考慮溶洞跨度影響的鐵路橋梁嵌巖樁承載特性研究

張凱ZHANG Kai

（山東省路橋集團(tuán)有限公司，濟(jì)南250014）

0 引言

巖溶的發(fā)育使得巖溶區(qū)巖體的強(qiáng)度與巖體穩(wěn)定性大幅降低[1]，巖溶地質(zhì)常常對工程建設(shè)造成不同程度的危害[2-3]。嵌巖樁將上部荷載傳遞至巖溶地基上，若樁基發(fā)生失穩(wěn)，將引發(fā)上部結(jié)構(gòu)破壞，故需要慎重考慮溶洞對樁基承載能力的影響。巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，影響嵌巖樁承載力及溶洞頂板穩(wěn)定性因素眾多，其中溶洞跨度為重要影響因素[4]。本文針對不同溶洞跨度開展數(shù)值模擬研究，得出不同溶洞跨度下單樁承載特性的一般規(guī)律，對實際工程有一定指導(dǎo)價值。

1 模型建立

1.1 基本假設(shè)

本文對所建立計算模型做出如下假設(shè)：

①上覆土層簡化為單一粉質(zhì)粘土層，嵌巖段為石灰?guī)r，二者分界面水平，所有巖土體均各向同性，不考慮地下水的影響，嵌巖段巖體完整；

②樁基下方溶洞為方形構(gòu)造，不考慮溶洞內(nèi)充填物的影響，溶洞頂板水平；

③不考慮樁體的破壞，土體及嵌巖段巖體采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則；

④假定樁巖接觸良好，忽略樁底沉渣等施工工藝對樁巖接觸面的影響。

1.2 幾何模型

為減小邊界效應(yīng)的干擾，對計算模型地層取20m×20m×40m 大小進(jìn)行分析。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)模型參數(shù)如下[5-6]，樁徑D=1.0m，樁長L=20m，溶洞高H=2m，頂板厚度h=3D，溶洞偏心距e=0，嵌巖深度hr=1D，溶洞跨度d 分別取2、4、6、8 倍的樁徑。樁基及地層的參數(shù)取值分別如表1、表2所示。

表1 樁基材料參數(shù)

表2 地層材料參數(shù)

1.3 接觸面設(shè)置

①樁-土接觸面：將剛度較大的樁體表面定義為主面，法向模型選擇“硬接觸”。切向模型采用罰函數(shù)模型，樁-土界面的摩擦系數(shù)設(shè)為0.45。

②樁-巖接觸面：將樁體側(cè)面定義為主面，法向模型為硬接觸模型，切向模型為罰函數(shù)模型，樁巖界面的摩擦系數(shù)設(shè)為0.60。

計算模型不考慮樁底沉渣等施工工藝的影響，將樁端設(shè)定為tie 約束，即樁端與下方基巖表面不發(fā)生相對位移。

1.4 邊界與荷載

對計算模型的底部與側(cè)面分別施加位移邊界條件：底部施加三向位移約束，側(cè)面施加法向位移約束，地表設(shè)為自由面。在地應(yīng)力平衡分析步中只對完整地層施加重力并進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，之后加入樁基模型并對其施加重力。在后續(xù)分析步中分級施加樁頂荷載，取每級10MPa，直至溶洞頂板破壞。

1.5 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分技術(shù)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分與掃掠劃分相結(jié)合的方法。為確保網(wǎng)格劃分質(zhì)量，對計算精度要求較高的局部進(jìn)行網(wǎng)格加密。本文所用計算模型整體單元尺寸為1.4，局部適當(dāng)加密至0.5，模型單元C3D8I。

2 溶洞跨度對單樁承載特性的影響

2.1 溶洞頂板破壞模式

在荷載逐漸增加的過程中，模型內(nèi)部豎向位移變化見圖1。

圖1 加載過程中地層豎向位移變化云圖（h=3D）

由圖1 可知，隨著豎向荷載的增大，土體的主要塑性應(yīng)變區(qū)從原來的嵌巖段上方部位逐漸過渡到樁端下方的巖體，即溶洞上方的頂板。隨著荷載增加，頂板破壞模式表現(xiàn)為沖切破壞。

2.2 溶洞跨度對單樁極限承載力的影響

圖2 為不同溶洞跨度模型下樁頂荷載-沉降曲線。當(dāng)溶洞跨度在d=6~8D 的范圍內(nèi)，樁頂荷載-沉降曲線沒有太大的差異，隨著溶洞跨度進(jìn)一步減小，對應(yīng)的單樁極限承載力有逐漸增加的趨勢。在溶洞跨度大于4 倍樁徑后，溶洞跨度的變化對單樁的極限承載力不再產(chǎn)生明顯的影響，單樁極限承載力逐漸趨于一個定值（見圖3）。

圖2 不同溶洞跨度下的樁頂Q-S 曲線

圖3 單樁極限承載力隨溶洞跨度的變化

2.3 不同溶洞跨度下的頂板破壞模式

在不同溶洞跨度情況下，由上部荷載引起的溶洞頂板的塑性滑移區(qū)域形態(tài)如圖4 所示。當(dāng)溶洞跨度d=2D 時，溶洞頂板在極限荷載作用下表現(xiàn)為沿樁周向下的剪切破壞。據(jù)此可以解釋圖1 中溶洞跨度為2D 時樁底Q-S 曲線與其他3 組的差異。

圖4 不同溶洞跨度下的頂板破壞模式

當(dāng)溶洞跨度在4D~8D范圍內(nèi)，模型樁底Q-S 曲線后半段出現(xiàn)明顯陡降趨勢，而溶洞跨度為2D 時，曲線斜率更為平緩，即隨著溶洞跨度減小，溶洞頂板從脆性破壞過渡為塑性破壞。在溶洞頂板跨度從4D 增加到8D 的過程中，頂板沖切破壞角基本保持不變。當(dāng)溶洞跨度超過某一閾值，在頂板厚度不變的條件下，其頂板沖切破壞角不再隨跨度增加而變化。

2.4 溶洞跨度對側(cè)阻與端阻荷載分布的影響

不同溶洞頂板破壞模式也表現(xiàn)為側(cè)阻與端阻荷載傳遞曲線的差別。如圖5 所示，對于樁側(cè)荷載傳遞曲線，當(dāng)溶洞跨度為4D~8D 時均表現(xiàn)為近似三折線軟化模型，而溶洞跨度為2D 時曲線形態(tài)較為復(fù)雜，其側(cè)阻從線型階段的峰值處下降至第二個“折點”后再次出現(xiàn)增大趨勢，表現(xiàn)出一定的硬化特征，到達(dá)最大側(cè)阻后再次軟化。

圖5 樁側(cè)荷載傳遞曲線

從圖6 中可看出，樁端荷載傳遞曲線最初的線型階段的斜率受溶洞跨度影響不大，但側(cè)阻充分發(fā)揮所對應(yīng)的極限位移值隨跨度增加而增大。對于樁端荷載傳遞曲線，溶洞跨度為4D~8D 時均表現(xiàn)為雙曲線模型，而溶洞跨度為2D 時表現(xiàn)出近似雙折線硬化模型。

圖6 樁端荷載傳遞曲線

嵌巖段側(cè)阻及端阻所承擔(dān)的荷載比隨溶洞跨度的變化曲線見圖7。

圖7 不同溶洞跨度下嵌巖段的側(cè)阻與端阻比重

由7 可知，隨著溶洞跨度的增加，樁端阻力承擔(dān)的荷載比逐漸降低。

3 結(jié)論

本文基于三維有限元數(shù)值模擬程序?qū)螛哆M(jìn)行模擬，分析了單樁承載特性及頂板破壞模式，得到以下結(jié)論：

①隨著溶洞跨度進(jìn)一步減小，對應(yīng)的單樁極限承載力有逐漸增加的趨勢。②在豎向荷載作用下，隨著溶洞跨度的減小，頂板從脆性破壞變?yōu)樗苄云茐摹＂郛?dāng)溶洞跨度為4D~8D 時樁側(cè)荷載傳遞曲線可采用三折線軟化模型。溶洞跨度為4D~8D 時樁端荷載傳遞曲線可采用雙曲線模型，而溶洞跨度為2D 時可采用雙折線硬化模型。