某高層建筑樁基下溶洞頂板的FLAC3D數(shù)值模擬

苗博泉，趙 旺

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

我國(guó)巖溶廣泛發(fā)育，分布面積廣、類型繁多，遠(yuǎn)超世界大多數(shù)國(guó)家[1]。溶洞是指隨著地下水在巖溶通道中的運(yùn)移，可溶巖持續(xù)受溶蝕、沖蝕和潛蝕作用而形成的地下洞穴。溶洞大都分布在可溶巖地區(qū)的斷層帶和裂隙帶，溶洞的形成使基巖不再完整，使其力學(xué)性質(zhì)有別于半無(wú)限介質(zhì)，大幅降低了基巖的承載力。在上部荷載、振動(dòng)或地下水波動(dòng)等因素作用下，溶洞頂板可能因失穩(wěn)而發(fā)生破壞，導(dǎo)致建筑基礎(chǔ)下沉或不均勻沉降，對(duì)建筑物的安全造成嚴(yán)重?fù)p害[2]。巖溶地區(qū)高程建筑常采用嵌巖樁基礎(chǔ)型式將樁基礎(chǔ)穿透溶洞深入下部穩(wěn)定基巖一定深度，以保證基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定[3]。但巖溶重度發(fā)育區(qū)溶洞尺寸往往較大，造成穿透溶洞時(shí)很難成樁[4]，某些地區(qū)可能在豎向有多層串珠狀溶洞發(fā)育，或者溶洞埋深很深，這時(shí)如果繼續(xù)穿透溶洞，基礎(chǔ)施工就難以保證經(jīng)濟(jì)和合理，因此就需要考慮將樁基礎(chǔ)置于溶洞頂板巖層上的可行性，結(jié)合在建的實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行高層建筑樁基荷載作用下的溶洞頂板穩(wěn)定性研究，可為巖溶地區(qū)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供理論和技術(shù)支撐。本文采用FLAC3D軟件對(duì)樁基礎(chǔ)和溶洞頂板巖層相互作用的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了溶洞圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變、塑性區(qū)分布等規(guī)律，從定量角度證明了樁基礎(chǔ)下溶洞頂板巖層的穩(wěn)定性。

1 工程概況

工程區(qū)地處深圳市坪山新區(qū)，擬建場(chǎng)地由4個(gè)地塊組成，各地塊地上建筑為數(shù)目不等的高層住宅樓及其附屬裙樓，設(shè)地下室2層，裙樓1～3層，高層住宅樓29～32層，建筑地上總高約100 m，框剪結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為嵌巖灌注樁，樁徑1 m，樁間距為四倍樁徑。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

依據(jù)工程地質(zhì)鉆探、原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)的成果分析，工程區(qū)內(nèi)巖土體工程地質(zhì)特征按地質(zhì)時(shí)代由新到老分述如下：

(5)微風(fēng)化大理巖(Csh)：灰白色，主要礦物成分為方解石，隱晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖芯呈塊狀、柱狀。天然密度2.59～2.82 g/cm3，飽和極限抗壓強(qiáng)度30.0～50.2 MPa。層頂埋深24.40～57.50 m。

本場(chǎng)地巖溶中等發(fā)育，既有單層溶洞，也有多層串珠狀溶洞，場(chǎng)地內(nèi)發(fā)育的溶洞屬小型-中型溶洞，鉆孔遇洞率15.38%，在豎直方向上表現(xiàn)出一定的分帶性。發(fā)育的溶洞多以垂直單層溶洞為主，最大單洞高8.2 m。溶洞分有充填和無(wú)充填兩種情況，充填物較復(fù)雜，主要有含礫粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、淤泥、碎石等。

3 溶洞頂板失穩(wěn)機(jī)理分析

溶洞圍巖的失穩(wěn)模式包括溶洞頂板巖層的垮塌和側(cè)壁巖體的破壞。對(duì)于頂板較薄的溶洞，其破壞模式往往是脆性破壞，對(duì)于頂板較厚的溶洞，其破壞模式多為整體滑移破壞。對(duì)于樁基礎(chǔ)下的溶洞，樁端加載面相對(duì)于基巖巖層的起伏往往可以忽略不計(jì)，所以樁端巖體的破壞形式與平底壓頭壓入巖體的破壞形式相近，都是局部荷載作用下發(fā)生的破壞，其破壞的發(fā)展過(guò)程如圖1所示[5]。

圖1 樁基礎(chǔ)下溶洞頂板巖體破壞過(guò)程Fig.1 The failure process of cavern roof under pile foundation

當(dāng)?shù)叵聡鷰r的靜止側(cè)壓力系數(shù)小于1/3時(shí)，在樁基荷載作用下，溶洞洞頂常常會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)，而圍巖的抗拉強(qiáng)度一般較低，故在這些區(qū)域圍巖容易發(fā)生拉斷破壞。當(dāng)完整巖體被結(jié)構(gòu)面切割后，頂部的不穩(wěn)定塊體極易沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移破壞，其破壞模式主要為受上部荷載作用巖塊順軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移。工程區(qū)巖溶中等發(fā)育，溶洞呈單層或串珠狀展布，在豎直方向上具有明顯的分帶性，鉆孔揭露的溶洞在豎向上尺寸較大，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，基礎(chǔ)形式為樁基，單樁荷載比較大，故拉斷破壞是工程區(qū)溶洞頂板破壞的主要形式。

4 FLAC3D模型的建立

工程區(qū)地下溶洞發(fā)育數(shù)量多且形態(tài)各異，對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)所有溶洞進(jìn)行數(shù)值模擬往往難以實(shí)現(xiàn)，為了使模擬結(jié)果有代表性并能說(shuō)明具體問(wèn)題，需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，本文選取發(fā)育較多的單體溶洞進(jìn)行模擬分析。建立模型時(shí)，巖土層分布、溶洞形態(tài)、力學(xué)參數(shù)、樁基礎(chǔ)布置等嚴(yán)格按勘察、試驗(yàn)和設(shè)計(jì)資料選取。模型邊界遠(yuǎn)大于樁基和溶洞的影響范圍，模擬過(guò)程中暫不考慮溶洞充填物和地下水等影響較小的因素的影響，將節(jié)理裂隙的影響折減到計(jì)算參數(shù)中，同時(shí)因模型范圍內(nèi)地形起伏不大，將巖土層假定為水平產(chǎn)狀以便于荷載的施加。

(1)地質(zhì)條件概化

模型范圍內(nèi)地層經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化后，大致可分為如下幾層：

①人工填土層：雜色，稍濕，松散狀，分布在表層1 m左右。

②含砂粘性土層：黃褐色，可塑狀，層厚3 m左右。

③中粗砂層：灰白色，飽和，稍密～中密狀，層厚3 m左右。

④含碎石粘性土層：褐黃色，可塑-硬塑狀，土質(zhì)不均勻，粘性好，層厚22 m左右。

⑤微風(fēng)化大理巖層：灰白色，隱晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

(2)模擬范圍及邊界條件

建模過(guò)程中偏于安全考慮，假定溶洞形態(tài)為正方體，因該形態(tài)比圓形溶洞更易受到破壞。模擬范圍從地表至溶洞下部完整基巖一定深度，模型尺寸為40 m×40 m×55 m。圖2為網(wǎng)格化后的地層模型，由30768個(gè)單元、34095個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，建模過(guò)程中為使計(jì)算結(jié)果更精確，對(duì)樁基和溶洞周邊網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)加密。模擬過(guò)程中約束模型底部及四周的位移，地表為自由邊界。

圖2 地層模型Fig.2 Strata model

(3)力學(xué)模型及參數(shù)取值

建模過(guò)程中采用莫爾-庫(kù)倫彈塑性材料的本構(gòu)模型。巖土層各力學(xué)參數(shù)按試驗(yàn)資料結(jié)合相關(guān)工程手冊(cè)選取，取值如表1所示。

表1 巖土層力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of rock and soil layers

(4)樁基布置及加載情況

溶洞上部樁基為4樁承臺(tái)基礎(chǔ)，樁呈正方形布置，樁徑1 m，樁間距4 m，嵌巖深度1 m，分布在模型中間，按最危險(xiǎn)的情況考慮，假定樁基位于溶洞正上方(圖3)?；娱_(kāi)挖6 m后在基坑底施工灌注樁，為模擬這一過(guò)程，先對(duì)地面以下6 m深土層賦以空模型，然后布置樁基，采用FLAC3D中自帶的樁結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。樁基礎(chǔ)為鋼筋混凝土圓樁，樁基密度2500 kg/m3，彈性模量為25 GPa，泊松比為0.2。樁頂單樁荷載取2733 kN。計(jì)算過(guò)程中不平衡力收斂良好，如圖4所示。

圖3 樁基布置圖Fig.3 Layout of pile foundations

圖4 不平衡力收斂圖Fig.4 The convergence graph of the unbalanced force

5 計(jì)算結(jié)果及分析

FLAC3D計(jì)算中默認(rèn)壓應(yīng)力為負(fù)值，拉應(yīng)力為正值[6]。圖5～圖12為后處理輸出的應(yīng)力云圖、變形圖、位移監(jiān)測(cè)圖及塑性區(qū)分布圖。

①?gòu)呢Q直應(yīng)力云圖(圖5)和水平應(yīng)力云圖(圖6)中可以看出，巖土體總體表現(xiàn)為壓應(yīng)力，量值為負(fù)，應(yīng)力值隨巖土層深度的加深而不斷增大。圖5說(shuō)明在溶洞頂板巖層及樁端出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為云圖中應(yīng)力值小于周邊區(qū)域，因?yàn)轫敯鍘r層在上部樁基荷載作用下產(chǎn)生向下的位移，導(dǎo)致頂板巖層向下彎曲，頂板各橫截面產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力，并在跨中截面中軸線達(dá)到最大，拉應(yīng)力中和了部分壓應(yīng)力，所以表現(xiàn)為云圖中應(yīng)力值的減?。煌瑫r(shí)樁基嵌巖段會(huì)與周邊巖層產(chǎn)生相對(duì)位移，因而會(huì)在樁周區(qū)域產(chǎn)生一定程度的拉應(yīng)力；此外，在溶洞側(cè)壁處產(chǎn)生了一定程度的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為云圖中應(yīng)力值的增大，但數(shù)值不足1 MPa，遠(yuǎn)小于微風(fēng)化大理巖的抗壓強(qiáng)度(37.11 MPa)，說(shuō)明溶洞圍巖受力狀態(tài)良好，整體穩(wěn)定。圖6說(shuō)明在溶洞周邊及樁端部位出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中，且越接近溶洞側(cè)壁拉應(yīng)力越大，但巖土體總體表現(xiàn)為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力數(shù)值遠(yuǎn)小于大理巖的抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明溶洞圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 豎向應(yīng)力云圖Fig.5 Vertical stress nephogram

圖6 水平應(yīng)力云圖Fig.6 Horizontal stress nephogram

②從豎向變形圖(圖7)、橫向變形圖(圖8)、整體變形圖(圖9)和變形矢量圖(圖10)中可以看出，巖土體大變形主要出現(xiàn)在土層中，微風(fēng)化巖層中變形較小，這與巖土體性質(zhì)的差異和應(yīng)力擴(kuò)散有關(guān)；此外，樁基影響范圍內(nèi)的變形要大于周邊區(qū)域，總體特征為變形以樁基為中心向四周及底部逐漸減小，距離越遠(yuǎn)，相應(yīng)的變形就越小，最大豎向變形出現(xiàn)在樁頂部位，達(dá)到1.54 cm，樁基沉降符合規(guī)范要求。

圖7 豎向變形圖Fig.7 Vertical deformation graph

圖8 橫向變形圖Fig.8 Lateral deformation graph

圖9 整體變形圖Fig.9 Overall deformation graph

圖10 變形矢量圖Fig.10 Deformation vector graph

③計(jì)算過(guò)程中對(duì)地表位移、樁底位移、溶洞洞頂位移及溶洞側(cè)壁位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，形成了位移監(jiān)測(cè)圖(圖11)，從圖11中可以看出，隨著計(jì)算過(guò)程的進(jìn)行，位移值均逐漸增大，其最大位移分別為1.29 cm、1.34 cm、0.98 cm、0.54 cm。相對(duì)于溶洞洞體尺寸來(lái)說(shuō)，樁基荷載引起的圍巖位移并沒(méi)有對(duì)溶洞產(chǎn)生過(guò)大的影響，溶洞總體上是穩(wěn)定的。

圖11 位移監(jiān)測(cè)圖Fig.11 Displacement monitoring graph

④由塑性區(qū)分布圖(圖12)可知，在樁基荷載作用下僅在上覆表層土體小部分區(qū)域產(chǎn)生了塑性破壞，主要表現(xiàn)為剪切破壞，而大部分土層及基巖內(nèi)均無(wú)塑性區(qū)出現(xiàn)，說(shuō)明溶洞圍巖并未發(fā)生塑性破壞，在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖12 塑性區(qū)分布圖Fig.12 Distribution of plastic zone

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用FLAC3D軟件對(duì)高層建筑樁基礎(chǔ)下的溶洞頂板巖層進(jìn)行了靜荷載下的數(shù)值模擬。在對(duì)工程區(qū)地層進(jìn)行合理簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，建立了溶洞計(jì)算模型，對(duì)各地層材料賦以合適的參數(shù)后，利用FLAC3D中自帶的樁結(jié)構(gòu)單元施加樁頂荷載，隨后進(jìn)行計(jì)算和后處理，得到了應(yīng)力云圖、變形圖、位移監(jiān)測(cè)圖及塑性區(qū)分布圖等一系列圖件。計(jì)算結(jié)果概述如下：

1)模型中巖土體應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在溶洞頂板巖層及樁基四周出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，壓應(yīng)力數(shù)值遠(yuǎn)小于大理巖的抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明溶洞圍巖的受力狀態(tài)良好，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)模型中巖土體的變形均以樁基為中心向底部及四周逐漸減小，最大豎向變形出現(xiàn)在樁頂部位，為1.54 cm，樁基沉降符合規(guī)范要求。

3)計(jì)算過(guò)程中對(duì)地表位移、樁底位移、溶洞洞頂和側(cè)壁位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)樁底位移最大，達(dá)到1.34 cm。相對(duì)溶洞洞體尺寸來(lái)說(shuō)，樁基荷載引起的位移并沒(méi)有對(duì)溶洞圍巖產(chǎn)生過(guò)大的影響，圍巖總體穩(wěn)定。

4)塑性區(qū)分布圖表明模型中僅在上覆表層土體局部區(qū)域產(chǎn)生了塑性破壞，主要表現(xiàn)為剪切破壞，絕大部分土體及基巖內(nèi)均無(wú)塑性區(qū)出現(xiàn)，說(shuō)明整個(gè)計(jì)算過(guò)程中溶洞圍巖均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，從應(yīng)力、應(yīng)變、位移及塑性區(qū)分布等多角度分析，該溶洞模型在高層建筑樁基荷載作用下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明此狀態(tài)下溶洞頂板與樁基相互作用系統(tǒng)是穩(wěn)定、可靠的。