串珠狀溶洞影響下樁基豎向承載特性離心試驗

陳慧蕓,馮忠居,蔡 杰,夏承明,董建松

(1.長安大學 公路學院,西安 710064;2.福建省交通建設質量安全中心,福州 350001;3.三明莆炎高速公路有限責任公司,福建 三明 353000)

溶洞的隱蔽性與多樣性導致穿越溶洞的橋梁樁基與常規(guī)環(huán)境橋梁樁基承載特性差異較大且十分復雜。巖溶發(fā)育區(qū)橋梁樁基受溶洞影響,通常需穿過溶洞嵌入完整基巖,以確保樁端承載安全。在工程設計中,常依據經驗保守設計,現行規(guī)范中缺少針對性的巖溶發(fā)育區(qū)樁基的設計計算方法及其參數取值,致使工程技術人員設計時有較大的盲目性,多地區(qū)要求巖溶區(qū)樁基下伏溶洞頂板厚度不小于3倍樁徑,甚至不小于5倍樁徑,當樁位處存在多層溶洞時,樁基需穿過所有溶洞嵌入深處的穩(wěn)定巖層來達到規(guī)定嵌巖深度和頂板厚度,大幅增加了樁長,提高了橋梁基礎的設計與施工成本和難度[1-4]。

樁基穿越溶洞時,由于溶洞邊界條件的復雜性,樁基受力與變形特性與常規(guī)嵌巖樁存在較大差異。Chen等[5]通過離心模型試驗研究了樁基穿越不同規(guī)模和層數溶洞時,樁基的承載特性和荷載傳遞機制,給出了樁基豎向承載力對三因素的敏感度;何春林等[6-7]利用有限元分析的方法,研究了溶洞體積的大小、頂板厚度、串珠狀溶洞以及巖性對樁基承載力的影響;黃明等[8]利用渝黔鐵路巖溶區(qū)現場樁基進行數值建模,分析了樁基穿越多層溶洞時的豎向承載特性,提出了溶洞頂板兩種不同的剪切破壞模式,巖層的厚度和溶洞的跨度比值不同,巖層破壞模式不同,溶洞范圍內樁基的側摩阻力大幅衰減。當溶洞埋深較大時,樁底標高設計于溶洞之上,下伏溶洞對樁基的承載特性及穩(wěn)定性的影響較大,部分學者研究了溶洞頂板極限承載力、破壞模式及其穩(wěn)定性。張慧樂等[9]研究了溶洞頂板厚度、大小對樁基豎向承載力的影響,結合試驗結果對各影響因素的敏感性進行了分析;趙明華等[10-11]研究了巖溶區(qū)嵌巖樁力學模型及承載力計算公式,得到了下伏溶洞頂板安全厚度的確定辦法;董蕓秀等[12-13]通過靜載試驗,研究了下伏溶洞影響下樁基豎向承載特性和荷載傳遞機制,提出了當溶洞頂板彎拉破壞時的合理頂板厚度計算方法;尹君凡等[14-15]通過室內試驗研究了不同頂板厚度和不同偏心荷載作用下溶洞頂板的極限承載力;趙明華等[16-17]研究了嵌巖基樁發(fā)生沖切破壞時溶洞頂板安全厚度計算方法;柏華軍[18]研究了頂板在自重作用下發(fā)生沖切、剪切、彎拉破壞時,安全厚度的計算方法;鄒新軍等[19]采用荷載傳遞法和有限元分析法研究了穿越串珠狀巖溶區(qū)樁基的樁頂沉降計算方法,提出了“短摩擦樁+樁端壓漿”的溶洞處理方法;汪華斌等[20]建立了頂板的4種模型,研究了樁基作用下溶洞頂板的穩(wěn)定性判定依據;劉之葵等[21]研究了基礎底面尺寸、頂板厚度、溶洞跨度斷面形狀對地基穩(wěn)定性的影響;張永杰等[22]研究了溶洞空間形態(tài)對頂板穩(wěn)定性的影響,得到了考慮溶洞空間形態(tài)的頂板穩(wěn)定性分析方法;Thongraksa等[23]研究了溶洞周圍巖體的破壞模式,發(fā)現圍巖強度特性對其破壞模式和破壞起始位置均具有顯著影響,利用巖體抗拉強度和抗剪強度之間的關系確定了破壞模式判別方法,可用于評價溶洞圍巖的穩(wěn)定性。

目前,眾多研究均針對穿越溶洞或下伏存在溶洞的樁基承載特性及頂板穩(wěn)定性進行了研究,缺乏關于樁位處存在串珠狀溶洞時,穿越溶洞且置于下伏溶洞之上的樁基承載特性和荷載傳遞機制的研究。由于現場試驗受施工條件與成本限制較難開展,而離心模型試驗可將模型大比例縮尺,同時縮短試驗周期且較好地滿足試驗相似條件,離心模型試驗方法被廣泛應用于樁基承載特性研究中[24-27]。

因此,針對樁位處存在串珠狀溶洞時,樁基穿越溶洞且置于下伏溶洞之上的情況,基于離心模型試驗方法,探明穿越雙層溶洞且下伏存在溶洞時,頂板厚徑比變化對樁基豎向承載特性及荷載傳遞機制的影響,提出樁位處存在串珠狀溶洞時頂板厚徑比的合理取值,以期為巖溶區(qū)公路橋梁樁基設計與施工提供借鑒。

1 離心模型試驗設計

1.1 試驗設備與相似比

離心試驗使用TLJ-3型土工離心機,如圖1所示。離心機最大容重為60g·t,有效半徑為2.0 m。最大加速度范圍為10～200g,加速時間小于15 min。模型箱尺寸為700 mm(長)×360 mm(寬)×500 mm(高)。離心模型物理量對應關系見表1。

表1 試驗物理量相似比

圖1 離心機

1.2 模型設計

1.2.1 模型樁設計

根據相似原理,試驗相似比取n=100。模型樁選用封底的鎂鋁合金管,經萬能試驗機測試得鎂鋁合金管的彈性模量為45 GPa。為模擬基樁豎向承載特性并充分體現荷載傳遞過程,采用砂紙將模型樁外壁打磨粗糙,并在外壁涂抹一層薄薄的環(huán)氧樹脂,使模型樁與周圍巖土體充分接觸。在豎向荷載作用下,模型樁承載特性由原型的抗壓剛度(EA)進行控制。本次離心模型試驗主要使用的模型樁如圖2所示。模型樁尺寸計算公式為

圖2 模型樁

(1)

式中:Em、Ep為模型樁與原型樁彈性模量,Dmo、Dmi為模型樁外徑與內徑,Dp為原型樁樁徑。

原型與模型樁抗壓剛度見表2,二者的抗壓剛度誤差很小,證明了該模型樁用于本次基樁豎向承載特性離心模型試驗的合理性。

表2 模型樁與原型樁抗壓剛度比較

1.2.2 溶洞設計

為真實反映原型樁的受力及溶洞存在情況,模型試驗采用2 mm厚度的有機玻璃盒模擬溶洞,其剛度誤差為8.55%,如圖3所示。溶洞盒上下面中心均預留直徑20 mm的孔,以便基樁穿過溶洞進行固定。

圖3 溶洞模型

1.2.3 巖土層設計

由于模型箱尺寸有限,使用原狀土非常困難。為使模型土層的性質能夠反映實際土層,且保證不同組模型試驗中土樣的物理力學指標相同,本試驗采用人工配制的黏性土和人工配制混合料作為模擬風化巖。試驗中采用的土樣顆粒級配良好且每次試驗采用相同基礎土樣,控制土樣含水率、重度和壓實度,通過烘干試驗、直剪試驗和固結試驗測得土樣含水率、黏聚力和內摩擦角(圖4),確保每次試驗土樣的統(tǒng)一。巖溶嵌巖樁的設計通常要求樁端坐落于完整或較完整的溶洞頂板之上,基于此采用人工配制材料澆筑模擬樁端持力層。風化巖的模擬是經過反復配制和壓縮試驗(圖4),確定按m(水泥)∶m(石膏)∶m(水)∶m(土)=1∶0.5∶1.1∶0.8配制。通過壓縮試驗、含水率試驗和直剪試驗確定了巖土層的壓縮模量Es、含水率w、黏聚力c和內摩擦角φ,材料物理力學性質指標見表3。

表3 巖土層物理力學性質指標

圖4 巖土體性質土工試驗

1.3 試驗方案設計

為研究樁基穿越串珠狀溶洞后,下伏溶洞厚徑比對樁基豎向承載特性的影響,在充分考慮試驗目標及試驗可操作性的基礎上,簡化串珠狀溶洞為垂直發(fā)育的情況,控制3層溶洞的尺寸為3 cm×6 cm×6 cm,樁長l=24 cm,嵌入中風化巖層hr=1 cm,樁徑D=2 cm,樁基穿越的溶洞間距為2 cm,所穿越的下層溶洞底距樁底1 cm,頂板厚跨比為∞代表樁基穿越兩層溶洞且下伏無溶洞,試驗工況如表4,試驗工況示意如圖5所示。

表4 試驗工況

圖5 試驗工況示意

1.4 測試元件布設

1.4.1 應變片布設

試驗采用BF120-5AA型應變片(尺寸3 mm×2.6 mm,靈敏度系數2.0%,電阻為120 Ω,精度為0.05×10-6)測量樁身應變。應變片采用半橋接法,每一個測試應變片均對應一個補償片,補償片統(tǒng)一貼于鎂鋁合金板上,鎂鋁合金板在試驗過程中不可承受荷載、不可發(fā)生變形。為保證埋設在土中的電阻應變片有較高成活率,對模型樁縱向切開,在內壁上按圖6中的間距對稱布設應變片,為反映樁底附近應變,最底層應變片盡量靠近樁底。粘貼好應變片后,將模型樁用環(huán)氧樹脂粘貼修復。

圖6 應變片布設

1.4.2 位移計布設

本試驗主要測量樁頂沉降和樁身應變。選用HG-C1030型位移傳感器(測量范圍±5 mm,精度10 μm)固定在模型箱位移量測架上測試模型樁的豎向位移,如圖7所示。

圖7 位移傳感器布設

2 試驗步驟

2.1 試驗加載及數據采集

在離心模型試驗開始前,首先進行了各工況的樁基豎向承載力特性數值模擬,估算了下伏無溶洞時樁基豎向承載力,從而確定了離心模型試驗過程中豎向荷載加載的最大值為3 000 N。模型樁豎向分級加載通過在自主研發(fā)的樁頂固定加載平臺,每級對稱固定兩片共500 g鐵片在加載平臺上來實現的,共分6級加載,豎向荷載為500～3 000 N,每級加載持續(xù)10 min,加載間歇導致的卸荷過程引起的樁基彈性變形的改變較小,可忽略其對樁基承載性狀的影響。離心模型試驗樁位布置及加載平臺示意如圖8所示,hc為頂板厚度。試驗數據通過離心數據采集器采集并傳輸至數據控制器。

圖8 試驗樁位布置及加載平臺

2.2 試驗主要步驟

離心模型試驗主要步驟如下,如圖9所示。

圖9 試驗步驟

1)為保護應變片,將其對稱粘貼在模型樁內壁,固定好后用環(huán)氧樹脂還原,采用砂紙將模型樁表面進行了打磨,并在樁側涂抹薄薄一層環(huán)氧樹脂,使模型樁與周圍巖土體充分接觸;準備溶洞模型,將樁穿過溶洞并固定,按表4中的工況定位下伏溶洞位置。

2)本試驗巖土體采用分層填筑方法,每層2 cm,以保證壓實度。根據材料密度首先稱量11 592 g模擬巖石,在模型箱中均勻鋪開,用振動器將其壓縮到2 cm,共填筑16 cm。為滿足邊界條件,樁周土體邊界距樁中心至少8倍樁徑,離心模型試驗箱中最多布設兩根模型樁,將模型樁固定在預定位置(圖7),共填筑9次,最后稱量9 072 g土,共填筑3次。

3)稱量裝好模型的模型箱,用吊機將其放入離心機,用螺栓固定模型箱并配平配重箱。

4)連接位移量測架與模型箱,將位移計固定在位移量測架上。連接位移計、應變計與離心機數據采集通道。

5)關閉保護門,操作離心機設備加速到100g水平,勻速10 min,降速至停止。每級荷載結束試驗后,關閉離心機,增加荷載,重復以上步驟至加載完成。

6)從控制器導出數據并進行數據處理。

3 試驗結果分析

3.1 樁基豎向承載力

離心模型試驗中激光測距儀可直接量測各工況下基樁的樁頂沉降,考慮到樁徑較大,參照《樁基工程手冊》[28],取樁頂沉降為6%D(D為基樁直徑)時對應的豎向荷載為樁基豎向極限承載力Qu。穿越溶洞樁基置于下伏溶洞之上時,不同頂板厚徑比下的樁基荷載-沉降(Q-s)曲線如圖10所示。可以看出,與穿越二層溶洞且下伏無溶洞的情況相比,隨著豎向荷載增大,不同頂板厚徑比下穿越溶洞樁基的樁頂沉降均呈緩慢增大趨勢,頂板厚徑比大于2.5后,樁基荷載-沉降曲線與基準樁相近;同一荷載作用時,頂板厚徑比增大,樁頂沉降逐漸減小且減小幅度明顯變小,呈“倒W”型分布,如當樁頂豎向荷載為1 500 N時,與穿越二層溶洞且下伏無溶洞時的樁頂沉降相比,頂板厚徑比由0.5增大到3,樁頂沉降減幅分別為280.6%、222.1%、137.8%、114.9%、23.4%、4.0%,說明頂板厚徑比大于2.5后,穿越溶洞的樁基在豎向荷載作用下產生的沉降與下伏無溶洞時相近。

圖10 樁基荷載-沉降關系

不同頂板厚徑比下樁基豎向極限承載力和承載力影響度α的變化規(guī)律如圖11所示。其中,豎向極限承載力影響度α計算公式為

(2)

式中:Qu0為下伏無溶洞時樁基豎向極限承載力,N;Qui為不同溶洞頂板厚徑比時樁基豎向極限承載力,N。

由圖11可知,穿越溶洞的樁基豎向極限承載力與頂板厚徑比呈正相關關系,厚徑比大于2后,其對樁基豎向極限承載力的影響有明顯轉折。與下伏無溶洞的情況相比,當頂板厚徑比為0.5～3.0時,樁基豎向極限承載力分別減小了1 464.1、1 305.8、1 026.8、947.6、341.8、103.2 N,豎向承載力影響度分別為57.4%、51.2%、40.2%、37.1%、13.4%、4.0%。穿過雙層溶洞樁基的下伏頂板厚度≥2.5D時,樁基承載力受下伏溶洞影響減小明顯,影響度小于15%,此時可根據實際工程樁基上部設計荷載,確定樁基終孔標高,無需再一味穿過溶洞,避免由于一味地穿越下伏溶洞而大幅增加施工難度。

3.2 樁身軸力

穿越溶洞的樁基置于下伏溶洞之上時,不同頂板厚徑比下樁身軸力分布規(guī)律如圖12所示。可以看出,不同頂板厚徑比時,隨著樁頂荷載的增加,穿越溶洞樁基的樁身軸力均逐漸增大,傳遞至樁底的荷載也逐漸增加;樁頂荷載較小時,樁身軸力衰減較慢,當樁頂荷載逐漸增大,樁身軸力衰減速度增加;由于樁土相互作用的發(fā)揮,從樁頂至樁底,樁身軸力逐漸減小;在覆蓋層范圍內樁身軸力衰減較慢,進入巖層后樁身軸力衰減加快,而在溶洞范圍內軸力幾乎不衰減。溶洞頂板厚徑比小于1.5時,傳遞至樁端的荷載較小。同一荷載作用下,不同頂板厚徑比對樁身軸力分布的影響具有差異,以荷載3 000 N為例分析頂板厚徑比對穿越溶洞樁基樁身軸力分布的影響,如圖13所示?？梢钥闯?同一荷載作用下,不同溶洞頂板厚徑比時,穿越溶洞樁基的樁身軸力自樁頂至樁底逐漸減小,在覆蓋層范圍內衰減速度較慢,進入巖層后衰減速度加快,在溶洞范圍內,樁身軸力幾乎不衰減。不同之處在于,頂板厚徑比增大,上層溶洞頂板范圍內樁身軸力衰減速度減慢,傳遞至溶洞頂的荷載較大,中層溶洞頂板范圍內樁身軸力衰減速度亦減慢。頂板厚徑比為0.5～∞時,上層溶洞頂板范圍內軸力分別衰減了1 406.9、1 400.5、1 394.2、1 388.0、1 212.1、1 092.4、1 082.3 N,減幅分別為62.3%、61.8%、61.5%、61.0%、53.1%、47.7%、44.6%;下層溶洞頂板范圍內軸力分別衰減了437.9、413.8、394.1、319.2、287.3、255.7、236.8 N,減幅分別為51.8%、47.4%、45.9%、36.0%、26.9%、21.4%、17.6%。說明下伏溶洞頂板厚徑比增加,相同荷載作用下樁頂沉降減小,樁土相對位移減小,同時,樁基所穿越的溶洞頂板受荷載產生彎拉而擠壓樁身的作用減弱,樁側阻力減小,樁身軸力在頂板范圍內減幅減小。

圖12 樁身軸力分布規(guī)律

3.3 樁側阻力

穿越溶洞的樁基置于下伏溶洞之上時,不同頂板厚徑比下樁側阻力分布規(guī)律如圖14所示?？梢钥闯?不同頂板厚徑比下,隨樁頂荷載增加,同一深度處的樁側阻力逐漸增大;巖層范圍內樁側阻力較覆蓋層范圍內樁側阻力大,無論在覆蓋層范圍內還是巖層范圍內,隨著深度增加,樁側阻力均出現倒三角階梯型減小,表明樁側巖土體與樁的相對位移引起的應力是自上而下逐步發(fā)揮的;在溶洞頂板處樁側阻力驟減,且在溶洞范圍內側阻力接近零。以荷載3 000 N為例分析頂板厚徑比對穿越溶洞樁基的樁側阻力分布的影響,如圖15所示。可以看出,相同荷載作用下,頂板厚徑比增加,在覆蓋層和巖層范圍內穿越溶洞樁基的側阻力均隨深度減小且發(fā)揮程度接近,溶洞范圍內樁側阻力幾乎為零,表明增大頂板厚徑比對覆蓋層的側阻力發(fā)揮影響較小。與樁身軸力分布規(guī)律相對應,隨下伏溶洞頂板厚徑比的增大,在上層和中層溶洞頂板范圍內,樁側阻力減小。主要原因是樁基穿越溶洞的頂板受荷載作用而產生彎曲,隨下伏溶洞頂板厚徑比的增大,樁土相對位移減小,使頂板范圍內樁側阻力發(fā)揮程度減弱。

圖14 樁側阻力分布規(guī)律

圖15 頂板厚徑比對樁側阻力分布的影響

3.4 分項承載力

穿越溶洞的樁基置于下伏溶洞之上時,不同頂板厚徑比下樁基分項承載力分布規(guī)律如圖16所示?？梢钥闯?隨著頂板厚徑比的增加,穿越溶洞樁基的豎向極限承載力中樁側阻力和樁端阻力分別呈先增大后減小再增大與逐漸增大的趨勢,當頂板厚徑比大于2后,樁側阻力出現明顯拐點,而樁端阻力變化拐點不明顯;隨著頂板厚徑比增加,樁基豎向極限承載力中樁側阻力占比和樁端阻力占比分別呈逐漸減小和逐漸增大的趨勢。

圖16 樁基分項承載力分布規(guī)律

與穿越二層溶洞且下伏無溶洞的情況相比,頂板厚徑比為0.5～3.0時,樁側阻力分別減小了48.2%、43.7%、31.5%、32.1%、9.9%、3.4%,樁端阻力分別減小了88.1%、76.4%、69.8%、54.1%、24.3%、6.2%,二者的占比變化量分別為16.5%、11.8%、11.3%、6.2%、2.9%、0.5%。說明隨著頂板厚徑比的增加,樁基變形引起的周圍巖土體產生的變形減小,樁基豎向極限承載力增大,在極限荷載作用下樁基穿越溶洞的頂板彎拉擠壓作用減弱,樁側阻力發(fā)揮程度降低,其在極限承載力中的占比亦降低,樁基逐漸向摩擦端承樁轉化;頂板厚徑比大于2后,與下伏無溶洞時相比,樁側阻力減幅小于10%,此時樁基荷載傳遞機制與下伏無溶洞時相近。

4 結 論

1)當樁位處存在串珠狀溶洞,樁基穿越兩層溶洞且下伏存在溶洞時,樁基豎向極限承載力隨下伏溶洞頂板厚徑比增大而顯著增大,但其承載力的增加具有一定限值,當頂板厚徑比大于2.5后,樁基豎向極限承載力影響度小于5%。

2)穿越溶洞樁基的樁身軸力自樁頂至樁底逐漸減小,在覆蓋層范圍內衰減速度較慢,進入巖層后衰減速度加快,在溶洞范圍內,樁身軸力幾乎不衰減。頂板厚徑比增大,上層溶洞頂板范圍內樁身軸力衰減速度減慢,傳遞至溶洞頂的荷載較大,中層溶洞頂板范圍內樁身軸力衰減速度亦減慢。

3)隨下伏溶洞頂板厚徑比的增大,在上層和中層溶洞頂板范圍內,樁側阻力減小,溶洞范圍內樁側阻力幾乎為零。頂板厚徑比為0.5時,嵌巖段的側阻力大幅增加。

4)頂板厚徑比增加時,樁基豎向極限承載力中樁側阻力占比和樁端阻力占比分別呈逐漸減小和逐漸增大的趨勢,頂板厚徑比為0.5～3.0時,二者的占比變化量為16.5%～0.5%,樁基逐漸向摩擦端承樁轉化。頂板厚徑比大于2后,與下伏無溶洞時相比,樁側阻力減幅小于10%。

5)當溶洞頂板為完整穩(wěn)定的風化巖層時,嵌巖深度與頂板厚度之和超過3.0D后,頂板厚徑比大于2.5時樁基豎向極限承載力及樁側阻力占比與下伏無溶洞時接近,此時樁基具有摩擦端承樁特性。建議串珠狀溶洞區(qū)的樁基穿越兩層溶洞且置于下伏溶洞之上時,頂板厚徑比大于2.5即可忽略下伏溶洞對樁基豎向承載特性的影響,可根據樁基設計荷載確定合理的頂板厚徑比。