巖溶頂板與樁基作用機(jī)理穩(wěn)定性分析及研究

陳小科

（中鐵二十一局集團(tuán)有限公司，重慶 402160）

0 引言

我國地勢(shì)地形呈現(xiàn)多樣化，其中不乏存在一些特殊的地貌，巖溶地貌就是分布于我國各地的可溶性巖石地區(qū)的一種特殊地貌，由于這種地貌條件的特殊性，致使相當(dāng)多的隱患由此而生，若直接進(jìn)行基礎(chǔ)面修建會(huì)導(dǎo)致各種質(zhì)量及安全隱患的出現(xiàn)，洞穴頂板塌陷便是其中一種，致使修筑在其上部的鐵路建筑物沉降；巖溶地區(qū)季節(jié)性冒水，滲入地基基礎(chǔ)引起地基沉降、翻漿或管涌；突發(fā)性地下涌水，沖毀鐵路建筑物；落水洞、豎井、漏斗、溶洞、溶蝕洼地和暗河會(huì)讓選線不當(dāng)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果；當(dāng)巖溶水開采區(qū)上覆土層厚度小于30m，則產(chǎn)生巖溶性沉降的幾率更大。加上溶洞不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)坍塌，但是坍塌位置不確定，樁孔涌水、樁孔坍塌均會(huì)造成非常大危害。所以，為確保巖溶體上訪修建的建筑基礎(chǔ)及整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，在施工建設(shè)期間有必要針對(duì)溶洞實(shí)施全面性的分析與處理，了解其構(gòu)造特征及其對(duì)建筑物產(chǎn)生的危害等，以做好準(zhǔn)備，避免損失。另外，為了保證各種構(gòu)筑物的安全性，我們要具體分析樁體的承載力。

所以近些年在我國許多學(xué)者與科研人員的共同努力下，針對(duì)溶洞頂板的研究分析已經(jīng)取得了可喜的成就，部分標(biāo)準(zhǔn)只是按照基礎(chǔ)之下的土體厚度來評(píng)價(jià)地基結(jié)構(gòu)，并不具備較高的科學(xué)性，所以劉之葵[1]考慮了多方面因素提出了適合確定桂林巖溶區(qū)地基承載力的方法。何春林[2]采用有限元分析方法，假設(shè)樁端承受全部力，且正位于溶洞正上方，則可以用圓柱體洞穴來代替溶洞，圓柱體直徑為D。王華牢[3]利用有限元數(shù)值模擬等方式，針對(duì)嵌巖樁縱向承載力的影響因素，以及樁基幾何形狀等展開研究，主要分析多種條件和環(huán)境下，不同工況針對(duì)樁基總想承載力的影響效果，從而提出了巖溶區(qū)需要考慮的有關(guān)系數(shù)。以工程實(shí)例為背景，王中文[4]采用有限元軟件Plaxis3D,對(duì)鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行分析，并取得成果。結(jié)合工程實(shí)例，姚明成[5]等詳細(xì)闡述了工程施工中的成樁方法以及質(zhì)量管理措施。劉立校結(jié)合大規(guī)模橋梁樁基礎(chǔ)施工遇到的常見地質(zhì)情況,對(duì)相關(guān)施工方案進(jìn)行優(yōu)化并取得了有效的成果。通過對(duì)鉆孔灌注樁的施工工藝進(jìn)行詳細(xì)的總結(jié)和綜述,金濤總結(jié)了了幾項(xiàng)施工質(zhì)量控制措施,并取得了良好的成果。王立鋒以某橋梁工程工程概況為例,簡(jiǎn)述了鉆孔灌注樁施工技術(shù)的施工流程,重點(diǎn)對(duì)該技術(shù)的施工流程、質(zhì)量控制措施進(jìn)行了總結(jié),通過對(duì)施工效果的對(duì)比,證實(shí)了鉆孔灌注樁技術(shù)應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。何波對(duì)巖溶地區(qū)的工程概況、巖溶地區(qū)樁基礎(chǔ)施工所遇到的問題、巖溶地區(qū)建筑施工中常用的施工方案進(jìn)行研究和探析。為了提升橋梁建筑樁基礎(chǔ)的質(zhì)量，蔣智凌從橋梁樁基特殊溶洞處理技術(shù)方面進(jìn)行分析,提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，減少了工程中的損失。巖溶地區(qū)的橋梁樁基樁端物力模型可以作為周邊支撐板在荷載下的受力模型，現(xiàn)有的板殼力學(xué)理論下，通常會(huì)將厚度和最小橫向尺寸比在1/4 之下的板作為薄板，建立相對(duì)較為完備的理論基礎(chǔ)，用于解決工程實(shí)踐中的一些問題。

1 巖溶頂板與樁基作用系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

1.1 巖溶樁基模型基本假設(shè)

因?yàn)槿芏错敯蹇赡軙?huì)受到多種內(nèi)外條件的影響，所以其穩(wěn)定性的形成因素較為復(fù)雜，為了能夠?yàn)橹蟮难芯刻峁┍憷话銜?huì)將溶洞頂板與樁基當(dāng)成一個(gè)整體進(jìn)行分析。由于溶洞形態(tài)多樣，致使統(tǒng)一分析，所以我們將其模擬為不同的力學(xué)模型后，在進(jìn)行合理的分析討論。巖溶頂板力學(xué)模型的基本假設(shè)如下:

1 樁基作用面下，若頂板表面沒有較大起伏而且不存在損壞情況，那么則可以忽略成拱效應(yīng)，并將頂板當(dāng)作梁板進(jìn)行受力情況的分析，全部的分析都將彈性分析作為主要依據(jù)。

2 若樁基兩端嵌入巖層內(nèi)部（不考慮嵌巖深度），則將其看作端承樁，并忽略上部樁周圍土帶來的側(cè)摩阻力和地應(yīng)力；

3 當(dāng)樁徑寬度遠(yuǎn)小于板面最低尺寸的寬度情況下，樁徑周邊應(yīng)力影響力也會(huì)進(jìn)一步縮小，因此能夠?qū)痘目v向荷載作為集中荷載，繁殖則將其作為板面中的均布荷載，主要影響直徑為樁徑的d 圓中，如果是懸臂板，那么會(huì)作用與懸臂的端部位置。

1.2 巖溶樁基作用體系模型簡(jiǎn)化

如果樁端巖層力學(xué)特性滿足薄板理論，那么可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)楣讨A板模型或簡(jiǎn)支矩形板模型。如果并不能滿足薄板理論，則可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)楣讨Я耗Ｐ突驊冶哿耗Ｐ鸵约皩捔耗Ｐ偷取?/p>

2 溶洞頂板與樁基作用系統(tǒng)模型受力分析

2.1 薄板力學(xué)模型相關(guān)公式

我們一般將巖溶頂板與樁基作用系統(tǒng)視為空間力學(xué)問題，一般情況下我們使用彈性力學(xué)的邊際條件來實(shí)現(xiàn)力學(xué)計(jì)算。但因?yàn)闃痘奢d影響之下，巖體大多為硬度較大的灰?guī)r，這種灰?guī)r雖然硬度較高，但在縱向彎矩的影響下，形變承受能力卻非常低，所以若頂板出現(xiàn)了一定量的縱向撓度形變情況下，灰?guī)r可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象。對(duì)此需要將溶洞頂板和樁基力學(xué)模型作為小撓度問題。薄板小撓度彎曲理論一般需要具備以下幾種計(jì)算中的假定條件：①垂直于中面方向的正應(yīng)變可以忽略。②應(yīng)力分量導(dǎo)致的變形可以忽略。③薄板中面內(nèi)的各點(diǎn)都沒有平行于中面的位移。

如果板的厚度遠(yuǎn)超于薄板的撓度，認(rèn)為中面內(nèi)應(yīng)變?yōu)榱?，由此可以得出小撓度彎曲的基本微分方程?/p>

其中：w — 撓曲線方程；h — 頂板厚度；μ — 泊松比；E — 彈性模量；

D — 薄板的彎曲剛度；D=Eh312(1?μ2)D=Eh312(1?μ2)

將所有物理量都看作是撓度w 的函數(shù)，且認(rèn)為薄膜力為零，則薄板彎矩、扭矩和剪力的表達(dá)式如下：

沿厚度按線形分布的彎曲應(yīng)力的表達(dá)式如下：

將公式（2.2）和（2.4）中的公因子消去，得：

最大彎曲應(yīng)力是：

對(duì)于與Qx 和Qy 對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力τxz 和τyz，可以認(rèn)為沿厚度方向按拋物線規(guī)律分布，最大值為：

綜上所述，由微分方程（2.1）能夠計(jì)算出薄板小撓度問題在便捷下的具體撓度值w，之后可以將其代入到上述公式（3.2）和（2.3）之中，就能順利解除薄板彎矩、剪力等信息，之后利用公式（2.6）以及（2.7）來掌握薄板最高彎曲應(yīng)力及最大剪應(yīng)力等信息。對(duì)前面的力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后，在不同的條件下我們得到了不同的應(yīng)力分部規(guī)律，然后對(duì)簡(jiǎn)化后得到的十個(gè)力學(xué)模型進(jìn)行受力分析。

3 溶洞頂板穩(wěn)定性影響因素

根據(jù)建設(shè)工程項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)條件來看，榮鼎頂板穩(wěn)定性的主要決定性因素可以劃分內(nèi)外兩種形式，具體的影響因素如下：①巖石構(gòu)造②巖石物理力學(xué)性質(zhì)③溶洞形態(tài)對(duì)穩(wěn)定性的影響④地下水的活動(dòng)對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性的影響⑤外加荷載的影響

4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

定性法、半定量法和定量法是目前穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的主要方法，根據(jù)不同的情況要選擇不同的不同的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。定性評(píng)價(jià)法沒有定量的標(biāo)準(zhǔn)，所以較為適宜尋常建設(shè)工程之中，包含影響綜合分析法等手段，常見的半定量評(píng)價(jià)法通常會(huì)將工程經(jīng)驗(yàn)或類比分析等方式作為依據(jù)，構(gòu)建一個(gè)計(jì)算模型來掌握溶洞頂板穩(wěn)定需要的厚度水平。比如頂板厚跨比法和散體理論法等，定量評(píng)價(jià)則是在具體的勘探信息以及巖體物力特性信息的支持下可以選擇的一種評(píng)價(jià)手段，常見的定量評(píng)價(jià)法是穩(wěn)定系數(shù)法。

5 結(jié)論

（1）簡(jiǎn)要介紹了巖溶地區(qū)橋梁樁基工程中，溶洞頂板穩(wěn)定性影響因素，通過分析得出了本課題研究工作的意義。

（2）溶洞形態(tài)多樣，在進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，將其作用系統(tǒng)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，然后再轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的有代表性的力學(xué)模型進(jìn)行分析討論。

（3）對(duì)于巖溶頂板與樁基作用簡(jiǎn)化模型計(jì)算時(shí)，考慮梁模型對(duì)巖溶樁基的真實(shí)受力狀況做了比較大的簡(jiǎn)化，因此采用彈性力學(xué)中的薄板理論進(jìn)行分析更可靠。

（4）根據(jù)工程建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，影響溶洞頂板穩(wěn)定性的因素分為內(nèi)在、外在兩個(gè)因素。

（5）根據(jù)評(píng)價(jià)溶洞頂板穩(wěn)定性各自的適用范圍，分為定性法、半定量法和定量法。