巖溶區(qū)樁基沉降的影響探討

彭龍帆 徐小洋 張 穎

中國建筑第二工程局有限公司華東公司 上海 200135

我國巖溶地貌分布廣泛，在溶巖地區(qū)修筑建筑物將面臨地基不穩(wěn)、地表塌陷、地面變形、樁基沉降等諸多工程難題[1-3]。其中巖溶地區(qū)的樁基沉降已經(jīng)是一個(gè)熱點(diǎn)問題，國內(nèi)許多專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，并取得了豐碩的研究成果[4-5]。樁尖至溶洞頂部的距離可稱為板厚，溶洞水平尺寸為溶洞跨度，板厚與跨度的比值為厚跨比。針對(duì)板厚及厚跨比，黎斌等[6]通過有限元模型和多元線性回歸分析的方法，研究了樁基下溶洞頂板最小厚度對(duì)樁基沉降的影響；趙明華等[7]在對(duì)溶洞樁基頂板穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，在剪切計(jì)算中引入格里菲斯判據(jù)以完善溶洞頂板抗彎穩(wěn)定性驗(yàn)算，從而進(jìn)一步推動(dòng)巖溶地區(qū)樁基沉降的理論計(jì)算發(fā)展；崔紅琴[8]通過對(duì)有限元軟件平臺(tái)的二次開發(fā)，利用隨機(jī)理論生成溶洞，能系統(tǒng)分析巖溶區(qū)樁基沉降的構(gòu)成；劉曉明等[9]通過設(shè)計(jì)，合理分配樁頂荷載，并分析計(jì)算出相應(yīng)溶洞頂板沉降，針對(duì)性地優(yōu)化設(shè)計(jì)橋梁樁基，以減小巖溶區(qū)樁基沉降；鄒新軍等[10]采用ADINA軟件對(duì)樁端壓漿進(jìn)行有限元模擬，對(duì)串珠狀巖溶地區(qū)的樁基沉降進(jìn)行了有效處理。

以上均為從總體巖溶地貌出發(fā)對(duì)樁基沉降進(jìn)行理論分析與模擬，并未針對(duì)單一溶洞至樁尖距離及幾何尺寸的變化對(duì)樁基沉降進(jìn)行深入探究。由于樁基沉降與周圍土體具有密切的相關(guān)性，因此針對(duì)樁基下方溶洞至樁尖距離，即厚跨比變化、溶洞形狀及體積改變對(duì)樁基沉降影響的研究，具有重大的實(shí)際意義。

1 工程概況

武漢智能聯(lián)網(wǎng)汽車封閉測(cè)試場(chǎng)，位于長江一級(jí)階地，場(chǎng)區(qū)南端和東端主要為河流堆積地貌單元，軟土厚度大，砂層分布較深。場(chǎng)區(qū)北側(cè)和西側(cè)為階地過渡地帶，軟土厚度較小，砂層缺失。場(chǎng)區(qū)可溶性巖類分布有較強(qiáng)的規(guī)律性，以XK291-XK293-XK499-XK498一線為分界線，分界線以北為可溶性灰?guī)r屬第四系覆蓋的隱伏巖溶區(qū)，溶腔大小不一，鉆孔見洞率42%，屬巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)。

整個(gè)項(xiàng)目分為43個(gè)區(qū)塊，其中巖溶區(qū)為26ü 43號(hào)區(qū)塊，選取32號(hào)區(qū)塊中編號(hào)Z2的直徑為800 mm、樁長為35 m的鉆孔灌注樁作為巖溶區(qū)樁基沉降的研究對(duì)象。

2 數(shù)值模擬建立

2.1 數(shù)值計(jì)算模型及材料參數(shù)

采用Midas GTS有限元計(jì)算軟件，根據(jù)工程實(shí)際地層，建立60 m（長）h 60 m（寬）h 80 m（高）的三維模型。溶洞通過實(shí)體單元間的布爾運(yùn)算生成，不考慮其內(nèi)部填充物的影響，再利用混合網(wǎng)格生成器生成以六面體為主的高質(zhì)量網(wǎng)格。整體計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型

模型中設(shè)置巖土體為彈塑性材料，服從摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則；采用一維梁?jiǎn)卧删€彈性本構(gòu)模型下的樁基，并設(shè)置樁界面和相應(yīng)的樁端參數(shù)，包括樁端承載力和樁端彈簧剛度。樁基材料參數(shù)見表1，模型建立過程中的各土層物理力學(xué)參數(shù)見表2。同時(shí)為排除其他復(fù)雜工程因素影響，建立以下假設(shè)：忽略材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，認(rèn)為各部件材料均值同性；同時(shí)不考慮如施工機(jī)械振動(dòng)等其他荷載的作用。

表1 樁基材料參數(shù)

表2 各土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 邊界條件及工況設(shè)定

邊界條件設(shè)置為除頂面為自由面以外，其余各面均限制其法向位移，底面為固定約束，樁整體設(shè)置旋轉(zhuǎn)約束。同時(shí)為模擬真實(shí)施工工況以及明確各工況下位移的實(shí)際意義，設(shè)置第1個(gè)工況為重力下初始地應(yīng)力分析；第2個(gè)工況是樁體的生成，并將位移清零；在第3個(gè)工況施加狀體豎向荷載1 000 kN。

3 樁基沉降計(jì)算結(jié)果分析

通過上述模型對(duì)相同溶洞跨度下不同樁尖-洞頂距離的樁基沉降，以及相同厚跨比下的不同溶洞體積、溶洞形狀的樁基沉降進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析，由于單樁沉降主要由樁體彈性壓縮、樁側(cè)摩阻力和樁端荷載引起的樁端土體壓縮，因此通過對(duì)比樁頂位移、樁尖位移和洞頂沉降的改變量來反映樁基沉降。

溶洞尺寸為4 mh 4 mh 4 m，距離樁尖4 m。樁基沉降位移云圖如圖2所示，圖中沉降量最大處為樁頂，數(shù)值為11.42 mm，樁尖沉降量為10.07 mm。

圖2 Midas GTS樁基沉降云圖

3.1 樁尖-洞頂距離對(duì)樁基沉降量的影響

為研究樁尖到洞頂?shù)木嚯x對(duì)樁基沉降量的影響，在溶洞跨度相同的前提下，取距離為樁徑的幾何分別為：0.4、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0、6.0 m。溶洞的水平尺寸取4.0 m，豎向尺寸取4.0 m。利用Midas GTS計(jì)算，所得結(jié)果如圖3和表3所示。

圖3 不同樁尖-洞頂距離對(duì)樁基沉降的影響

表3 樁尖-洞頂距離改變下樁基沉降改變量

從圖3可知，樁尖至洞頂?shù)木嚯x小于1.6 m時(shí)，樁基沉降量相對(duì)較大，且下降速度較快，最大值為距離0.4 m時(shí)，樁頂沉降13.0 mm；當(dāng)樁尖至洞頂距離在1.6～3.2 m之間時(shí)，沉降量下降變化值為0.4 mm，僅為1.6 m下樁頂沉降的0.26%，且下降速度較為緩慢且平穩(wěn)，同時(shí)距離為3.2 m時(shí)沉降量達(dá)到最小值，為11.3 mm。樁尖到洞頂距離大于4.0 m時(shí)，沉降基本保持不變，已達(dá)到穩(wěn)定值。此時(shí)溶洞空腔上持力層頂板厚度達(dá)到一定值，頂板沉降對(duì)樁基沉降幾乎不產(chǎn)生影響。由表3可知，當(dāng)洞頂至樁尖的距離發(fā)生變化時(shí)，樁頂與樁尖沉降變化趨勢(shì)一致，都隨著樁尖至洞頂?shù)木嚯x增大而逐漸減小。樁尖沉降量與樁頂沉降量始終在9%～12%之間波動(dòng)，范圍未超過3%，考慮到樁頂沉降具有重要的實(shí)際意義，故可認(rèn)為樁頂沉降量可代表整樁在溶洞影響下的沉降變化趨勢(shì)。

3.2 溶洞形狀對(duì)樁基沉降量的影響

選擇厚跨比為1，針對(duì)不同溶洞形狀對(duì)樁基沉降的影響進(jìn)行探究。通過改變?nèi)芏唇孛嫘螤?，如球形、圓柱形、立方體形、馬蹄形，計(jì)算樁基在4種不同形狀溶洞下的沉降量，結(jié)果如表4和圖4所示。

表4 溶洞形狀改變下樁基沉降改變量

圖4 不同溶洞形狀對(duì)樁基沉降的影響

結(jié)合表4和圖4可知，當(dāng)溶洞形狀為圓柱形時(shí)，樁基的沉降量最大，樁頂最大沉降為11.7 mm，以此為基準(zhǔn)；當(dāng)溶洞形狀狀改變?yōu)榍蛐位蝰R蹄形后，樁基沉降量幾乎一致，均為11.4 mm左右，且相比于圓柱形溶洞，沉降量下降約4%；當(dāng)溶洞形狀狀改變?yōu)榱⒎襟w形時(shí)，相較于球形或馬蹄形溶洞，其沉降量?jī)H有細(xì)微改變。同時(shí)就洞頂中心沉降數(shù)據(jù)而言，當(dāng)溶洞形狀為立方體形時(shí)，洞頂中心沉降量最大，為6.8 mm，相比于圓柱形和馬蹄形溶洞的5.9 mm沉降量，多出16.9%；當(dāng)溶洞形狀為球形時(shí)，洞頂中心沉降量最小，為5.2 mm，較5.9 mm有11.9%的減少。

由此可見，在溶洞頂板厚跨比不變的情況下，溶洞形狀對(duì)樁基沉降影響較小，而對(duì)溶洞洞頂中心沉降影響較大。4種不同溶洞形狀下的樁基沉降云圖如圖5所示。

圖5 4種溶洞形狀下樁基沉降云圖

3.3 溶洞體積對(duì)樁基沉降量的影響

保持溶洞頂板厚跨比不變，將溶洞體積增至原體積的3.375倍和5倍，從表5和圖6中不難發(fā)現(xiàn)，該巖土層的樁基沉降隨溶洞體積的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但并未發(fā)生明顯的改變。在1倍體積下，樁基沉降量為11.42 mm，相比于跨度厚度不變的5倍體積下的11.49 mm，僅有0.6%的改變量；在厚跨比不變的條件下將跨度增大為6 m，體積增加至3.375倍，此時(shí)樁基沉降量為11.66 mm，較跨度4 m單倍體積有2.1%的增量，其改變量仍然較小。

表5 溶洞體積改變下樁基沉降改變量

圖6 溶洞體積對(duì)樁基沉降的影響

區(qū)別于樁基沉降，洞頂中心沉降隨溶洞尺寸增大呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，跨度4 m單倍體積時(shí)洞頂中心沉降最大為6.85 mm，但即使體積增至原體積的3.375倍，洞頂中心沉降也僅減小14%，為5.90 mm，因此在厚跨比為1時(shí)，溶洞體積的改變對(duì)于洞頂中心沉降的影響可不予考慮。

4 結(jié)語

1）在溶洞體積和形狀保持一致的情況下，洞頂至樁尖的豎向距離小于1.6 m，即厚跨比為0.2時(shí)，樁基沉降快速發(fā)生，此時(shí)需對(duì)溶洞進(jìn)行灌漿、回填片石等加固處理；當(dāng)洞頂至樁尖距離在1.6～3.2 m之間，即厚跨比為0.2～0.4時(shí)，沉降量較小，樁基趨于穩(wěn)定；當(dāng)距離大于4.0 m，即厚跨比超過0.4時(shí)，沉降基本穩(wěn)定，可以不再考慮溶洞對(duì)沉降的相關(guān)影響。

2）厚跨比為1時(shí)，可不考慮板厚對(duì)樁基沉降的影響，溶洞形狀對(duì)樁基沉降的影響不大。

3）厚跨比為1時(shí)，在溶洞體積顯著增大的情況下，樁基沉降有略微增長，但改變幅值不大，產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)。