巖溶地區(qū)超長(zhǎng)樁基的豎向承載特性

李學(xué)友

中鐵二局第四工程有限公司， 成都 610031

溶洞大幅度降低了地基的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，給鐵路基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)和施工帶來較大難度。為確保鐵路工程的安全，設(shè)計(jì)中偏向于采用超長(zhǎng)樁基來解決巖溶地基中通行問題。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖溶地區(qū)樁基工作特性開展了一系列研究。黃祥國(guó)等［1］通過數(shù)值模擬分析了幾種不同溶洞病害下豎直單樁的變形與受力情況，并對(duì)填充溶洞前后樁基的變形進(jìn)行對(duì)比分析。張慧樂等［2］基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)巖溶區(qū)嵌巖樁承載能力的影響因素進(jìn)行了研究，在考慮巖溶區(qū)基樁嵌巖段巖層與頂板整體承載效應(yīng)及溶洞形狀對(duì)樁端極限承載力影響的基礎(chǔ)上，分析了巖溶區(qū)嵌巖樁樁端極限破壞模式。趙明華等［3］通過建立極坐標(biāo)系得出溶洞區(qū)嵌巖樁發(fā)生沖切破壞、冒頂破壞的限定條件和極限承載力計(jì)算公式。龔成中等［4］對(duì)巖溶地區(qū)樁基承載特性進(jìn)行了分析，提出巖溶地區(qū)樁基承載力確定方法。劉金礪等［5-6］通過大型群樁試驗(yàn)，研究了不同豎向荷載下群樁效應(yīng)、樁基沉降等工作性狀。值得注意的是，既有文獻(xiàn)多基于單樁和室內(nèi)群樁模型試驗(yàn)開展研究，對(duì)于巖溶地區(qū)超長(zhǎng)群樁的承載特性認(rèn)識(shí)尚有不足，復(fù)雜巖溶地基中樁基工作特性與無巖溶時(shí)的區(qū)別還不明確。

本文以南玉鐵路跨黎湛特大橋?yàn)楸尘?，開展巖溶地區(qū)超長(zhǎng)群樁基礎(chǔ)承載特性研究。根據(jù)工程實(shí)際場(chǎng)地條件，采用有限元軟件PLAXIS 2D建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)比分析有無巖溶條件下地基中超長(zhǎng)群樁荷載傳遞性狀及樁基受力差異，所得結(jié)果可為類似樁基工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)條件

橋址區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)興業(yè)縣東南側(cè)，主要跨越324號(hào)國(guó)道（DK161 + 828）和黎湛鐵路（DK162 +103）。高架橋橋位區(qū)溶洞較發(fā)育，沿垂直節(jié)理裂隙分布有串珠狀中小型溶洞。橋址區(qū)屬殘丘洼地，較為平坦，地面高程9 ~ 26 m，相對(duì)高差47 m。地層主要為泥盆系榴江組砂巖、灰?guī)r，在地表覆蓋有較厚的第四系堆積物。地層巖性主要特征自上而下描述如下：①人工填土，主要分布于國(guó)道、簡(jiǎn)易通鄉(xiāng)水泥路和土路的路基，厚1 ~ 5 m，含少量砂礫、圓礫土和建筑垃圾，稍濕，稍密 ~ 中密；②黏土，主要分布于地表，厚2.6 ~3.2 m，褐黃色為主，土質(zhì)較均勻，軟塑 ~ 硬塑，軟塑；③砂巖，厚22.6 ~ 24.3 m，黃褐色為主，泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)，薄厚層狀構(gòu)造，硅質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈角礫狀，全風(fēng)化；④灰?guī)r，青灰色、灰白色，礦物成分以方解石為主，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯多呈柱狀，滴鹽酸劇烈起泡，巖質(zhì)堅(jiān)硬，弱風(fēng)化。場(chǎng)地地層分布見圖1，巖土層物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 巖土層物理力學(xué)性能指標(biāo)

圖1 地質(zhì)剖面（單位：m）

樁基采用樁長(zhǎng)106 m、樁徑1.5 m的C30鋼筋混凝土樁，樁間距3.36 m，施工工藝選用旋挖樁配合泥漿護(hù)壁。承臺(tái)采用C35混凝土，尺寸為20 m（長(zhǎng)） × 0.8 m（寬） × 3.5 m（高）。平面布置見圖2。

圖2 樁基平面布置（單位：cm）

為分析施工過程中樁基工作特性，承臺(tái)施工完成后在其邊緣設(shè)置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在橋梁墩臺(tái)和上部結(jié)構(gòu)施工過程中進(jìn)行沉降追蹤監(jiān)測(cè)。

2 有限元模擬

2.1 模型建立及計(jì)算參數(shù)

地基采用15節(jié)點(diǎn)高精度三角形單元進(jìn)行離散，考慮到樁周巖土體的受力需要進(jìn)行精細(xì)化模擬，因此對(duì)樁周地基網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。計(jì)算過程中地基巖土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，其基本力學(xué)參數(shù)取值同表1。承臺(tái)、樁與土之間的接觸采用界面單元模擬，在每個(gè)界面均設(shè)置一個(gè)“虛擬厚度”，用來定義界面材料性質(zhì)的假想尺寸，虛擬厚度因子默認(rèn)值為0.1。在地基底面邊界，限制其豎直和水平方向位移；在土體兩側(cè)邊界，限制其水平方向位移。

取承臺(tái)側(cè)部投影①—⑥號(hào)樁建立模型。鋼筋混凝土承臺(tái)采用基于線彈性本構(gòu)模型的實(shí)體單元模擬，樁身采用軟件自帶結(jié)構(gòu)單元embedded pile模擬。承臺(tái)及樁身混凝土物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表2 承臺(tái)及樁身混凝土物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型設(shè)置與加載工況

為對(duì)比分析有無溶洞地基中樁基的承載性能，分別建立相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型，見圖3。模型水平方向尺寸為106 m，豎直方向取樁長(zhǎng)的兩倍，為212 m；模型溶洞形態(tài)按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)置。樁、承臺(tái)結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用通過界面強(qiáng)度折減因子Rinter模擬，將模擬結(jié)果與文獻(xiàn)［7］對(duì)照，不斷調(diào)整參數(shù)，反演得到摩擦因數(shù)為0.53。

圖3 數(shù)值模型

地基模型在自重加載情況下生成初始地應(yīng)力，對(duì)于有巖溶地基先將巖溶空腔部分的單元去除，然后對(duì)整個(gè)地基位移進(jìn)行清零。為獲得樁基在不同荷載情況下的工作特性，在承臺(tái)頂分14級(jí)逐級(jí)施加靜態(tài)均布荷載，單級(jí)荷載為500 kN。盡管該樁基設(shè)計(jì)荷載為3 500 kN，為深入探索樁基承載特性，本次加載最終荷載選擇較大值7 000 kN。

2.3 計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

為驗(yàn)證數(shù)值模擬參數(shù)取值的合理性，同時(shí)為樁基極限承載數(shù)值研究提供技術(shù)依據(jù)，提取橋墩施工不同階段及架梁完成時(shí)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，見表3?？芍?，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果較吻合，誤差為0.08 ~ 0.4 mm，表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果能較好反映現(xiàn)場(chǎng)樁基沉降及其變化趨勢(shì)。

表3 施工過程中承臺(tái)頂沉降

3 樁基承載特性分析

3.1 承臺(tái)頂及樁沉降特征

承臺(tái)頂荷載-沉降曲線見圖4?？芍杭虞d初期，樁頂部荷載-沉降近似呈線性“緩變型”關(guān)系，未出現(xiàn)顯著的陡降點(diǎn)，這與軟土中樁基的工作特性較為接近［8］。在相同荷載情況下，有溶洞地基承臺(tái)頂沉降大于無溶洞地基。當(dāng)加載到一定程度后，該曲線開始呈現(xiàn)非線性特征。無溶洞地基拐點(diǎn)為5 500 kN，有溶洞地基拐點(diǎn)為4 500 kN，后者比前者較早呈現(xiàn)非線性工作特征。若將荷載-沉降曲線非線性拐點(diǎn)處荷載作為容許承載力，則溶洞的存在使得樁基容許承載力降低了22.2%。

圖4 承臺(tái)頂荷載-沉降曲線

為進(jìn)一步分析各基樁工作特性，提取荷載4 500、7 000 kN時(shí)兩種地基中角樁（樁①）和中樁（樁③）樁頂、樁端處沉降數(shù)值（表4），在相同荷載下中樁樁頂沉降略小于角樁，有溶洞地基中樁身壓縮量大于無溶洞地基。以樁頂荷載7 000 kN時(shí)角樁為例，無溶洞地基樁頂沉降4.84 mm，樁端處沉降4.58 mm，得出樁身壓縮量為0.26 mm；有溶洞地基樁頂沉降6.72 mm，樁端沉降6.33 mm，得出樁身壓縮量0.39 mm。表明當(dāng)?shù)鼗写嬖谌毕輹r(shí)，樁身自身的壓縮量將增大，工程設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高樁身剛度。

表4 各基樁沉降

3.2 樁身軸力沿深度方向變化特征

超長(zhǎng)樁基樁身軸力隨深度變化曲線見圖5。可知：隨著荷載增大，各樁樁身軸力均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且角樁軸力（1號(hào)樁） > 邊樁軸力（2號(hào)樁） > 中樁軸力（3號(hào)樁）。同時(shí)，在表層人工填土和黏土地層中，樁身軸力略有增加，這主要是由于表層土體在受力作用下產(chǎn)生比樁體更大的變形，從而給樁體施加了向下的附加應(yīng)力。

圖5 樁身軸力隨深度變化曲線

對(duì)于無溶洞地基，隨著深度增大樁身軸力逐漸減小。減小區(qū)段主要分為兩段：第一段位于強(qiáng)風(fēng)化砂巖層內(nèi)，其減小幅度略小，主要是由于砂巖處于強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，其樁側(cè)摩阻力相對(duì)完整基巖較弱；第二段位于弱風(fēng)化灰?guī)r層中，該區(qū)段樁身軸力衰減幅度較大，表明該地基中灰?guī)r對(duì)樁基提供主要承載力。灰?guī)r區(qū)段樁身軸力隨深度呈現(xiàn)典型的“碗弧狀”分布，整個(gè)基樁表現(xiàn)出端承摩擦樁性狀。

與無溶洞地基不同，有溶洞地基中樁身軸力呈現(xiàn)復(fù)雜的變化趨勢(shì)，較典型現(xiàn)象是樁身軸力在溶洞區(qū)段出現(xiàn)局部增大，相同荷載下其樁底軸力約為無溶洞地基中樁底軸力的2倍，這主要是由于溶洞區(qū)域?qū)τ跇痘峁┑臉秱?cè)摩阻力相對(duì)有限，其承載需要樁端地基提供足夠的端阻力。同時(shí)，樁體自身重力作用使得樁身軸力在溶洞懸空段出現(xiàn)增加。

3.3 樁側(cè)摩阻力分布特征

樁側(cè)摩阻力分布曲線見圖6?？芍簾o溶洞地基中樁基左右兩側(cè)的摩阻力相差較小，中樁兩側(cè)的摩阻力基本吻合，邊樁左側(cè)摩阻力略大于右側(cè)摩阻力，這主要是由于邊樁左側(cè)位于外側(cè)，樁土之間位移相對(duì)樁右側(cè)略大，能夠調(diào)動(dòng)更多的樁側(cè)摩阻力抵抗上部荷載。與無溶洞地基相比，有溶洞地基中角樁和邊樁的兩側(cè)側(cè)摩阻力均不相同，角樁（1號(hào)樁）樁身上部側(cè)摩阻力的變化幅度大于中樁（3號(hào)樁），而在樁端附近則呈現(xiàn)相反的規(guī)律，但其區(qū)域較小。此外，無溶洞地基中基樁樁側(cè)僅在近地表附近出現(xiàn)小幅度的樁側(cè)負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力最大值僅為-26 kPa，而有溶洞地基中負(fù)摩阻力最大值出現(xiàn)在地面以下25 m左右，其值為-80 kPa，后者是前者的3.08倍，且后者出現(xiàn)樁側(cè)負(fù)摩阻力的區(qū)域要大于前者。

圖6 有無溶洞地基中樁側(cè)摩阻力分布曲線

無溶洞地基中中性點(diǎn)位于地面以下18 m左右，而有溶洞地基中性點(diǎn)比無巖溶地基中性點(diǎn)低2 m，且有溶洞地基中出現(xiàn)較大區(qū)段摩阻力為0的區(qū)域。盡管灰?guī)r地基相對(duì)于軟土地基能夠提供更多的側(cè)向約束和端部承載力，然而并非將樁端放在基巖上即可確保足夠的安全性。當(dāng)?shù)鼗写嬖谌芏磿r(shí)需要對(duì)溶洞進(jìn)行特殊處理，以保證樁側(cè)摩阻力的充分發(fā)揮和合理分布。

3.4 樁彎矩分布特征

角樁（1號(hào)樁）和中樁（3號(hào)樁）樁身彎矩分布見圖7?？芍簾o溶洞地基中樁身彎矩較小，而有溶洞地基中樁身某些深度處出現(xiàn)了較大的彎矩值，其位置基本與溶洞分布位置一致。同時(shí)，角樁樁身彎矩比中樁略大，這主要是由于角樁附近的約束作用沒有中樁附近大，中樁附近由于巖體的嵌固作用和周邊樁體的約束作用，其樁周應(yīng)力不均勻現(xiàn)象得到改善，因而呈現(xiàn)出略小的彎矩值。對(duì)于有溶洞地基，樁身彎矩最大值在邊樁位于地面以下25 m左右，其值為63 kN·m，其后隨著深度增加樁身彎矩逐漸減小，當(dāng)深度達(dá)到地面以下85 m左右時(shí)彎矩為9.6 kN·m，表明淺層溶洞對(duì)于樁身彎矩影響較大，在工程設(shè)計(jì)中可據(jù)此優(yōu)化樁基的配筋設(shè)計(jì)。

圖7 有無溶洞樁身彎矩分布

3.5 地基變形形態(tài)與應(yīng)力特征

地基變形分布與應(yīng)力狀態(tài)見圖8、圖9?？芍孩佼?dāng)存在溶洞時(shí)，地基中應(yīng)力的分布不均勻性增大，特別是存在串珠狀溶洞時(shí)，不同溶洞之間應(yīng)力分布更為復(fù)雜，直接影響到地基中樁基周圍的應(yīng)力分布，進(jìn)而對(duì)樁基摩阻力產(chǎn)生影響。當(dāng)樁頂荷載從4 500 kN增大到5 500 kN時(shí)，雖然地基中應(yīng)力總數(shù)值沒有增大，但是溶洞周圍的應(yīng)力增大，并且其不均勻性也隨之增大。②當(dāng)樁頂施加荷載時(shí)，地基中變形最大位置始終位于承臺(tái)下部。有溶洞地基中位移較大區(qū)域的面積大于無溶洞地基，且前者是后者的1.6倍左右。當(dāng)無溶洞時(shí)，地基中位移呈對(duì)稱分布，其等值線呈盆狀；當(dāng)有溶洞時(shí)，地基中位移等值線在溶洞周圍局部彎折。由于本研究中地基中溶洞分布并不對(duì)稱，因此地基中溶洞附近變形和應(yīng)力分布也不對(duì)稱，這將加劇樁身軸力分布的不均勻性。③隨著承臺(tái)頂部荷載的施加，樁基向下部地基中進(jìn)行應(yīng)力的傳遞和擴(kuò)散，并在溶洞之間形成較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一方面使得地基的沉降增大，另一方面使得溶洞周圍的變形呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。

圖8 無溶洞地基應(yīng)力和位移分布（應(yīng)力單位：Pa；位移單位：mm）

圖9 有溶洞地基應(yīng)力和位移分布（應(yīng)力單位：Pa；位移單位：mm）

4 結(jié)論

1）巖溶發(fā)育時(shí)樁基的容許承載力比無溶洞地基中樁基削弱了22.2%。溶洞的存在一定程度上減弱了地基的剛度，同時(shí)造成了復(fù)雜的應(yīng)力重分布現(xiàn)象。

2）有溶洞發(fā)育地基中樁身軸力除出現(xiàn)局部增大現(xiàn)象外，相同荷載下其樁底軸力約是無溶洞地基中樁底軸力的2倍，表明有溶洞地基為樁基提供的樁側(cè)摩阻力相對(duì)有限，需樁端地基提供足夠的端阻力。

3）當(dāng)樁身穿過多個(gè)串珠狀溶洞時(shí)，由于溶洞發(fā)育區(qū)沒有地基約束，側(cè)摩阻力為0，彎矩出現(xiàn)較大波動(dòng)，局部呈現(xiàn)往復(fù)型曲線，且最外側(cè)基樁彎矩最大，易發(fā)生破壞，必要時(shí)應(yīng)對(duì)溶洞進(jìn)行處理。

4）無溶洞時(shí)，地基中位移呈對(duì)稱分布，其等值線呈盆狀；有溶洞時(shí)，地基中位移等值線在溶洞周圍局部彎折，這將加劇樁身軸力分布的不均勻性，進(jìn)而可能導(dǎo)致樁基局部失效。