊依次為：填土層、含沙粘性土層、含碎石粘性土層、微風化大理巖層。

各個土層的相關參數(shù)記錄表如表2所示。

表2 高層建筑樁基施工區(qū)域內(nèi)各土層相關參數(shù)記錄表

在明確該高層建筑樁基施工項目所在區(qū)域的地質(zhì)條件后，分別利用本文提出的基于有限差分軟件的模擬方法和基于BIM 的模擬方法對該項目下方溶洞的力學特征進行模擬。為了方便論述，將本文模擬方法設置為實驗組，將另一種方法設置為對照組。結(jié)合兩種模擬方法得到的模擬結(jié)果，對溶洞上方高層建筑樁基施工時頂板厚度進行預測，為了確保實驗的客觀性，在預測時均采用相同的預測函數(shù)進行預測，計算公式如下：

公式（1）中， 表示為溶洞上方頂板厚度預測結(jié)果； 表示為擬合系數(shù)； 表示為通過擬合系數(shù)修正后的頂板厚度。上述公式中， 的計算公式為：

公式（3）中， 表示為模擬后得出的力學參數(shù)； 表示為溶洞形態(tài)系數(shù)。完成對 和 的計算后，將其帶入到上述公式當中，對溶洞上方頂板的厚度預測結(jié)果進行求解，并將結(jié)果記錄如表3。

表3 實驗組與對照組模擬結(jié)果的頂板厚度預測結(jié)果

表3 中溶洞上方頂板厚度的最低限值為高層建筑樁基施工中頂板厚度最小值，一旦頂板厚度小于這一數(shù)值標準，則會造成承載力過低，成樁困難，同時還會影響高層建筑施工的安全。從表3中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，基于實驗組模擬結(jié)果得出的預測結(jié)果均超過頂板厚度的最低限值，而基于對照組模擬結(jié)果得到的預測結(jié)果均未達到頂板厚度的最低標準。

因此，通過上述實驗得出的結(jié)果能夠證明，本文提出的基于有限差分的模擬方法在實際應用中可以實現(xiàn)對溶洞力學性能的高精度模擬，輸出的模擬結(jié)果更符合實際，能夠為高層建筑樁基施工方案的制定提供更重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 結(jié)語

概而言之，基于溶洞上方建設施工的難度和危險性，本文在引入有限差分的基礎上提出了一種全新的溶洞模擬方法，并結(jié)合實驗實現(xiàn)了對該模擬方法可行性的驗證。在開展高層建筑樁基施工時，若遇到需要在巖溶區(qū)域上方完成施工的情況，則可應用本文模擬方法對溶洞的力學性能進行模擬，從而確保制定的施工方案更加合理，保障高層建筑施工整體安全。