巖溶地區(qū)嵌巖樁穩(wěn)定性影響因素的敏感性研究

申慶全，吳 鳴

（汕頭大學(xué)土木工程系，廣東 汕頭 515063）

巖溶地區(qū)嵌巖樁穩(wěn)定性影響因素的敏感性研究

申慶全，吳 鳴*

（汕頭大學(xué)土木工程系，廣東 汕頭 515063）

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)嵌巖樁進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算.通過逐一改變?nèi)芏锤叨?、溶洞的跨度、溶洞的頂板厚度、樁端嵌入深度、樁徑等，得出樁體最大位移和溶洞頂板受力情況，研究各因素對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性的影響.結(jié)果顯示：溶洞極限承載力對(duì)溶洞的頂板跨度、頂板厚度、巖體的完整性比較敏感；對(duì)于樁體的直徑和嵌巖深度有一定的影響，但是不是太明顯；對(duì)于溶洞的高度不敏感.

嵌巖樁穩(wěn)定性；巖溶；ABAQUS；敏感度

0 引言

我國幅員遼闊、地質(zhì)條件比較復(fù)雜，巖溶地區(qū)分布比較廣泛，尤其是在中西部地區(qū).現(xiàn)在國家大力發(fā)展中西部地區(qū)，發(fā)展經(jīng)濟(jì)首先就是加大交通設(shè)施的建設(shè).許多工程不可避免的建在巖溶發(fā)育的地區(qū)，所以在工程設(shè)計(jì)和施工中不得不考慮溶洞穩(wěn)定性對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響.影響溶洞穩(wěn)定性的因素很多，溶洞高度、溶洞跨度、溶洞頂板厚度、圍巖的完整性、樁徑、樁頂端受力情況等.

由于各種條件限制，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的.所以，對(duì)嵌巖樁頂板穩(wěn)定性的實(shí)地試驗(yàn)的研究很少，積累的經(jīng)驗(yàn)也是很少的.現(xiàn)在對(duì)于工程溶洞頂板穩(wěn)定性的研究主要是在坍塌機(jī)理、定性、半定量和定量的分析基礎(chǔ)上對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)[1-8].工程地質(zhì)手冊(cè)中將溶洞頂板簡(jiǎn)化成各種梁、板、拱等模型進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，估算出在荷載作用下最小頂板厚度來判斷溶洞頂板的穩(wěn)定性[5].

近年來隨著計(jì)算機(jī)以及有限元軟件的發(fā)展，把研究對(duì)象離化成有限單元進(jìn)行模擬計(jì)算.很多研究是針對(duì)某一具體工程進(jìn)行模擬計(jì)算.針對(duì)某一種因素變化對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性影響的研究還不是太全面[6-11].

因此本文通過一系列ABAQUS數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析探討巖溶地區(qū)溶洞各影響因素對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性影響的敏感性.

1 數(shù)值模擬試驗(yàn)方法

1.1 巖溶地區(qū)樁土模型

本文選用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，把樁土計(jì)算模型簡(jiǎn)化成具有一定縱向高度和水平方向延伸的長(zhǎng)方體模型，其中溶洞簡(jiǎn)化成四方體的形狀.溶洞上部取武漢某一工程的地質(zhì)條件，各土層的高度以及各層土體的物理參數(shù)[10]見表1.

表1 樁體和巖土體參數(shù)

模型的水平長(zhǎng)度取溶洞跨度的5倍，模型中溶洞底部的計(jì)算范圍取溶洞頂板厚度的5倍或溶洞的高度中的最大值[11].樁土模型采用四面體實(shí)體單元，樁體采用線彈性模型，土體采用彈塑性的Drucker-Prager本構(gòu)模型.為了簡(jiǎn)化計(jì)算取模型的四分之一結(jié)構(gòu)體進(jìn)行計(jì)算（圖1）.邊界條件：上表面為自由邊界，下表面采用豎向固定邊界，與樁體接觸的兩個(gè)面采用對(duì)稱約束邊界，另外兩邊采用水平約束邊界.模型網(wǎng)格劃分采用C3D10的單元，對(duì)溶洞邊緣網(wǎng)格進(jìn)行加密（圖2）.

圖1 樁土有限元模型

圖2 模型網(wǎng)格的劃分

1.2 溶洞圍巖參數(shù)的選取

通過閱讀參考文獻(xiàn)和資料，整理得出影響因素的范圍（如表2）[10-15].根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于溶洞頂板厚度小于1 m時(shí)，不考慮把樁嵌巖在樁溶洞頂板之上；對(duì)于溶洞周圍巖石比較完整的，當(dāng)溶洞頂板厚度大于5 m時(shí)，可以認(rèn)為溶洞頂板能夠滿足穩(wěn)定性要求.所以，經(jīng)過查閱資料和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于溶洞頂板厚度本文取值范圍1～7 m.對(duì)于影響溶洞頂板穩(wěn)定性的影響因素取表2.

表2 影響因素的范圍 （m）

根據(jù)RMR巖體的地質(zhì)力學(xué)分級(jí)的方法以及參考工程的相關(guān)巖溶地區(qū)的文獻(xiàn)，綜合分析后取7組溶洞地區(qū)灰?guī)r巖體的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)巖體的完整性進(jìn)行研究[12]（如表3）

表3 巖溶頂板灰?guī)r的物理力學(xué)參數(shù)

1.3 單因素模擬試驗(yàn)

將各種因素進(jìn)行劃分，溶洞高度取2、3、4、5、6、7、8 m；溶洞跨度取2、3、4、5、6、7、8、9、10 m；嵌巖深度取0.5、1、1.5、2、2.5、3 m；樁徑取0.8、1.2、1.6、2 m；溶洞頂板厚度取1、2、3、4、5、6、7 m；以及圍巖的種類等，共做46組模擬試驗(yàn).得到Q-s曲線（圖3），根據(jù)Q-s曲線判斷極限承載力，陡降型曲線取曲線突變的點(diǎn)為對(duì)應(yīng)的荷載，緩慢型的取豎向位移為40 mm對(duì)應(yīng)的荷載.

圖3 數(shù)值分析試驗(yàn)的Q-s曲線

2 影響因素的敏感性分析

本文對(duì)敏感性分析是通過單一因素變化下，樁端位移變化的幅度，并通過Q-s曲線確定溶洞頂板的極限荷載來判斷各影響因素對(duì)溶洞影響的敏感性.

2.1 溶洞高度的敏感性分析

溶洞高度分別取2、3、4、5、6、7、8 m，溶洞的頂板采用2 m，溶洞周邊巖石采用#1號(hào)巖體，樁體的直徑為1.2 m.通過對(duì)樁土模型的進(jìn)行數(shù)值分析試驗(yàn)，得出Q-s曲線（圖3a）極為接近甚至重合；不同溶洞高度下的極限承載力隨高度的變化也是很小的（圖4）.所以，溶洞的穩(wěn)定性對(duì)溶洞的高度不敏感.

圖4 不同溶洞高度的極限荷載

圖5 不同溶洞頂板厚度下的極限荷載

2.2 溶洞頂板厚度的敏感性分析

對(duì)溶洞頂板厚度分別取1、2、3、4、5、6、7 m進(jìn)行施加荷載，溶洞周邊的圍巖取#1號(hào)巖體，樁徑取1.2 m.對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值分析試驗(yàn)得出樁端荷載和樁頂端位移（圖3b），通過Q-s曲線可以得出對(duì)應(yīng)的極限荷載如圖5.從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)地質(zhì)條件，當(dāng)溶洞頂板厚度比較小時(shí)，極限承載力比較小；當(dāng)溶洞頂板厚度達(dá)到一定厚度時(shí)，溶洞頂板的極限荷載基本沒有變化.

2.3 溶洞跨度的敏感度分析

對(duì)溶洞跨度分別取2、3、4、5、6、7、8、9、10 m進(jìn)行施加荷載，溶洞周邊的圍巖取#1號(hào)巖體，溶洞頂板厚度取2 m，樁徑取1.2 m.對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值分析試驗(yàn)的出樁端荷載和樁端位移（圖3c），通過Q-s曲線得出極限荷載如圖6.從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)條件下，當(dāng)溶洞的跨度大于某值時(shí)，溶洞的極限荷載隨溶洞跨度的增加而減小.

圖6 不同溶洞頂板跨度的極限荷載

圖7 不同樁徑的極限荷載力

2.4 樁體直徑的敏感度分析

本文對(duì)樁徑的取值為0.8、1.2、1.6、2 m進(jìn)行試驗(yàn).得出樁端荷載和樁端位移（圖3d），通過Q-s曲線得出極限荷載如圖7.從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，極限荷載隨樁徑的增大而減小.

2.5 地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)RMR的敏感度分析

本文對(duì)溶洞的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)RMR取26、32、48、50、58、62、66進(jìn)行數(shù)值分析試驗(yàn).得出樁端荷載和樁端位移（圖3f），通過Q-s曲線得出極限荷載如圖8.從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，極限荷載隨RMR值的減小而減小.

2.6 嵌巖深度的敏感度分析

樁體嵌巖深度取0.5、1、1.5、2、2.5、3 m進(jìn)行數(shù)值分析試驗(yàn)，得出樁體嵌巖深度與樁頂位移的Q-s曲線如（圖3e），并有Q-s曲線得出極限荷載如圖9.從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，溶洞頂板厚度等條件一定的情況下，嵌巖深度對(duì)極限荷載的影響不是很敏感，極限荷載隨嵌巖深度的增加而降低.

圖8 不同RMR的極限承載力

圖9 不同樁體的嵌巖深度的極限承載力

3 結(jié)論

（1）溶洞的極限承載力對(duì)溶洞高度不敏感.

（2）溶洞極限承載力對(duì)溶洞頂板厚度和溶洞跨度較為敏感.對(duì)于本文試驗(yàn)的條件下，當(dāng)溶洞的頂板厚度小于3 m時(shí)，溶洞的極限承載力隨溶洞厚度增加而增大；溶洞頂板厚度大于3 m時(shí)，溶洞的頂板厚度對(duì)溶洞的極限承載力影響不明顯.當(dāng)溶洞的跨度大于5 m時(shí)，溶洞的極限承載力隨溶洞跨度的增加而降低；溶洞的跨度小于5 m時(shí)，溶洞的跨度對(duì)溶洞的極限承載力影響不明顯.

（3）溶洞極限承載力對(duì)樁體的直徑和樁體的嵌巖深度不是太敏感.在本文的試驗(yàn)的條件下，溶洞的極限承載力隨樁體的直徑的增加而降低，降低的不明顯；溶洞的極限承載力隨樁體的嵌巖深度的增加而降低，也是降低的不明顯.

（4）溶洞的極限承載力對(duì)巖體的完整性（RMR）較為敏感.溶洞的極限承載力隨RMR的增大而增大.

影響溶洞穩(wěn)定性的因素很多，文章只是針對(duì)主要的因素進(jìn)行考慮.同時(shí)溶洞各影響因素之間是相互影響的，對(duì)這一方面還是需要進(jìn)一步的研究.

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Study on the Factor of Karst Area on the Sensitivity of Influences on the Stability of Embedded Rock Pile

SHEN Qingquan,WU Ming
（Department of Civil Engineering，Shantou University,Shantou 515063,Guangdong,China）

A serious of embedded rock pile is simulated,using the ABAQUS finite element software.To examine the effect of influencing factors on the stability of karst cave roof,the height of the karst cave,the span of karst cave,the thickness of roof,the pile embedded depth, the eccentricity of pile and the diameter of pile are modified.Experimental results showthat the bearing capacity of pile foundation is sensitive to the width of karst cave,the thickness of roof and the RMR of karst cave.The embedded depth and eccentricity of pile have less effect in the bearing capacity of pile foundation.The bearing capacity of pile foundation is not sensitive to the height of karst cave.

stability of embedded rock pile;karst;ABAQUS;sensitivity

TU 473

A

2016-08-23

申慶全（1990—），男，漢，山東金鄉(xiāng)，碩士研究生，主要從事巖土與樁基的研究.E-mail：14qqshen@stu.edu.cn

汕頭市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012-167）

1001-4217（2017）02-0075-06