樁基荷載作用下溶洞頂板穩(wěn)定性研究綜述

侯億暉 劉宗志 高為民

中電建路橋集團(tuán)有限公司

1 引言

我國國土遼闊，存在多種復(fù)雜地質(zhì)，其中碳酸鹽地層分布廣泛，約占我國國土面積三分之一，碳酸鹽地區(qū)為巖溶發(fā)育提供條件形成大量地下潛伏溶洞。近年來，我國加速發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè)，在工程建設(shè)中公路鐵路橋梁更多地需要穿越復(fù)雜溶洞地區(qū)，巖體中出現(xiàn)溶洞，會不同程度上破壞巖體的各種物理性能，降低巖體的整體承載能力，引發(fā)溶洞頂板坍塌，威脅人身安全。因此，對于樁基溶洞穩(wěn)定性的研究非常重要。

本文通過收集、整理和分析既有相關(guān)研究文獻(xiàn)，總結(jié)得出樁基作用下溶洞頂板穩(wěn)定性研究主要集中在三個方向：一為將溶洞頂板穩(wěn)定性力學(xué)分析進(jìn)行抽象和簡化，簡化為固定梁板等模型，將溶洞形態(tài)簡化為球狀、圓柱狀、橢球狀等近似規(guī)則形態(tài)進(jìn)行力學(xué)模型分析；二為借助有限元分析，建立符合實(shí)際工況的有限元模型，運(yùn)行軟件進(jìn)行多因素影響下的敏感性分析，探討溶洞頂板等受力破壞過程；三為利用相似理論原理，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬現(xiàn)場工況進(jìn)行同比例縮小試驗(yàn)，進(jìn)行多工況模型試驗(yàn)，借助室內(nèi)模型試驗(yàn)現(xiàn)象驗(yàn)證提出公式和結(jié)論的正確性。

2 力學(xué)簡化模型

溶洞研究涉及多方面因素，如溶洞形態(tài)、巖土性質(zhì)和溶洞頂板厚度尺寸大小等。近年來，大量學(xué)者開展力學(xué)簡化模型的試驗(yàn)，利用經(jīng)典簡化力學(xué)模型如梁或板進(jìn)行力學(xué)求解。

國內(nèi)關(guān)于力學(xué)簡化模型試驗(yàn)多數(shù)圍繞溶洞頂板發(fā)生破壞展開，從溶洞頂板破壞機(jī)理研究影響溶洞頂板穩(wěn)定性的因素。文獻(xiàn)[1]提出了將溶洞頂板簡化為懸臂梁、簡支梁、兩端固定梁等簡化計算方法，為溶洞頂板厚度計算提供新思路；趙明華等[2]引入固定梁板模型，將溶洞頂板視為固定梁板模型，分析在樁端垂直荷載作用下，巖層可能出現(xiàn)地沖切、剪切和彎拉破壞以及樁端巖層的安全厚度；考慮到存在多種因素影響樁基溶洞頂板性，對溶洞頂板穩(wěn)定性研究存在較多的未知，趙明華等[3]引入模糊集理論，在此理論基礎(chǔ)上，結(jié)合工程勘察資料，建立橋梁樁基溶洞頂板穩(wěn)定性綜合評價與平衡分析模型，為溶洞區(qū)的橋梁樁基設(shè)計提供新方法；龔先兵等[4]在嵌巖段極限承載力則引入Hoek-Brown巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則，針對巖溶區(qū)基樁工程的特點(diǎn)，結(jié)合突變理論的基本概念，建立了力學(xué)簡化模型并推出其勢能函數(shù)的表達(dá)式；汪華斌等[5]基于Hoek-Brown準(zhǔn)則，考慮溶洞頂板和樁基相互作用受力特性，采用彈性力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了固支梁、簡支梁、圓形板和矩形板簡化模型下的樁基荷載最大應(yīng)力計算式的推導(dǎo)。并采用Hoek-Brown準(zhǔn)則為判定頂板破壞的依據(jù)，推導(dǎo)出溶洞頂板在不同簡化模型下的厚度計算公式以及不同破壞情況下的安全厚度計算公式；雷勇等[6]提出了兩種頂板極限承載力計算方法;其一假定沖切題為圓錐臺,由極限平衡法得出極限平衡狀態(tài)下破壞面上拉應(yīng)力與剪應(yīng)力同時作用時的極限承載力；其二假定沖切題是以一個未知曲線為母線的旋轉(zhuǎn)體,由極限分析法求出其母線形式以及極限承載力的表達(dá)式,通過求偏導(dǎo)獲得了溶洞頂板的極限承載力；雷勇等[7]指出巖溶區(qū)樁基樁端巖層易發(fā)生沖切破壞，為此引入Hoek-Brown非線性巖石破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則，推得其剪應(yīng)力的二次拋物線型表達(dá)式。基于極限分析上限法原理，確定沖切破壞體的功能方程，并通過變分求極值原理獲得沖切破壞體的母線方程，進(jìn)一步通過微分得到樁端巖層抗沖切安全厚度計算公式；曹文貴等[8]基于巖溶區(qū)基樁樁端巖溶頂板穩(wěn)定性影響因素取值的隨機(jī)性、模糊性以及區(qū)間性特征，采用三角模糊數(shù)為基礎(chǔ)建立出同時考慮抗沖切、抗剪與抗彎作用的樁端巖溶頂板穩(wěn)定性模糊極限平衡分析模型，并為樁端巖溶頂板穩(wěn)定性評價與分析提供了一種新的方法；趙明華等[9]不考慮樁身側(cè)摩阻力的影響，考慮溶洞上覆土層自重應(yīng)力的影響，建立簡化計算模型，并引入Griffith強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，對溶洞頂板穩(wěn)定性評價；李俊杰[10]認(rèn)為溶洞頂板巖層可簡化為兩端固定支梁模型進(jìn)行計算分析，分別確定各模型樁基巖溶頂板最小安全厚度值，并將其與工程實(shí)際進(jìn)行對比分析；張永杰等[11]采用將溶洞頂板簡化為固支梁、拋物線拱、圓拱與固支雙向板等承載模型的方法，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)等理論提出不同簡化模型下溶洞頂板抗彎最小安全厚度的計算方法，以及樁端荷載作用下最小安全厚度的計算方法，并分析了各種因素對溶洞頂板破壞的影響規(guī)律。

3 有限元數(shù)值方法

現(xiàn)場試驗(yàn)存在經(jīng)費(fèi)需求過大，需求人力物力較多，不方便普遍開展現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量。有限元軟件的快速發(fā)展，給樁基溶洞試驗(yàn)帶來巨大便捷。通過有限元軟件對樁基現(xiàn)場進(jìn)行軟件模型模擬，研究多種因素對溶洞穩(wěn)定性的影響。

劉國喜[12]對溶洞頂板穩(wěn)定性分析在傳統(tǒng)定量計算的基礎(chǔ)上，同時引入三維數(shù)值模擬分析軟件FLAC3D，建立三維數(shù)值模型對樁基和溶洞相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析并討論了溶洞穩(wěn)定性的影響因素及其敏感性；王勇等[13]以某巖溶隧道為背景，采用二維彈塑性有限元方法對隧道開挖進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析了影響隧道溶洞頂板安全厚度的因素，引入支持向量機(jī)方法，建立了涵蓋多因素的溶洞頂板安全厚度預(yù)測模型；陽軍生等[14]采用有限元方法建立有限元模型，對巖溶地區(qū)圓形基礎(chǔ)下溶洞頂板穩(wěn)定性進(jìn)行了模型分析計算，并分析極限承載力與各影響因素之間的關(guān)系;程曄等[15]運(yùn)用強(qiáng)度折減技術(shù)、彈塑性有限元和二分法探討基樁下溶洞頂板穩(wěn)定性的評價方法；李仁江等[16]引入顯式有限差分法，對巖溶區(qū)中的橢球形溶洞頂板進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，為特種形狀溶洞頂板穩(wěn)定性研究提供了一種方法;符策簡[17]利用有限元計算，預(yù)測了橋基下溶洞及頂板的變形規(guī)律，采用鉆孔多點(diǎn)位移計實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)測，并驗(yàn)證了數(shù)值計算結(jié)果的正確性；蔣沖等[18]建立了分析樁頂下洞室頂板穩(wěn)定性的力學(xué)模型，設(shè)定根據(jù)洞穴頂板邊界中巖體的完整性來支持洞穴頂板的邊界，基于板殼理論，計算簡化模型，在簡單支護(hù)頂板邊緣的情況下，可得到確定頂尖下頂板安全厚度的理論計算公式，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證證明合理，可作為計算樁頂下洞頂安全厚度的一種新方法；張冰琪[19]采用有限元方法，利用ABAQUS數(shù)值模擬軟件建立了單樁穿越溶洞的計算模型，對其承載特性進(jìn)行分析，并研究了樁徑、樁長、中夾巖層厚度和巖體物理性能參數(shù)對溶洞穩(wěn)定性的影響；馮忠居等[20]采用有限元數(shù)值模擬方法，并引入灰色系統(tǒng)理論實(shí)現(xiàn)了對不同溶洞尺寸下樁的承載力規(guī)律分析;劉莎等[21]基于雙折線模型推導(dǎo)了樁基通過多層巖溶區(qū)的荷載傳遞微分方程，采用數(shù)值模擬方法研究了武漢市巖溶區(qū)某建筑樁基穿過串珠狀溶洞時的承載性狀。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

樁基項(xiàng)目涉及面較大，現(xiàn)場試驗(yàn)需要人力物力和時間成本較大，有較大的限制。樁基室內(nèi)試驗(yàn)采用相似理論，在室內(nèi)一定程度模擬實(shí)際工程工況，具有較大參考意義。

劉鐵雄[22]采用了理論計算分析和模型試驗(yàn)分析并輔以工程驗(yàn)證的方法，深入研究了巖溶頂板與樁相互作用的機(jī)理，并對嵌巖樁基的室內(nèi)模型設(shè)定深入研究，得出了溶洞頂板厚度、嵌巖深度和模型材料尺寸設(shè)定等結(jié)論；孫映霞等[23]采用有限差分法，在建立室內(nèi)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了樁基荷載作用下溶洞頂板的穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析，提出判斷巖溶區(qū)樁基穩(wěn)定性的有效判據(jù)，并得出溶洞破壞模式主要受溶洞頂板厚度的影響的結(jié)論；張慧樂等[24]在室內(nèi)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了巖溶區(qū)嵌巖樁的承載能力與破壞模式之間的關(guān)系，結(jié)合不同條件下巖溶區(qū)嵌巖樁的破壞模式，提出一系列安全可靠、便于工程應(yīng)用的計算公式；趙明華等[25]根據(jù)相似理論，設(shè)計了3組不同厚度條件下溶洞頂板破壞模式的大比例模型試驗(yàn)，得到了溶洞頂板和樁基的荷載與位移關(guān)系圖和溶洞頂板的極限應(yīng)變曲線，并由模型試驗(yàn)總結(jié)出不同溶洞頂板厚度下頂板的破壞特性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)得溶洞頂板安全厚度最小值和溶洞頂板承載能力計算公式。

5 今后研究方向

對于樁基溶洞頂板穩(wěn)定性問題，國內(nèi)外雖然已經(jīng)開展了大量的研究，但室內(nèi)試驗(yàn)、有限元模型試驗(yàn)和力學(xué)模型分析存在不同程度的簡化，與現(xiàn)場實(shí)際情況存在差異，得出的計算公式與現(xiàn)場工況存在出入。因此，需要在以下方面加強(qiáng)研究。

（1）樁基荷載下溶洞頂板發(fā)生沖切破壞和沖剪破壞等破壞機(jī)理尚不完全清楚，樁基荷載作用下溶洞頂板變形和失穩(wěn)的機(jī)理研究仍然需要深入，可通過室內(nèi)試驗(yàn)與有限元模型相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。

（2）力學(xué)模型所采用的理論多為剛體和彈塑性理論，難以準(zhǔn)確描述和模擬溶洞頂板的實(shí)際破壞過程，建議可引入斷裂和損傷理論模型，完善現(xiàn)有力學(xué)模型，使受力破壞條件下的模型力學(xué)分析更符合實(shí)際。

（3）借助現(xiàn)場試驗(yàn)對室內(nèi)試驗(yàn)與有限元模型試驗(yàn)的各種物理參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，使室內(nèi)試驗(yàn)與有限元模型更符合實(shí)際情況，已完善當(dāng)前溶洞頂板穩(wěn)定性和溶洞頂板安全厚度等計算方法，修正相關(guān)計算公式，提出符合工程實(shí)際的計算理論和方法。

6 結(jié)論

本文針對樁基溶洞頂板穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀和研究成果進(jìn)行總結(jié)歸納，對于樁基溶洞頂板穩(wěn)定性研究大致分為三個方面，即力學(xué)簡化模型、有限元模型和室內(nèi)試驗(yàn)。大量學(xué)者圍繞溶洞頂板穩(wěn)定性這幾個重要問題進(jìn)行了研究并得出諸多有價值的結(jié)論，但由于計算模型和室內(nèi)試驗(yàn)存在不同程度的簡化，提出的計算方法與實(shí)際工程情況仍然存在一定的差異。今后應(yīng)該加強(qiáng)工程現(xiàn)場試驗(yàn)研究，將理論研究、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)研究相結(jié)合，建立更為合理的計算方法，以更好地指導(dǎo)溶洞區(qū)樁基設(shè)計與施工。