巖溶區(qū)下伏溶洞空腔的嵌巖樁基穩(wěn)定性分析

李海波

(湖南省益婁高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 益陽 413000)

巖溶區(qū)下伏溶洞空腔的嵌巖樁基穩(wěn)定性分析

李海波

(湖南省益婁高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 益陽 413000)

為了分析巖溶區(qū)下伏溶洞空腔的嵌巖樁基穩(wěn)定性，以湖南省益婁高速公路大塘村大橋的樁基為研究對象，利用有限差分軟件FLAC3D建立了考慮實際地層情況及溶洞空腔的三維數(shù)值計算模型，并通過枚舉法設(shè)計了不同嵌巖深度及頂板厚度的分析工況。研究結(jié)果表明：隨著嵌巖深度的增加，頂板塑性區(qū)會逐漸貫通并產(chǎn)生拉剪破壞；當(dāng)嵌巖深度為2 m、頂板厚度為3 m時，樁基底部及空腔附近一定區(qū)域產(chǎn)生較小的應(yīng)力集中，樁頂、樁底及頂板的的變形沉降量較小，可以滿足樁基穩(wěn)定性的要求。

溶洞空腔; 嵌巖樁基; 頂板厚度; 穩(wěn)定性分析

1 概述

隨著我國高速公路的建設(shè)和發(fā)展，線路延伸進(jìn)巖溶區(qū)域的現(xiàn)象已較為普遍。巖溶地區(qū)公路基礎(chǔ)的建設(shè)，需特別考慮下伏溶洞對基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響[1]。溶洞的存在常常會使得地基承載力不足，引起地表不均勻沉降、變形甚至塌陷[2]。因而在橋梁樁基施工過程中，經(jīng)常會有“見洞就填、遇洞就穿”的處治方案。

近年來，大量研究均表明，只要持力層合理確定，巖溶區(qū)溶洞頂板是可以滿足樁基承載力的設(shè)計要求。趙明華等人[3]基于尖點突變理論，求得了嵌巖樁基下伏溶洞頂板的安全厚度；雷勇等人[4]就樁端溶洞頂板的沖切破壞進(jìn)行了極限分析，獲得巖層沖切破壞的合理模式，并深入探討了巖體參數(shù)與頂板安全厚度的關(guān)系；王中文等人[5]引入Hoek-Brown準(zhǔn)則，分別得到了沖切及剪切破壞模式下頂板的安全厚度計算公式?，F(xiàn)如今，不少學(xué)者利用數(shù)值方法或室內(nèi)試驗?zāi)M了樁基溶洞頂板的穩(wěn)定性，如李仁江等人[6]利用有限差分法研究不同溶洞尺寸及巖土參數(shù)對極限承載力的影響；張慧樂等人[7,8]通過室內(nèi)試驗探討了巖溶區(qū)嵌巖樁的承載特性及頂板破壞模式?；谏鲜鰧W(xué)者的研究成果，可以看出，橋梁樁基溶洞的盲目處治，不但增加了施工難度，而且大大提高了工程造價。

本文以湖南省益婁高速公路正在施工的大塘村大橋右幅18-0#樁基為研究對象，基于實際工程的地質(zhì)背景，利用有限差分軟件FLAC3D建立三維溶洞空腔及樁基穩(wěn)定性分析的數(shù)值模型，探討樁基不同嵌巖深度下，樁基及溶洞頂板的穩(wěn)定性，為工程中嵌巖樁持力層的合理確定提供參考。

2 分析模型的建立及計算

2.1 研究區(qū)概況

湖南省益婁高速公路位于我省中部，經(jīng)過益陽、長沙、湘潭、婁底4市，沿線的大量區(qū)域巖溶發(fā)育，地質(zhì)條件較為惡劣，其中尤以第三合同路段大塘村大橋建設(shè)區(qū)的地質(zhì)復(fù)雜。區(qū)域以剝蝕丘陵及河流沖積階地貌為主，沿線地形起伏較大，地面標(biāo)高101.0～264.4 m，最大相對高差約163.0 m，為滿足公路線性設(shè)計要求，該段公路采用橋梁跨越。區(qū)域內(nèi)多次穿過沖溝，沖溝內(nèi)地型平坦，黏土覆蓋層較厚，土層下方發(fā)育有大量的溶溝、溶槽，下伏基巖溶洞發(fā)育。橋梁基礎(chǔ)設(shè)計主要為嵌巖樁基礎(chǔ)，復(fù)雜的工程地質(zhì)條件對樁基施工帶來極大不便，部分樁基的挖孔施工已產(chǎn)生地面沉降變形，并對已挖到的溶洞進(jìn)行了回填片石和注漿處置(見圖1)。

圖1 溶洞回填片石注漿處置圖Figure 1 Refilling rubble and grouting

2.2 模型建立

本文以大塘村大橋右幅18-0#樁基施工的地質(zhì)條件為例，利用FLAC3D建立如圖2所示的三維數(shù)值計算模型。模型共分為兩層，上層為粉質(zhì)黏土覆蓋層，厚度為20 m；下伏基巖為白云質(zhì)灰?guī)r，溶洞位于基巖內(nèi)部；嵌巖樁的設(shè)計樁徑為2 m，整根樁基穿過粉質(zhì)黏土覆蓋層樁端嵌入白云質(zhì)灰?guī)r的基巖內(nèi)。

根據(jù)勘察資料顯示：基巖內(nèi)發(fā)育的溶洞形態(tài)大致為橢球形，橢球空腔內(nèi)填充有少量軟塑狀的黏性土和松散砂土，空腔高度為6 m，頂部至基巖面深度大致為5 m。為探討最不利條件，本文假設(shè)溶洞空腔位于樁基正下方，空腔為規(guī)則的橢球形，不考慮內(nèi)部填充物的影響。

圖2 數(shù)值計算的有限差分網(wǎng)格Figure 2 The finite difference grids of numerical calculation

利用有ANSYS軟件建立長×寬×高為30 m×20 m×40 m的數(shù)值計算模型，并通過布爾運算挖出赤道半徑為4 m，垂直半徑為3 m的橢球形空腔。對各層劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行計算。網(wǎng)格的劃分方法為：樁基及溶洞空腔附近區(qū)域劃分較密，其他區(qū)域較疏。邊界條件設(shè)置為：底部的垂直方向位移約束；四側(cè)的水平方向位移約束；上部為自由邊界；樁基與周圍巖土的邊界通過接觸面模擬[9]。模型各層材料的類型為：黏土層及灰?guī)r層為各向同性的彈塑性材料，并服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；樁基為各向同性的彈性材料。計算的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各層材料物理力學(xué)參數(shù)Table1 Physicalandmechanicalparametersofeachlayer各層名稱重度/(kN·m-3)體積模量/MPa切變模量/MPa內(nèi)摩擦角/(°)粘聚力/kPa樁基26．214．7×10312．9×103黏土19．616．927．8113 22．6灰?guī)r26．612．4×1037．44×10335200

2.3 分析工況

通過室內(nèi)物理實驗可知，下伏基巖的飽和極限單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)82 MPa，滿足樁基持力層承載力的要求。為合理確定樁基持力層，本文通過枚舉法，不斷調(diào)整樁基嵌巖深度。如表2所示，共設(shè)計了5種計算工況，即從基巖面向下依次增加嵌巖深度，分別為0，1，2，3，4 m，在嵌巖深度增加的同時，持力層空腔頂板的厚度逐漸減小，頂板厚度依次為5，4，3，2，1 m。基于上述方法，同時可以求得樁基下伏溶洞空腔的最小頂板安全厚度。

表2 工況設(shè)計參數(shù)Table2 Designparametersofworkingconditions分析工況嵌巖深度/m頂板厚度/m工況105工況214工況323工況432工況541

2.4 計算方法

在數(shù)值計算中，利用分步計算模擬橋梁樁基的施工過程：首先對模型施加重力進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，設(shè)置樁基施工前的應(yīng)力條件(由于空腔頂板變形失穩(wěn)的發(fā)生主要是由于樁基重力及上部荷載所引起[10，11]，故在初始應(yīng)力場設(shè)置時將初始位移場設(shè)為0)，其次再激活橋梁樁基網(wǎng)格單元并施加重力，求得樁基施工后的應(yīng)力場及位移場，最后對樁基頂部逐級施加荷載，根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)及公路交通荷載的設(shè)計要求，樁基頂部承受的荷載為6600 kN，共分5次施加。

3 結(jié)果分析

3.1 不同嵌巖深度的頂板破壞模式分析

根據(jù)表1所設(shè)計的計算工況，本文求得了不同樁基嵌巖深度下，溶洞空腔頂板的塑性區(qū)破壞模式，受篇幅所限，在此僅列出嵌巖深度分別為2，3,4 m時，塑性區(qū)分布云圖(見圖3)。由圖3可以看出: 在樁基頂部荷載作用下，隨著樁基嵌巖深度的增加，頂板塑性區(qū)面積逐步擴(kuò)大。在工況1及工況2下，由于持力層空腔頂板的厚度較厚，可以滿足承載力的要求，基巖產(chǎn)生塑性破壞的區(qū)域較少。隨著嵌巖深度的增加，頂板厚度減小，在嵌巖深度達(dá)為2 m時，頂板上部的部分區(qū)域開始塑性破壞，嵌巖深度為3 m時，頂板的塑性區(qū)向上延伸并與樁基底部貫通，達(dá)到極限狀態(tài)，當(dāng)嵌巖深度進(jìn)一步增加到4 m，此時空腔頂板無法滿足樁基承載力的要求，頂板產(chǎn)生完全破壞且數(shù)值計算不收斂。分析可知，在樁基上部荷載作用下，空腔頂板主要發(fā)生張拉及剪切破壞，為滿足承載力要求，頂板的最小安全厚度應(yīng)大于2 m。

圖3 不同嵌巖深度下頂板塑性區(qū)分布圖Figure 3 Distribution of cave roof plastic zone under different rock-socketed depth

3.2 應(yīng)力分析

基于上述分析可知，持力層空腔頂板的安全厚度應(yīng)大于2 m，圖4為樁基嵌巖深度為2 m，即頂板厚度為3 m時，荷載作用下，模型豎向應(yīng)力分布圖。由圖4可知: 在荷載傳遞作用下，嵌巖樁樁身所受的豎向應(yīng)力隨深度增加而降低，樁頂?shù)呢Q向應(yīng)力約為2 MPa，樁底約為1 MPa。受樁基附加應(yīng)力作用，樁底基巖的一定范圍內(nèi)產(chǎn)生了應(yīng)力集中，大小為0.75～1MPa。溶洞空腔分別受到拉應(yīng)力及壓應(yīng)力作用，并在一定區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中，隨著距離的增大應(yīng)力集中效應(yīng)減小并消失。壓應(yīng)力主要集中在空腔的兩側(cè)，最大壓應(yīng)力值約為1～1.5 MPa，拉應(yīng)力集中區(qū)主要位于空腔頂部及底部，最大拉應(yīng)力值約為0.021 MPa。

圖4 樁基荷載下模型豎直應(yīng)力剖面圖(工況3)Figure 4 Vertical stress distribution of the model(condition No.3)

3.3 位移分析

圖5為工況3時，受荷載作用下，樁基及周圍巖土體的位移沉降剖面云圖，從圖5中可以看出: 樁身及周圍土體的沉降位移會受樁頂荷載作用的影響，其中樁身的位移沉降量最大，樁體周圍的覆蓋層黏土在樁身側(cè)摩擦阻力作用下也會產(chǎn)生一定的沉降變形，周圍黏土層的沉降趨勢為距離樁基越遠(yuǎn)，土體的沉降量越小，而下部基巖及溶洞空腔頂板的沉降變形趨勢不明顯。本文通過對樁頂、樁底及空腔頂板三處設(shè)置監(jiān)測點，精確獲得了個主要特征點的沉降數(shù)據(jù)，分別為10.6，9.4，0.045 mm。可以看出，各監(jiān)測點的位移沉降量均不大，樁頂?shù)某两盗啃∮谖墨I(xiàn)[12]中極限承載力作用下40 mm的最大值，且空腔頂板的變形較為微小，可以得出，頂板可以滿足樁基承載力要求，嵌巖樁基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 樁基荷載下模型豎向位移剖面圖(工況3)Figure 5 Vertical displacement distribution of the model(condition No.3)

通過數(shù)值方法，綜合分析了工況3時，嵌巖深度為2 m，頂板厚度為3 m時，樁基與空腔的協(xié)調(diào)作用，溶洞頂板的塑性區(qū)分布、應(yīng)力分布及位移分布情況，全面評價了巖溶區(qū)下伏溶洞空腔的嵌巖樁基穩(wěn)定性，為工程實踐中橋梁樁基嵌巖深度的確定及頂板厚度的確定提供一定的理論參考。

4 結(jié)論

① 以湖南省益婁高速公路大塘村大橋的嵌巖樁基為研究對象，基于有限差分軟件FLAC3D建立了實際地層及溶洞空腔的三維數(shù)值計算模型，設(shè)計了樁基不同嵌巖深度及空腔頂板厚度時的計算工況，獲得了不同嵌巖深度時，空腔頂板的塑性區(qū)破壞模式，分析可知，當(dāng)嵌巖深度一定時，空腔頂板會發(fā)生張拉和剪切破壞。

② 當(dāng)嵌巖深度超過3 m時，空腔頂板的厚度小于2 m，頂板的塑性區(qū)貫通，無法滿足樁基承載力要求。頂板的最小安全厚度應(yīng)大于2 m。

③ 以嵌巖深度為2 m，頂板厚度為3 m時的工況為例，求得了樁基及溶洞的應(yīng)力分布及位移分布情況，分析可知: 樁基底部及溶洞附近有一定的應(yīng)力集中，樁頂、樁底及頂板的沉降變形較小，可以滿足樁基承載力的要求。

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Analysis of the Stability of Rock-socketed Pile Foundations in Karst Area

LI Haibo

(Hunan Privince Yilou Hilou Highway Construction & Development, Co. Ltd, Yiyang, Hunan 413000, China)

In order to analyze the stability of rock-socketed pile foundations in karst area, the pile foundation of the Da Tang-cun bridge in Yi-Lou highway was chose as the research object, the FLAC3D software was used to build the three dimensional numerical calculation model on the condition of actual geological and the analysis conditions of the different rock-socketed depth and karst cave roof thickness were designed by enumeration method. The results show that: With the increasing of rock-socketed depth, roof plastic zone connected gradually, and it led to tension-shear failure; When the rock-socketed depth is 2m and roof thickness is 3m, the smaller stress concentration took place at the bottom of pile and near the area of cavern, the displacement at the top of pile, bottom of pile and roof are small, which can satisfy the requirement of the stability of the pile foundation.

karst cave; rock-socketed pile foundation; the thickness of cave roof; stability analysis

2016 — 05 — 24

湖南省交通運輸廳科技進(jìn)步與創(chuàng)新計劃資助項目(201417)

李海波(1974 — )，男，湖南邵陽人，高級工程師，主要從事高速公路建設(shè)與管理工作。

U 443.15

A

1674 — 0610(2016)06 — 0070 — 03