巖溶頂板穩(wěn)定性對樁基承載性能影響研究進展

黃智國，謝 晟，韋巡洲，魏景濤，朱書偉，陳恩友

（廣東省地質(zhì)建設(shè)工程集團公司 廣州 510060）

0 引言

巖溶地貌，又稱喀斯特地貌，是由水的化學(xué)溶蝕以及沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用共同造成的地質(zhì)作用和現(xiàn)象的總稱。中國是巖溶地貌分布面積最廣的國家之一，約有365 萬km2，超過中國國土面積的1/3。我國山脈多、山系發(fā)達程度高，對應(yīng)的石灰?guī)r的遍及范圍廣，所占地域大，往往會出現(xiàn)溶洞這類地質(zhì)形勢，所以，存在溶洞這種地質(zhì)的地區(qū)有很多。除了以山西和貴州為中心的兩大巖溶高原外，華南和西南地區(qū)的巖溶分布也很廣，分布于中國的23個省區(qū)，其中廣西、四川、云南和貴州最為常見［1-2］。我國部分地區(qū)的巖溶分布情況如圖1所示。我國的巖溶因地區(qū)的差異各有特點，但是巖溶地區(qū)的共同缺陷在于地下巖石經(jīng)過侵蝕而使巖體缺乏完整性，進而巖體的強度及穩(wěn)定性也隨之降低［3］。

圖1 我國部分省區(qū)巖溶分布統(tǒng)計Fig.1 Karst Distribution in Some Provinces of China

通常，在碳酸鹽巖地表上會逐步形成各種具有地區(qū)特征的風(fēng)化產(chǎn)物。這些風(fēng)化產(chǎn)物對巖溶地區(qū)的地基情況造成復(fù)雜影響，從自然形態(tài)上會出現(xiàn)石林、落水洞、天然橋和地下河天窗等巖溶地貌，如圖2 所示。樁基礎(chǔ)具有較高的承載力、較好的穩(wěn)定性、能有效控制不均勻沉降、良好的抗震性能，在巖溶地區(qū)工程建設(shè)中發(fā)揮了十分重要的作用。然而，工程建設(shè)中往往無法準(zhǔn)確監(jiān)測出溶液的詳細(xì)分布信息，樁基置于巖溶處無法避免，因而如何保證巖溶頂板穩(wěn)定性成為樁基工程設(shè)計能否成功的關(guān)鍵。工程建設(shè)中，附加荷載作用于巖溶頂板上，擾亂原有受力情況并導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，使得巖溶頂板的承載能力不足以支撐上部結(jié)構(gòu)所施加的荷載，最終導(dǎo)致產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，從而影響樁基的承載性能。

圖2 巖溶地貌剖面Fig.2 Section of Karst Landform

巖溶頂板穩(wěn)定性對樁基承載性能影響問題，國外研究起步較早，我國則是近些年來從工程的角度提出的，近年來關(guān)于巖溶地區(qū)穩(wěn)定性評價方法研究從“定性-半定量-定量”過程取得較大進步［4-14］。巖溶地區(qū)頂板穩(wěn)定性對樁基承載性能的影響是不可忽視的，相較于普通樁基的承載機理而言，巖溶區(qū)樁基的承載機理則相對復(fù)雜。故溶洞頂板穩(wěn)定性對樁基承載性能影響需要進一步的研究。為了減少溶洞頂板失穩(wěn)破壞的發(fā)生，國內(nèi)外許多學(xué)者針對溶洞頂板穩(wěn)定性對樁基承載性能影響問題，開展了大量的研究。對于溶洞頂板穩(wěn)定性對樁基承載性能影響的研究，主要包括理論研究、現(xiàn)場及室內(nèi)試驗、數(shù)值分析。

1 巖溶頂板穩(wěn)定性對樁基承載性能影響的研究方法

1.1 理論研究

國內(nèi)外學(xué)者對巖溶頂板穩(wěn)定性對樁基承載性能影響開展了大量理論研究分析工作，并提出了多種描述巖溶區(qū)樁基承載特性的理論。趙明華等人［6，13，15-17］采用Hoeck-Brown 強度準(zhǔn)則、枚舉優(yōu)化分析法、突變理論、數(shù)值流體方法、莫爾判據(jù)和格里菲斯判據(jù)等理論研究方法對巖溶區(qū)樁基的承載性能及機理進行了詳細(xì)分析，為巖溶區(qū)樁基研究的快速發(fā)展作出了重要貢獻。

雷勇等人［18］采用Hoeck-Brown 強度準(zhǔn)則，確定了巖體抗拉強度和剪切破壞強度計算公式和巖溶頂板安全厚度的計算方法；龔先兵等人［8］根據(jù)突變理論的基本概念，建立了巖溶區(qū)橋梁樁基樁端極限荷載計算方法；汪華斌等人［19］采用Hoeck-Brown 準(zhǔn)則作為判巖溶定頂板破壞的依據(jù)，建立了巖溶頂板厚度理論計算公式以及在沖切、剪切破壞條件下巖溶頂板安全厚度計算公式；廖春芳等人［20］研究了巖溶頂板安全厚度的各種影響因素，提出了該類地區(qū)巖溶頂板安全厚度枚舉優(yōu)化理論方法；曹文貴等人［21-22］采用模糊理論對巖溶頂板穩(wěn)定性進行分析并實證了其在工程風(fēng)險評估中的作用；JIANG 等人［23］通過研究巖溶地區(qū)的樁基，提出了樁端位于巖溶頂板時受力的極限平衡分析模型；HE 等人［24］采用灰色理論，研究了巖溶地區(qū)的巖溶-樁基-沙化的耦合效應(yīng)對樁基承載性能的影響；趙明華等人［25］采用平面應(yīng)力假定法得到樁基下伏溶洞應(yīng)力分布規(guī)律；胡柏學(xué)等人［26］基于線彈性全塑性數(shù)學(xué)模型及雙折線模型，推導(dǎo)出樁頂荷載與樁頂沉降量的關(guān)系。

目前研究大多將巖溶頂板簡化為水平面，計算時采用薄板理論，然而實際工程中巖溶頂板為一非線性曲面，這會導(dǎo)致樁基在在實際工程中的承載性能與理論計算差異較大。對于不均勻巖溶頂板對樁基的承載性能影響的理論研究還較少，需要進一步深入探討。

1.2 現(xiàn)場及室內(nèi)試驗

考慮到巖溶區(qū)樁基的多樣性和復(fù)雜性，現(xiàn)有的理論研究難以全面的評價巖溶區(qū)樁基承載性能。相比之下，現(xiàn)場和室內(nèi)試驗?zāi)芨玫姆从硨嶋H工程中的情況，如圖3 所示?，F(xiàn)場及室內(nèi)試驗可以通過模擬巖溶地區(qū)地下條件，建立合適的試驗裝置，模擬樁基和巖溶頂板之間的相互作用，從而探究巖溶頂板穩(wěn)定性對樁基承載性能的影響。

圖3 現(xiàn)場及室內(nèi)試驗示意圖［27,28］Fig.3 Schematic Diagram of Field and Laboratory Tests

劉鐵雄等人［29-30］采用相似性原則進行室內(nèi)模型試驗，研究了巖溶頂板承載力及其作用機理；黃生根等人［31］通過在巖溶區(qū)現(xiàn)場進行兩根大直徑樁的靜載荷試驗，得出樁-土荷載傳遞曲線符合雙曲線模型，溶洞頂板對樁基影響主要為樁側(cè)摩擦阻力的變化和樁的垂直位移；吳高橋等人［32］采用相似理論以混凝土作為石灰?guī)r模擬材料，設(shè)計了3 組不同厚度巖溶頂板破壞形式的大比例室內(nèi)模型試驗，研究和分析了溶洞巖溶頂板在各種厚度下的破壞形態(tài)；唐咸力等人［33］通過相似理論以水泥、砂、石膏模擬基巖，設(shè)計了4 組不同厚跨比下樁基下伏溶洞頂板破壞室內(nèi)模型試驗，研究了加載過程中樁基的承載性狀；雷勇等人［34］設(shè)計了巖溶樁基的室內(nèi)小型模型進行對比驗證，研究了巖溶頂板厚度與樁基破壞模式的關(guān)系；NIE 等人［35］搭建了尺寸為1.25 m×1.25 m×0.625 m 的縮尺比例半對稱模型箱，將樁基下3倍樁徑溶洞簡化為矩形，結(jié)果表明巖溶頂板的破壞形式為沖孔破壞；董蕓秀等人［36］通過樁基現(xiàn)場靜荷載試驗，根據(jù)試驗結(jié)果運用若干函數(shù)模型預(yù)測了樁基的豎向極限承載力；董平等人［37］通過現(xiàn)場試驗，研究了樁端阻力與嵌巖比的關(guān)系，建立了嵌巖樁嵌巖段的荷載傳遞函數(shù)及其解析解；張惠樂等人［38-40］采用相似原理對巖溶頂板進行室內(nèi)模型試驗，通過試驗結(jié)果分析得出巖溶區(qū)樁端承載性能及其破壞模式與溶洞位置、大小、形狀等密切相關(guān)。

通過進行現(xiàn)場試驗，可以獲得與實際工程情況較為符合的數(shù)據(jù)；在室內(nèi)試驗方面，可以通過使用適當(dāng)?shù)牟牧蟻砟M基巖，并進行模型試驗。與現(xiàn)場試驗相比，室內(nèi)試驗可以模擬實驗對象的破壞階段，是一種相對經(jīng)濟的研究方法。然而現(xiàn)有研究存在以下不足之處：樣本質(zhì)量不夠大，巖溶地區(qū)的地形復(fù)雜，巖溶頂部穩(wěn)定性對樁基承載性能的影響與地質(zhì)條件、地表水流等因素密切相關(guān)；變量設(shè)置不完善，巖溶頂部穩(wěn)定性對樁基承載性能的影響與諸多因素相關(guān)；實驗條件難以控制，巖溶頂部穩(wěn)定性對樁基承載性能的影響往往與環(huán)境變化密切相關(guān)。

1.3 數(shù)值分析

隨著數(shù)值計算技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬軟件在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。這些軟件運算原理多樣，包括有限元法、有限差分法、離散元法、有限體積法、有限求積元法、單純形法以及無網(wǎng)格法等。而常用的數(shù)值分析軟件則有PLAXIS、FLAC3D、ANSYS、ABAQUS、MIDAS、MARC 等。與傳統(tǒng)的物理試驗相比，數(shù)值模擬具有許多優(yōu)勢。首先，它能夠更靈活地模擬物理實驗中的各種工況。其次，數(shù)值模擬可以節(jié)約大量現(xiàn)場及室內(nèi)試驗所需的經(jīng)費。因此，在巖土工程研究中，數(shù)值模擬成為一種非常有效的研究手段。

在數(shù)值分析方面，曹文貴等人［41］采用數(shù)值流形方法提出了公路路基巖溶頂板穩(wěn)定性的計算模型，建立了巖溶區(qū)中的公路路基巖溶頂板安全厚度計算方法；蔣沖等人［42］通過引入突變理論和模糊理論研究巖溶樁端頂板穩(wěn)定性問題，建立出巖溶區(qū)樁端溶洞頂板穩(wěn)定性分析的突變評判新方法；WANG 等人［43］根據(jù)某橋梁工程對巖溶地區(qū)溶洞對超長跨度樁基的數(shù)值分析，進而研究了巖溶頂板的跨度、深度、厚度等對樁基承載性能的影響；王華牢等人［44］通過建立三維數(shù)值模型對溶洞頂板跨度、頂板厚度及頂板高度等進行敏感性分析研究，提出了巖溶區(qū)樁基承載力設(shè)計中應(yīng)予以考慮修正參數(shù)；黃明等人［45］通過PlAXIS2D 和ABAQUS軟件建立三維數(shù)值模型，研究了串珠狀溶洞頂板厚度、溶洞規(guī)模、上部覆土厚度對樁基承載力的影響；張俊萌等人［46］利用DIANA 軟件進行有限元分析，研究了巖溶地區(qū)的溶洞頂板與樁基之間的聯(lián)系，并計算了樁端荷載臨界安全值；孫映霞等人［47］使用數(shù)值模擬的方法探析了不同影響參數(shù)對巖溶區(qū)樁基承載性能的影響，研究出溶洞穩(wěn)定性指標(biāo)的變化規(guī)律，進而得到各關(guān)鍵參數(shù)對溶洞穩(wěn)定性的影響程度；ZHOU 等人［48］采用FLAC3D 軟件對巖溶場地群樁施工現(xiàn)場的多個小直徑群樁進行了數(shù)值模擬。

綜上所述，在數(shù)值模擬分析方面目前國內(nèi)外學(xué)者對于巖溶頂板穩(wěn)定性對樁基承載性能影響研究已做出了大量工作。然而，現(xiàn)有的數(shù)值分析研究中存在以下不足之處：樁基-巖體相互作用的模擬不準(zhǔn)確，現(xiàn)有的數(shù)值分析研究往往采用簡化的模型和假設(shè)，未能準(zhǔn)確地模擬實際情況，導(dǎo)致結(jié)果的準(zhǔn)確性受到影響；對巖溶地區(qū)地質(zhì)特征和巖石溶蝕作用的理解不足，缺乏準(zhǔn)確的模型和參數(shù)；現(xiàn)有的數(shù)值分析研究大多是基于理想化模型或理論假設(shè)進行的，缺乏對具體巖溶地區(qū)實際工程情況的考慮，因此結(jié)果可能與實際情況存在差異。

2 巖溶的發(fā)育程度分類及其對樁基工程的影響

巖溶的發(fā)育程度對于樁基承載性能有重要影響。巖溶發(fā)育程度是指地下水流動和溶蝕作用導(dǎo)致的巖石或土壤的溶洞、溶縫等巖溶特征的形成程度。按照溶洞和樁基的位置關(guān)系可以把巖溶區(qū)樁基模式進行了劃分，主要分為以下3類：嵌入單個較大溶洞頂板的樁基、貫穿一個或多個溶洞的樁基、位于溶洞側(cè)旁的樁基，如圖4 所示［49］。巖溶發(fā)育程度可以分為輕度、中度和重度3個級別。不同的發(fā)育程度對樁基承載性能不同影響。

圖4 巖溶區(qū)樁基模型Fig.4 Pile Foundation Model in Karst Area

輕度巖溶區(qū)的巖溶發(fā)育程度較低，巖石和土壤的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。在輕度巖溶區(qū)，巖石可溶性較低，較為穩(wěn)定，對樁基的穩(wěn)定性有一定的保障。相比于強度較低的溶洞區(qū)域，在輕度巖溶地區(qū)，巖石的強度較高，能更好地承受樁基的負(fù)荷。然而輕度巖溶地區(qū)普遍存在小型的溶洞和裂隙，這些溶洞和裂隙對樁基的承載性能有一定的負(fù)面影響。由于巖溶地區(qū)地下水的存在，輕度巖溶地區(qū)的樁基在施工過程中容易遇到地下水的滲入問題。地下水的滲入會導(dǎo)致樁基周圍土壤的沖刷和軟化，進而降低樁基的承載性能。輕度巖溶對樁基承載性能有一定的影響。盡管巖溶地區(qū)的巖石強度較高，能夠保證樁基的穩(wěn)定性，但地下溶洞、裂隙和地表塌陷等問題仍需要引起重視。在輕度巖溶地區(qū)進行樁基的設(shè)計和施工時，需要充分考慮這些因素，采取相應(yīng)的措施來減小其對樁基承載性能的影響。

中度巖溶區(qū)的巖溶發(fā)育程度較高，巖石和土壤中存在較多的溶洞和溶縫。在中度巖溶區(qū)，樁基的承載受到巖溶特征的影響較大，其地下水含量豐富，溶蝕作用強烈，形成了許多洞穴和地下腔室。由于巖溶作用的存在，地下存在許多洞穴和裂隙，這些洞穴和裂隙會對樁基的承載性能產(chǎn)生負(fù)面影響。中度巖溶對樁基的承載性能產(chǎn)生顯著影響。在中度巖溶地區(qū)進行樁基工程設(shè)計和施工時，應(yīng)充分考慮巖溶地質(zhì)特征，合理選擇樁基類型和施工方法，加強樁基與地下土體的連接，采取相應(yīng)的加固措施，以保證樁基的穩(wěn)定和安全。此外，還需要加強監(jiān)測和維護，及時發(fā)現(xiàn)和處理巖溶地質(zhì)環(huán)境對樁基承載性能的影響。

重度巖溶區(qū)的巖溶發(fā)育程度最高，巖石和土壤中存在大量的溶洞和溶縫。巖溶的發(fā)育使得地下水流動性較強，地下水通過溶蝕作用，在溶蝕空洞的形成過程中，巖石的物理強度大幅度減弱，導(dǎo)致巖溶地區(qū)樁基承載性能受到明顯影響。重度巖溶區(qū)的地下水滲流方向常常改變，地下水滲流力對樁基的作用也會隨之發(fā)生變化。地下水的流動對樁基施加的側(cè)向力可能導(dǎo)致樁基的側(cè)傾和滑移。重度巖溶區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造常常復(fù)雜，地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)較差，地質(zhì)體存在不均勻性。這些因素也會對樁基的承載性能產(chǎn)生不利影響。重度巖溶對樁基的承載性能具有明顯的影響。在進行巖溶地區(qū)的樁基設(shè)計和工程施工時，需要充分考慮巖溶地形地貌和地下水流動特性，采取相應(yīng)的防治措施，確保樁基的穩(wěn)定性和安全性。

3 巖溶頂板的穩(wěn)定性對樁基的承載性能的影響因素

巖溶頂板的穩(wěn)定性對樁基的承載性能有重要影響，巖溶頂板若失穩(wěn)，則失穩(wěn)破壞作用于樁基上的反作用力將顯著增大。溶洞的空間位置、大小、高度、強度、質(zhì)量及其嵌固深度等因素會對巖溶頂板承載力產(chǎn)生不同程度的影響，其中影響敏感程度比較大的因素主要為：溶洞大小、頂板厚度、溶洞跨度、巖土強度等。巖溶地區(qū)的樁基承載性能受巖溶頂板多方面因素的影響，其中主要因素為巖溶頂板的強度、傾倒角度、厚度。

3.1 巖溶頂板的強度

巖溶頂板的強度對于樁基承載性能有著重要的影響。巖溶地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特點使得巖溶頂板常常存在裂縫、孔洞等缺陷，這會使得巖溶頂板的強度較弱，穩(wěn)定性較差，從而影響到樁基的承載性能。巖溶地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造使得巖溶頂板常常呈現(xiàn)不均勻、不連續(xù)的特點，存在著較多的裂縫、孔洞等缺陷，使得巖溶頂板的強度較低。裂隙、孔洞等缺陷使得巖溶頂板更容易發(fā)生滑移、塌陷等不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)樁基施加荷載時，巖溶頂板可能受到破裂或破碎的影響，無法提供足夠的支撐，從而導(dǎo)致樁基的承載力衰減。

因此，為了保證樁基的承載性能，需要在巖溶地區(qū)對巖溶頂板進行專門的地質(zhì)勘探和工程設(shè)計。通過對地質(zhì)特征的細(xì)致觀察和測試，可以評估巖溶頂板的強度和穩(wěn)定性，并采取相應(yīng)的措施強化巖溶頂板的支撐能力。常用的措施包括注漿、灌漿、預(yù)應(yīng)力加固等方法，以增加巖溶頂板的強度和穩(wěn)定性，提高樁基的承載能力。

3.2 巖溶頂板的傾倒角度

巖溶頂板的傾斜角度對樁基承載性能有一定程度的影響，主要影響樁基的垂直度、穩(wěn)定性和承載力。巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，地下溶洞較多，巖溶頂板的傾斜角度可能會導(dǎo)致樁基垂直度的偏差。如果傾斜角度較大，樁基可能無法垂直負(fù)荷，從而影響樁基的承載性能。當(dāng)巖溶頂板傾斜角度較大時，樁基受到的傾斜力較大，可能會導(dǎo)致樁基的穩(wěn)定性差，容易發(fā)生滑移或傾倒等問題，同時可能會導(dǎo)致巖層的變形和移動，從而影響樁基的承載能力。

因此，在巖溶地區(qū)進行樁基設(shè)計時，需要充分考慮巖溶頂板的傾斜角度。如果傾斜角度較大，需要采取措施加固樁基，如采用加固樁或增設(shè)支撐結(jié)構(gòu)等，以確保樁基的承載性能。此外，還需要進行詳細(xì)的巖溶地質(zhì)調(diào)查，了解巖層的具體情況，以便確定合適的樁基設(shè)計方案。

3.3 巖溶頂板的厚度

巖溶頂板的厚度足夠大能起到保護樁基穩(wěn)定性、分散荷載和限制樁身變形的作用。巖溶頂板的厚度足夠大時，可以起到保護樁身穩(wěn)定的作用，防止樁基受到外部荷載的壓力和摩擦力，從而提高樁基的承載能力。并且能將上部結(jié)構(gòu)的荷載分散到更大的范圍內(nèi)，減小了荷載的集中度，從而減小了樁基的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高了樁基的承載能力。此外，巖溶頂板的厚度能限制樁身的變形，通過阻止樁身的側(cè)向變形，從而限制樁基在垂直方向上的變形。

總的來說，巖溶頂板的厚度越大，對樁基的承載性能的影響越顯著，能夠提高樁基的穩(wěn)定性和承載能力。

4 結(jié)論及展望

巖溶區(qū)樁基穩(wěn)定性受巖溶環(huán)境影響常發(fā)生失穩(wěn)或破壞，其過程和影響因素十分復(fù)雜，本文介紹了巖溶頂板穩(wěn)定性對樁基承載性能的研究方法，總結(jié)了巖溶區(qū)樁基穩(wěn)定性的主要影響因素，得到了如下結(jié)論：

⑴巖溶頂板穩(wěn)定性對樁基承載性能影響研究方法有理論研究、現(xiàn)場及室內(nèi)試驗、數(shù)值分析。通過Hoeck-Brown 強度準(zhǔn)則、枚舉優(yōu)化分析法、突變理論、數(shù)值流體方法、莫爾判據(jù)和格里菲斯判據(jù)等理論研究方法可對巖溶區(qū)樁基的承載性能及機理進行詳細(xì)分析。通過現(xiàn)場及室內(nèi)試驗，可獲得與實際工程情況較為符合的數(shù)據(jù)。通過數(shù)值分析可研究巖溶頂板各因素對樁基承載性能的影響。

⑵巖溶的發(fā)育程度對于樁基承載性能有重要影響，對巖溶地區(qū)進行樁基礎(chǔ)工程設(shè)計時需重復(fù)考慮該地區(qū)的巖溶發(fā)育程度。

⑶巖溶頂板對樁基承載性能的主要影響因素：巖溶頂板強度、巖溶頂板傾倒角度、巖溶頂板厚度。并且溶洞的空間位置、大小、高度、強度、質(zhì)量及其嵌固深度等因素會對巖溶頂板承載力產(chǎn)生不同程度的影響。

⑷現(xiàn)有的研究多數(shù)聚焦于室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬分析，對實際工程中的巖溶頂板的穩(wěn)定性和樁基的承載性能缺乏實地觀測和實測數(shù)據(jù)支撐，需要加強巖溶地區(qū)實地觀測和實測數(shù)據(jù)的收集工作，以便更準(zhǔn)確地評估巖溶頂板的穩(wěn)定性和樁基的承載性能。加強巖溶地區(qū)樁基與巖溶頂板之間的關(guān)系研究，探討巖溶頂板的穩(wěn)定性如何影響樁基的承載性能和長期變形特性。還需要進行更多的室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬分析，以深入研究巖溶頂板的形成機制和工程特性，對巖溶地區(qū)樁基的設(shè)計和施工技術(shù)進行改進和優(yōu)化，提高巖溶地區(qū)樁基的承載性能和整體穩(wěn)定性。