樁基荷載作用下巖溶區(qū)溶洞頂板穩(wěn)定性研究

姚成玉

(池州市公路管理服務(wù)中心，安徽 池州 247000)

0 引 言

巖溶地貌又被稱為喀斯特(karst)地貌，巖溶區(qū)域在我國(guó)各地均有分布，但主要集中在中西部地區(qū)。巖溶的特征主要為：下伏基巖埋藏較深、上覆土層較厚；溶洞規(guī)模普遍較小，大多數(shù)為全填充或半填充。隨著我國(guó)工程建設(shè)項(xiàng)目的增多，越來(lái)越多的項(xiàng)目可能碰到巖溶地質(zhì)條件，而由于溶洞的隱蔽性強(qiáng)、不易被探測(cè)到的特點(diǎn)給工程建設(shè)帶來(lái)了極大的困難。大量的工程實(shí)踐表明，巖溶地區(qū)地基承載力及其穩(wěn)定性受溶洞發(fā)育情況影響較大，樁基施工及上部荷載施加極易引起溶洞坍塌，嚴(yán)重影響該地區(qū)公路、橋梁等工程構(gòu)筑物施工、運(yùn)營(yíng)的安全。樁基由于其能適應(yīng)各類工程地質(zhì)條件，承載力高，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖溶地區(qū)的工程建設(shè)中[1,2]。

針對(duì)巖溶地區(qū)的樁基施工工程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量相關(guān)研究。趙明華等[3]運(yùn)用極限分析原理研究巖溶去樁端頂板的沖切破壞機(jī)制，根據(jù)格里菲斯巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則，計(jì)算得到樁端巖層抗沖切破壞的極限荷載。董蕓秀等[4]通過(guò)樁基靜載實(shí)驗(yàn)，測(cè)量樁身內(nèi)力，分析了巖溶區(qū)樁頂荷載與沉降之間的規(guī)律。汪華斌等[5]根據(jù)彈性力學(xué)推導(dǎo)巖溶頂板在樁基荷載作用下的最大應(yīng)力計(jì)算公式，引入Hoek-Brown準(zhǔn)則得出不同簡(jiǎn)化模型下巖溶頂板厚度的理論計(jì)算公式。廖春芳等[6]根據(jù)三維非線性有限元方法確定了采空區(qū)巖層頂板安全厚度的方法。王偉[7]系統(tǒng)開展了巖溶區(qū)樁基承載機(jī)制及溶腔整治技術(shù)的研究，通過(guò)數(shù)值模擬分析了單層、多層溶洞下“地層-樁基-溶洞”系統(tǒng)的破壞模式。尹凱麗等[8]研究了溶洞高度、頂板厚度、溶洞跨度和巖體強(qiáng)度等因素對(duì)樁基承載力的影響。楊博銘等[9]基于復(fù)變函數(shù)理論，得到了樁端荷載在矩形溶洞地層中的應(yīng)力場(chǎng)分布，最終通過(guò)數(shù)值分析對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算，其理論計(jì)算結(jié)果對(duì)巖溶區(qū)嵌巖樁的設(shè)計(jì)計(jì)算有一定的參考價(jià)值。

本文基于已有研究成果，使用FLAC 3D軟件計(jì)算了溶洞頂板厚度和樁端偏心距離情況下樁基礎(chǔ)及溶洞的穩(wěn)定性，分析對(duì)比了各因素作用下樁基的受力及變形規(guī)律，以期為巖溶區(qū)樁基工程勘察、設(shè)計(jì)及施工優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 數(shù)值模型假設(shè)條件

(1)土層采用mohr-columb模型，巖層采用各向同性的彈性模型。

(2)不考慮地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的軟弱結(jié)構(gòu)面的影響。

(3)參考工程實(shí)際對(duì)作用于樁基頂端的荷載進(jìn)行取值。

(4)將溶洞簡(jiǎn)化為規(guī)則的長(zhǎng)方體形狀，且洞內(nèi)無(wú)充填物，洞體為空洞。

1.2 建立三維模型

使用有限差分法軟件FLAC 3D建立三維模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖(單位：m)

考慮最不利情況，樁頂荷載全部傳遞至樁底，由于該模型為軸對(duì)稱模型，因此取模型的1/2進(jìn)行計(jì)算。模型中，樁徑D=1 m，樁長(zhǎng)30 m，為減小邊界條件對(duì)樁基施工的影響，模型邊界距樁基均為15倍樁徑，整體尺寸為40 m×20 m×45 m，四周邊界設(shè)水平位移約束，底部邊界設(shè)豎向位移約束，溶洞為6 m×6 m×3 m的長(zhǎng)方體空腔。

模型中，巖土體采用mohr-columb模型，樁基采用彈性模型，在樁基和土層之間建立接觸面考慮樁-土之間的相互作用，樁頂施加均布荷載，采用分級(jí)加載的方式施加。巖土層及樁基力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 模型力學(xué)參數(shù)取值

本文保持其他條件不變，通過(guò)改變H/D和L/D的取值來(lái)研究樁底與溶洞間豎向和水平距離對(duì)樁端位移的影響，文中H/D和L/D均為1～5。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 頂板厚度敏感性分析

本文進(jìn)行了樁基偏心距離為0、頂板厚度分別為1D、2D、3D、4D、5D的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，溶洞頂板厚度從1D增加到5D時(shí)，樁基底部位移值如圖2所示。

圖2 頂板厚度H與樁底豎向位移間的關(guān)系圖

從圖2可以看出，樁底的位移值隨頂板厚度的增加而從-12.3 mm逐漸減小至-3.5 mm，說(shuō)明頂板厚度的大小直接關(guān)系到樁基穩(wěn)定性的高低，頂板厚度越大，樁底位移越小，樁基施工時(shí)穩(wěn)定性越高。從圖2中也可以看出，當(dāng)頂板厚度大于3倍樁徑時(shí)，樁底位移變化曲線趨于平緩，說(shuō)明當(dāng)頂板厚度大于3倍樁徑時(shí)，樁基施工對(duì)溶洞產(chǎn)生的影響較小，巖溶區(qū)較穩(wěn)定。

圖3為不同頂板厚度條件下樁底位移值隨荷載的變化曲線。

圖3 不同頂板厚度下樁底Q-S曲線

從圖3可以看出，各曲線均隨荷載的增大其樁底位移值隨之增大，但由于溶洞頂板厚度的影響，厚度為1D時(shí)，隨荷載增加，位移亦隨之較快增長(zhǎng)，最大值為12.3 mm，且樁底位移隨荷載近似線性增加，表明，樁底與溶洞間的塑性區(qū)已經(jīng)貫通，此時(shí)溶洞對(duì)樁基施工的穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大的影響。而頂板厚度為3D、4D、5D時(shí)的三條曲線各階段位移值相近，表明，當(dāng)頂板厚度大于3D時(shí)，樁基施工對(duì)溶洞產(chǎn)生的影響較小。

2.2 偏心距離敏感性分析

本文保持頂板厚度為2D不變，改變樁端和溶洞中心偏心距離分別為1D、2D、3D、4D、5D的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，當(dāng)偏心距改變時(shí)，樁底位移值曲線如圖4所示。

圖4 偏心距離L與樁底豎向位移間的關(guān)系圖

保持其他因素不變，改變巖溶區(qū)樁基與溶洞的相對(duì)位置作為研究對(duì)象。圖4表明，當(dāng)偏心距離從1D增加至5D過(guò)程中，樁頂位移從-5 mm逐漸減小至-3.5 mm，即樁基施工位置距離溶洞越遠(yuǎn)，溶洞穩(wěn)定性越高。當(dāng)偏心距離大于3D時(shí)，樁基已經(jīng)不在溶洞上方，此時(shí)，增加偏心距離對(duì)減小樁底位移值的效果不明顯，因此，巖溶區(qū)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離溶洞分布密集區(qū)域。

圖5是頂板厚度為2D時(shí)，不同偏心距離下樁底Q-S曲線。

從圖5可以看出，最荷載的增加，樁底位移值平緩增大，當(dāng)荷載較小時(shí)，各工況下樁底位移值相近，表明此時(shí)溶洞對(duì)樁基施工的影響較小，當(dāng)荷載大于6 000 kN時(shí)，樁底位移隨偏心距離的增加有了明顯變化。水平偏心距離大于3D時(shí)，樁基已經(jīng)不在溶洞上方位置，此時(shí)偏心距離為3D、4D、5D的三條曲線相近，即增加偏心距離對(duì)減小樁基位移無(wú)明顯效果，因此施工時(shí)應(yīng)避開巖溶密集區(qū)域。

3 結(jié) 論

本文使用有限差分法軟件FLAC 3D對(duì)溶洞與樁基之間的頂板厚度與偏心距離對(duì)樁基施工的影響進(jìn)行了研究，分析了不同頂板厚度和偏心距離下樁底位移的變化情況，所得結(jié)論如下：

(1)頂板厚度直接關(guān)系到樁基的穩(wěn)定性，隨著頂板厚度的增加，樁底位移值隨之減小，當(dāng)頂板厚度大于3D時(shí)，樁底位移值趨向于穩(wěn)定，因此可認(rèn)為臨界頂板厚度為3D。

(2)樁底位移值隨著偏心距離的增加而減小，當(dāng)樁基不在溶洞上方區(qū)域時(shí)，巖溶對(duì)樁基施工產(chǎn)生的影響較小，因此施工時(shí)應(yīng)盡量避開巖溶區(qū)域。

(3)樁底位移隨施工荷載的增大而增加，荷載從3 000 kN增加至6 000 kN時(shí)，其位移改變率較大，荷載大于6 000 kN時(shí)，隨著荷載的增加，樁底位移呈均勻緩慢增加。