串珠狀溶洞地區(qū)高速公路橋梁樁基沉降量安全性分析

秦張越

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610036)

我國西南地區(qū)地形復(fù)雜，大面積土地高低參差，縱橫起伏，海拔高差異常懸殊[1]，在公路線路規(guī)劃設(shè)計中橋梁占比大。巖溶地貌在我南部地區(qū)分布較多，在巖溶地區(qū)修建橋梁工程時樁基難免會穿越溶洞。

溶洞降低了樁端承載力，可能會加劇樁基沉降。一旦樁基因沉降而發(fā)生失穩(wěn)甚至失效，可能引起橋梁開裂或破壞，引發(fā)路網(wǎng)中斷，影響高速公路的正常運營，威脅公路運輸?shù)陌踩?。因此，在巖溶地區(qū)確保樁基安全十分重要。

學(xué)者針對巖溶地區(qū)樁基穩(wěn)定性及安全性進行了大量研究。馮忠居等[2]研究了陡坡-巖溶耦合作用對樁基豎向承載特性的影響；劉偉龍[3]考慮了群樁效應(yīng)，從樁基豎向承載力、沉降計算等方面探討了巖溶區(qū)橋梁樁基承載和變形特性；劉曉明等[4]解決了差異地基上樁基承臺梁內(nèi)力計算問題，對巖溶地基上橋梁樁基進行了優(yōu)化設(shè)計；孫映霞等[5]利用巖溶區(qū)典型的力學(xué)模型分析了不同影響參數(shù)對巖溶區(qū)樁基工程穩(wěn)定性的影響；趙明華等[6]結(jié)合混凝土平板受力特性，運用極限分析原理確立了符合工程實際的巖溶區(qū)樁端溶洞頂板沖切破壞機制。孫映霞等[7]得到了溶洞周圍巖體在樁基荷載作用下內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變的變化過程及破壞面的形狀和位置等，并提出判斷巖溶區(qū)樁基穩(wěn)定性的有效判據(jù)。

然而，現(xiàn)有的研究成果多針對樁基支承于單個溶洞頂板之上，很少考慮到串珠狀溶洞對樁基安全的影響。而在巖溶發(fā)育地區(qū)，溶洞下方可能隱藏有多個其他溶洞，許多實際工程的樁基都支承于串珠狀溶洞之上，對樁基的沉降量可能產(chǎn)生不同的影響。因此，本文建立串珠狀溶洞-樁基-巖土一體化有限元模型，結(jié)合工程實例，將3個樁基的樁基長度、直徑及彈性模量作為參數(shù)，以沉降量為評價指標(biāo)，分析串珠狀溶洞地區(qū)樁基不同參數(shù)對高速公路橋梁樁基沉降量的影響。

1 工程概況

擬建工程為廣東地區(qū)某高速公路工程項目K41段，該段高速公路處于巖溶區(qū)域，某大橋位于2個高丘急坡之間。樁基的參數(shù)未定，經(jīng)過地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)，橋梁5號樁基、6號樁基及9號樁基將穿過3個串珠狀溶洞，其中5號樁基區(qū)域存在2個溶洞，上方溶洞高度為0.85 m，下方溶洞高度為1.11 m；6號樁基區(qū)域存在3個溶洞，上方的2個溶洞高度為0.91 m及1.23 m，下方第3個溶洞高度較大，為2.21 m；9號樁基穿過2個溶洞，高度分別為1.34 m及1.78 m。巖土、溶洞及鉆孔分布見圖1。

圖1 巖土、溶洞及鉆孔分布圖(單位：m)

2 串珠狀溶洞-樁基-巖土計算模型

2.1 計算假定

根據(jù)現(xiàn)場高速公路橋梁樁基與土體的實際參數(shù)，建立串珠狀溶洞-樁基-巖土一體化有限元模型[8]。為便于有限元分析，做出以下假定。

1) 巖體按各向同性連續(xù)體考慮，同時不考慮地質(zhì)構(gòu)造方面的影響。

2) 樁基強度足夠，不會發(fā)生垂向失穩(wěn)破壞，同時考慮自重的影響。

3) 將溶洞簡化為圓柱形，并將溶洞設(shè)為空洞。

2.2 本構(gòu)模型及材料屬性

巖土剪切破壞的主要依據(jù)是摩爾-庫侖準(zhǔn)則，若僅把巖土作為理想塑性材料，也可以把摩爾-庫侖準(zhǔn)則視作屈服破壞準(zhǔn)則，此時，當(dāng)剪切面上正應(yīng)力與剪應(yīng)力之比達最小時，材料發(fā)生屈服破壞。摩爾-庫侖本構(gòu)模型參數(shù)較少，很好地反映了巖土的摩擦性特性，運用廣泛。

庫侖公式

f=τ-c-σtanφ=0

(1)

式中：σ為剪切面正應(yīng)力；τ為剪切面上的剪應(yīng)力，c和φ為屈服時對應(yīng)的黏聚力與內(nèi)摩擦角。

摩爾公式

f=(σ1-σ3)-(σ1-σ3)sinφ-2ccosφ=0

(2)

式中：σ1為大主應(yīng)力；σ3為小主應(yīng)力。

該巖溶區(qū)域巖土主要由粉質(zhì)黏土、卵土石及灰?guī)r構(gòu)成，巖土材料屬性見表1。

表1 巖土材料屬性

2.3網(wǎng)格劃分、邊界條件及接觸設(shè)置

5號樁1/4有限元模型的網(wǎng)格劃分見圖2，為提升計算效率與精度，對串珠狀溶洞所在灰?guī)r層進行網(wǎng)格加密，粉質(zhì)黏土與卵石土層網(wǎng)格大小設(shè)為8 cm，樁基與灰?guī)r層網(wǎng)格大小設(shè)為5 cm，網(wǎng)格單元類型為SOLID186。約束灰?guī)r層土體底部(X、Y、Z)3個方向位移。樁基與巖土層之間采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.2，各土層間摩擦系數(shù)設(shè)為0.3。有限元模型的求解使用拉格朗日及高斯方法。

圖2 5號樁1/4有限元模型網(wǎng)格劃分

2.4 工況設(shè)置

以高速公路橋梁樁基長度、直徑、彈性模型為研究變量，工況設(shè)置如下，均考慮最不利情況。

1) 樁基彈性模量為20 GPa，樁基直徑為1.2 m時，橋梁樁基長度設(shè)為30，34，38，42，46 m，分析5,6,9號樁基共15種工況。

2) 樁基彈性模量為20 GPa，樁基長度為30 m，樁基直徑設(shè)為1.2，1.4，1.6，1.8，2.0 m，分析5,6,9號樁基共15種工況。

3) 樁基長度為30 m，樁基直徑為1.2 m，樁基彈性模量設(shè)為20，24，28，32，36 GPa，分析5,6,9號樁基共15種工況。

3 樁基沉降量安全性分析

本文將樁基直徑、長度和彈性模量作為參數(shù)，得到了不同參數(shù)對樁基沉降量的影響規(guī)律，進而對比沉降量與最大容許沉降量，以確定參數(shù)的合理取值，為樁基的設(shè)計提供參考。

3.1 樁基長度的影響

樁基長度對樁基沉降量的影響變化圖見圖3。

圖3 樁基長度對樁基沉降量的影響

由圖3可知，5，6，9號樁基沉降量均隨樁基長度增大而遞減。樁基長度由30 m增加為46 m時，5號樁基沉降量由58.09 mm減少到22.73 mm，減少了60.87%；6號樁基沉降量由63.15 mm下降到34.82 mm，下降了55.1%；9號樁基沉降量由60.54 mm下降到25.15 mm，下降了58.46%。相同條件下，6號樁基的沉降量大于5號及9號樁基的沉降量，這是由于6號樁基多穿越1個溶洞，加劇了樁基的下沉。當(dāng)樁基長度分別小于36.62，37.43，38.67 m時，5，9，6號樁基沉降量超過最大容許沉降量40 mm，可能造成樁基的失穩(wěn)甚至失效，影響樁基的安全性。因此，為滿足樁基沉降量要求，5，9，6號樁基長度應(yīng)分別大于36.62，37.43，38.67 m。

3.2 樁基直徑的影響

樁基直徑對樁基沉降量的影響變化圖見圖4。

圖4 樁基直徑對樁基沉降量的影響

由圖4可知，5，6，9號樁基沉降量均隨樁基直徑增大而遞減。當(dāng)樁基直徑從1.2 m增加到2.0 m時，5號樁基沉降量減少了24.1 mm，下降了41.49%；6號樁基沉降量下降了38.76%；9號樁基沉降量由60.54 mm下降到35.21 mm，下降了41.99%。相同條件下，6號樁基的沉降量大于5號及9號樁基的沉降量，可得溶洞加劇了樁基的下沉。當(dāng)樁基直徑分別小于1.71，1.79，1.92 m時，5，9，6號樁基沉降量超過最大容許沉降量40 mm，可能造成樁基的失穩(wěn)甚至失效，影響樁基的安全性。為滿足樁基沉降量要求，5，9，6號樁基直徑不應(yīng)小于1.71，1.79，1.92 m。但一味地增大樁基直徑可能會引起工程造價過大，造成資源浪費，因此，應(yīng)合理設(shè)計樁基直徑。

3.3 樁基彈性模量的影響

樁基彈性模量對樁基沉降量的影響變化圖見圖5。

圖5 樁基彈性模量對樁基沉降量的影響

由圖5可知，5，6，9號樁基沉降量均隨樁基彈性模量增大而降低。樁基彈性模量由20 GPa增加為36 GPa時，5號樁基沉降量由58.09 mm減少到36.64 mm，減少了36.93%；6號樁基沉降量由63.15 mm下降到39.11 mm，下降了38.07%；9號樁基沉降量由60.54 mm下降到37.99 mm，下降了37.25%。相同條件下，6號樁基的沉降量大于5號及9號樁基的沉降量，這是由于5號及9號樁基穿越了2個溶洞，而6號樁基所在溶洞區(qū)域存在3個串珠狀溶洞，加劇了樁基的下沉。當(dāng)樁基彈性模量分別小于33.47，34.58，35.37 GPa時，5，9，6號樁基沉降量超過最大容許沉降量40 mm，影響了樁基的安全，可能引起樁基及上部結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。因此，為滿足樁基沉降量要求，5，9，6號樁基彈性模量應(yīng)分別大于33.47，34.58，35.37 GPa。增大樁基彈性模量會提高樁基的剛度，但也會增大施工難度及工程造價，應(yīng)合理設(shè)計樁基的彈性模量。

4 結(jié)語

本文結(jié)合廣東地區(qū)某巖溶區(qū)域高速公路工程案例，建立串珠狀溶洞-樁基-巖土一體化有限元模型，分析樁基長度、直徑及彈性模量對樁基沉降量安全的影響，得到如下結(jié)論。

1) 溶洞會加劇高速公路橋梁樁基的沉降。相同條件下，與5號及9號樁基相比，6號樁基所穿越溶洞更多，沉降量更大。

2) 樁基沉降量隨樁基長度、直徑、彈性模量增大而減少。為保障樁基的安全，樁基沉降量不應(yīng)超過最大容許沉降量40 mm。因此，5號樁基的長度、直徑、彈性模量不應(yīng)小于36.62，1.71 m、33.47 GPa；6號樁基的長度、直徑、彈性模量應(yīng)大于38.67，1.92 m、35.37 GPa；9號樁基的長度、直徑、彈性模量應(yīng)大于37.43，1.79 m、34.58 GPa。

3) 本文僅分析了樁基長度、直徑及彈性模量關(guān)鍵因素對樁基沉降量安全的影響，而在實際工程中，樁基施工工藝流程同樣會影響樁基沉降量，可做為后續(xù)研究內(nèi)容。