巖溶區(qū)樁基承載特性研究綜述

侯振坤, 劉宇鵬*, 凌造, 王道初, 李波, 侯潔平, 蘇定立, 王磊

(1.廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院, 廣州 510006; 2.廣州建筑股份有限公司, 廣州 510030; 3.廣州市建筑集團有限公司, 廣州 510030; 4.廣州市建筑科學研究院集團有限公司, 廣州 510440; 5.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室, 武漢 430071)

巖溶地貌是指由于含有二氧化碳的地表水和地下水對可溶性巖石長期以淋濾、溶蝕等化學作用為主,機械沖刷、搬運作用與重力崩塌過程為輔并且加以沉積作用而形成的一種特殊地貌形態(tài)和水文地質(zhì)現(xiàn)象的總稱[1]。中國巖溶地質(zhì)分布范圍,巖溶類型也多種多樣,巖溶區(qū)覆蓋面積達到344 km2,占國土面積的1/3以上,裸露型喀斯特地貌覆蓋面積達120萬km2,主要分布在廣西、湖南、云南、貴州、四川等中國西南部地區(qū),埋深多為淺埋,具有承載能力不穩(wěn)定的特點,且中國洞穴塌陷90%為人為原因造成。巖溶形成過程中水的溶蝕改變了巖石的滲透性、孔隙結(jié)構(gòu)、抗壓強度、抗剪強度等物理力學性能,頂?shù)装鍘r層的物理力學性質(zhì)遭到了大幅破壞,因此在巖溶區(qū)進行工程建設中地基不均勻沉降、地表開裂塌陷、溶洞頂板坍塌、突水等工程問題時有發(fā)生。并且,溶洞存在形狀多變、埋深不規(guī)則的特點,故巖溶地貌屬于不良地質(zhì)環(huán)境。在巖溶區(qū)施工時首要原則是避讓,但朝著高、大、深、重方向發(fā)展的基建工程往往受限于周邊環(huán)境,避讓成本過高,不得不將樁基坐落在巖溶區(qū)。

為保證巖溶樁基具有足夠的承載能力,國內(nèi)外學者對此開展了大量的研究,形成了豐富的成果, 2013—2023年Web of Science 中有關巖溶區(qū)樁基主題的出版物數(shù)量呈現(xiàn)逐年增長的趨勢,并且這些出版物主要集中在工程和建筑以及采礦領域,說明巖溶區(qū)樁基承載特性問題研究在這些領域受到重點的關注。樁基礎可穿過土層與溶洞頂板,直接坐落在溶洞底板的巖層中,在處理巖溶區(qū)復雜工程地質(zhì)條件給工程所帶來的困難中發(fā)揮了出色的作用,其樁端嵌巖后可大幅提高樁基的承載性能,具有承載力高、穩(wěn)定性好、沉降量小的優(yōu)點[2-4]。目前巖溶區(qū)常用樁基有鉆孔灌注樁、PHC(pre-stressed high-strength concrete)管樁[5]、靜鉆根植竹節(jié)樁、中掘法管樁、異型樁等。其中,鉆孔灌注樁具有造價低、設備簡單、施工速度快的優(yōu)點,但是具有成樁質(zhì)量難以保證、噪聲大、泥漿污染的缺點;PHC管樁具有施工速度快、成樁質(zhì)量好、經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)點,但是具有樁徑受到施工方法制約的缺點;靜鉆根植竹節(jié)樁具有環(huán)保、樁身直徑大、承載力高的優(yōu)點,但是其樁端難以嵌巖。中掘法管樁擠土效應不明顯,克服了沙礫層等硬土層無法穿透的問題,但是具有施工設備龐大、粗砂地層難以鉆進的缺點。異型樁可分為如下兩種:一類是通過改變樁身縱截面的方法來提高承載力,如竹節(jié)樁、中掘法管樁、根式基礎等;另一類則是通過改變樁身橫截面的方法來提高承載能力,如方樁、H形樁。這類樁在溶洞處理中具有能夠最大程度發(fā)揮樁體結(jié)構(gòu)潛能、節(jié)約原材料的優(yōu)勢,但是也具有施工器具研發(fā)困難、承載機理復雜的缺點。

巖溶地區(qū)樁基施工如何處理溶洞以提高建筑地基的穩(wěn)定性、節(jié)約成本是一個永恒的話題,國內(nèi)外學者開展了大量的研究,獲得了豐富的成果,針對不同地質(zhì)條件的溶洞處置,新技術、新裝備、新理論、新樁型相繼問世,對巖溶區(qū)樁基向更高臺階邁進奠定了扎實的理論和實踐基礎,然而新工藝的問世在解決巖溶區(qū)樁基設計施工難題的同時也給巖溶地區(qū)樁基承載特性的研究提出了新挑戰(zhàn),在巖溶區(qū)荷載傳遞機理模糊、承載力確定方法缺乏依據(jù),基于此,現(xiàn)擬開展溶區(qū)樁基承載性狀的綜述研究,從理論研究、物理模型實驗、數(shù)值模擬3個方面分析當下巖溶區(qū)樁基承載性能研究進展和存在的主要問題,以期待為巖溶區(qū)樁基的發(fā)展增磚添瓦。

1 巖溶區(qū)樁基承載特性理論計算研究現(xiàn)狀

巖溶樁基承載特性與非巖溶區(qū)相差較大,巖溶的存在改變了樁基的荷載傳遞特性和失穩(wěn)破壞模式。因此,對巖溶樁基承載特性的研究關鍵的突破點在于樁-溶相互作用。如圖1所示,針對在樁基承載力影響范圍內(nèi)僅存在單一溶洞情況,根據(jù)樁基與巖溶的相對位置關系可將樁基分為下伏溶洞型樁基和貫穿溶洞型樁基,下伏溶洞型樁基的樁端嵌入溶洞頂板的巖層中,要求溶洞頂板的巖層具有足夠的厚度和承載性能,其承載性能不僅與非嵌巖段的摩阻力有關,還與嵌巖段的摩阻力和端阻力有關,其失穩(wěn)破壞模式與溶洞頂板巖層的物理力學性質(zhì)密切相關,貫穿溶洞型樁基施工過程較為復雜,需要提前對溶洞進行處理,其承載性能不僅與溶洞處理效果有關,還與溶洞底板的巖石風化溶蝕程度有關。

圖1 巖溶區(qū)樁基類型Fig.1 Pile foundation type in karst area

1.1 下伏溶洞型樁基承載特性研究進展

1.1.1 樁基極限承載力研究進展

楊富山[6]利用理想彈塑性模型、雙曲線模型和三折線模型三種荷載傳遞模型對巖溶區(qū)樁基豎向、樁側(cè)與樁端荷載傳遞機理進行了分析,探討了巖溶區(qū)樁基承載力的關鍵影響因素。龔先兵等[7]對基樁承載力組成進行了劃分,并引入突變理論構(gòu)建簡化后的力學模型,以此獲得樁端阻力的尖點分叉集方程,求解得到樁端極限承載力計算公式。趙明華等[8]基于溶洞破壞時的臨界狀態(tài)將嵌巖樁的破壞模式劃分為四種,根據(jù)樁-巖體系的傳力機制得到了不同破壞模式下樁端極限承載力的計算方法,并針對性地對冒頂、沖切兩種破壞模式發(fā)生條件進行了總結(jié)。趙明華等[9]根據(jù)其所分析的巖溶區(qū)嵌巖樁樁端承載機理構(gòu)建出簡化后的極限承載力計算模型,依托復變函數(shù)的方法進行求解,得到樁端極限承載力解析解,并分析了影響樁端極限承載力的相關因素。龔先兵[10]利用突變理論簡化了抗沖切、剪切、抗彎狀態(tài)的驗算模型,并將邊界條件代入所得的突變公式最后推導出巖溶區(qū)樁端極限承載力表達式。劉一新[11]采用Hoek-Brown強度準則對塑性破壞情形的頂板承載力求解,引入S形曲線擬合的方法得到與實測值吻合的沖切剪壓破壞下的頂板承載力計算根式,采用極限分析的計算方法得到對稱與非對稱情況下巖溶頂板極限承載力解析解。

1.1.2 溶洞頂板安全厚度研究進展

趙明華等[12]確定了沖切破壞模式下荷載傳遞機理,基于格里菲斯非線性巖石強度準則并根據(jù)功能原理與變分原理得到?jīng)_切破壞模式下巖層到達破壞時的極限荷載與破壞體母線方程,推導得到巖體抵抗沖切破壞的安全厚度計算公式。唐咸力[13]揭示了巖溶區(qū)樁基荷載傳遞特征及破壞機理,得到突變理論下的頂板安全厚度驗算表達式,通過研究樁-巖體系的梁板模型和拱模型,推導出沖切破壞情況下的破壞母線方程和承載力計算解。柏華軍[14]對溶洞頂板抗沖切和剪切厚度計算公式進行了進一步的完善,提出考慮頂板自重等影響因素在內(nèi)的溶洞頂板抗拉彎破壞厚度計算公式。趙明華等[15]利用彈性力學和第一強度理論,推導出考慮頂板整體性的抗彎安全厚度計算公式,利用格里菲斯判據(jù)與摩爾判據(jù),推導出考慮樁端嵌巖段側(cè)阻影響的頂板抗沖切和剪切的安全厚度計算公式,并通過有限元軟件與工程實例進一步驗證了上述公式的可行性。Yuan等[16]根據(jù)廣義Hoek-Brown強度準則與極限分析法得到巖溶頂板沖切破壞模式下厚徑比確定方法,并給出不同巖體類型下其厚徑比取值建議。唐明裴等[17]對雙液高壓旋噴注漿法形成的參與溶洞頂板共同受力的持力層進行了不同受力模式的分析,得到該方法作用后溶洞頂板彎曲破壞與沖切破壞的一系列計算公式,并通過有限元軟件對旋噴注漿處理后溶洞頂板安全厚度計算公式進行了進一步的驗證,根據(jù)研究得到了該方法作用后對工程影響的相關結(jié)論,為巖溶地區(qū)橋梁持力層實際提供了新思路。

1.1.3 溶洞頂板穩(wěn)定性研究進展

蔣沖等[18]利用突變理論和模糊理論,剖析了溶洞頂板系統(tǒng)并建立了符合工程實際情況的頂板穩(wěn)定性評判模型,推導了各評判指標的突變類型確定方法及突變類型歸一化公式,建立了一種新的基于突變指標評判的溶洞頂板穩(wěn)定性分析方法。曹文貴等[19]運用三角模糊數(shù)代替計算參數(shù)取值的方法建立了能夠同時考慮抗沖切、抗剪與抗彎作用三種情況的溶洞頂板模糊平衡分析理論模型,在建立模型各參數(shù)確定方法后提出了基于模糊能度可靠性理論的溶洞頂板穩(wěn)定性分析方法,為巖溶頂板穩(wěn)定性分析提供了一種新的不確定性分析方法。曹文貴等[20]對不確定因素波動程度確定方法進行了分析,利用Info-Gap理論和現(xiàn)有極限平衡分析方法分別建立了溶洞頂板不確定性的可靠度模型和對應的響應模型,依此提出一種對數(shù)據(jù)要求較低且操作簡便的新的巖溶頂板穩(wěn)定性分析方法。張健[21]利用Serrano理論和可拓學理論對傾斜的巖溶頂板的承載、破壞機理進行了研究,得到考慮板厚和洞寬因素下的多種破壞模式下端阻力計算方程,研發(fā)了樁基穩(wěn)定性動態(tài)分析軟件,并研究了單樁、群樁作用下的樁基穩(wěn)定性和頂板破壞機理。張永杰等[22]對不同空間形態(tài)的溶洞在樁基作用下頂板的穩(wěn)定性進行了研究,將溶洞頂板簡化為固支梁、拱與固支雙向板等力學模型,通過分析得到溶洞頂板安全厚度與洞高的變化規(guī)律與各因素變化對溶洞頂板承載特性的影響規(guī)律,提出了一種考慮溶洞空間形態(tài)的樁基穩(wěn)定性評價方案。

1.2 貫穿溶洞型樁基承載特性研究進展

貫穿溶洞型樁基的承載特性相比于下伏溶洞型樁基的情況要復雜,其影響參量的確定及力學模型的建立有很大的區(qū)別,目前貫穿溶洞型樁基的承載特性研究相較于下伏溶洞型樁基略顯匱乏。彭戈[23]對基樁穿越多層溶洞情況承載力及沉降進行了研究,獲得了穿越型溶洞基樁考慮頂板厚度和考慮最大沉降的極限承載力計算式。張冰淇[24]基于擾動狀態(tài)理論建立了地層-樁界面穿越串珠狀溶洞的荷載傳遞模型,對荷載傳遞關鍵因素進行研究,得到樁體穿越復雜溶洞底層時單樁豎向變形計算公式。劉澤宇[25]概述了巖溶區(qū)樁基遇到溶洞的兩類處理方法,分析了兩種方法的基樁荷載傳遞規(guī)律及破壞模式并對各種破壞模式進行了歸納與內(nèi)在機理分析,推倒了穿越型樁基極限承載力計算公式。何慶華等[26]通過試驗證明了使用荷載傳遞法研究穿越型樁基承載力有較高的精度,并且對施工中“見洞就穿”的處理手段提出了修改意見,對各類樁基承載力機理進行了分析。刑宇鋮[27]對巖溶-地層模型進行了適當簡化,利用圓孔擴張理論和Mindlin解對溶洞地層作用力及其增量進行求解,明確了不同樁段荷載傳遞規(guī)律,給出了單樁穿越填充型溶洞和不填充溶洞的沉降計算公式。

綜上可知,無論是在巖溶區(qū)樁基承載力理論計算方面還是樁基荷載傳遞特性方面都已經(jīng)形成了豐富的成果。上述研究通常用概率、突變、區(qū)間等模糊處理的方法確定極限承載力,在考慮巖溶頂板穩(wěn)定性、厚跨比、高跨比等影響因素的情況下代入各種破壞模式下的約束條件后推導較為精確合理的極限承載力計算表達式,并且對于單樁穿越溶洞情況的樁基承載力理論研究也獲得了豐富的研究成果。但是上述研究成果在考慮巖體特性對樁基承載力的影響方面有所欠缺,所推導出的承載力計算公式大多僅考慮了巖石強度、彈性模量、頂板厚度以及水流沖刷作用等因素中的一種或兩種因素的影響,缺少多因素同時考慮以及考慮各影響因素直接相互干擾情況下的理論公式,需要進一步優(yōu)化。并且,現(xiàn)有的理論研究模型多為理想的剛性模型或彈塑性模型,對于斷裂和損傷模型理論力學公式的研究仍是一個巨大的空缺。考慮多因素影響下各種頂板破壞模式單樁極限承載力計算式推導、群樁的極限承載力表達式研究和貫穿溶洞型樁基承載特性的分析,引入斷裂和損傷模型的研究使力學模型更貼合實際是未來重點發(fā)展的方向。與此同時,也應該注重樁-巖接觸面以及樁-土接觸面的變形和破壞機理的研究,目前在這些方面的研究尚不深入,相關機理仍比較模糊。

2 巖溶區(qū)樁基承載特性實驗研究現(xiàn)狀

2.1 巖溶區(qū)樁基物理模型實驗研究進展

物理模型實驗因其具有經(jīng)濟性好、現(xiàn)象直觀且能夠正確反映實際工程狀況的特點受到廣泛運用,如圖2所示為部分科研單位的巖溶區(qū)樁基承載特性測試實驗系統(tǒng)[13,28-30]。王革立[28]自主設計了巖溶區(qū)樁基承載性能室內(nèi)物理模擬實驗系統(tǒng),可實現(xiàn)多影響因素對頂板承載力及破壞模式的影響效果研究,同時編制了自動化數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng),得到了頂板安全厚度的半經(jīng)驗半理論公式與樁基嵌巖深度確定方法。唐咸力[13]針對沖切破壞模式設計了四組厚跨比模型實驗,揭示了沖切破壞模式下巖溶區(qū)樁基荷載作用機理,得出了剪切、彎曲效應共同作用是頂板發(fā)生沖切破壞的根本原因,基于物理模型實驗結(jié)果得到與厚跨比有關的沖切破壞母線方程。龔先兵[10]根據(jù)相似理論設計大比例室內(nèi)實驗,發(fā)現(xiàn)影響樁基承載力的關鍵影響因素有溶洞厚度、跨度,溶洞頂板的破壞模式與頂板厚度密切相關,頂板厚度由小到大逐漸發(fā)生沖切、剪切與彎拉、彎拉破壞模式。Zhao等[32]進行了多組不同厚跨比條件下頂板沖切破壞的大比例模型實驗,通過位移曲線數(shù)據(jù)和破壞面形態(tài)對比分析得出彎曲作用和剪切作用組合是發(fā)生沖切破壞的原因,厚跨比與位移量、彎曲作用成反比,與剪切作用、承載力成正比。張健[21]設計了頂板傾斜情況與群樁情況下的大型組合式多功能樁基模型試驗,進行了不同板厚、樁徑、頂板傾角等條件下群樁與單樁的室內(nèi)模型試驗,揭示了頂板傾斜狀態(tài)下沖切破壞規(guī)律、群樁作用下破壞規(guī)律,提出了受巖溶影響的樁基荷載傳遞模型。周文佐[33]基于相似理論優(yōu)化了模型材料配比、設計了室內(nèi)物理模型試驗,獲得了巖溶區(qū)樁基的承載力變化規(guī)律。Liang等[34]研究了位于樁側(cè)的水平與垂直形態(tài)溶洞對抗滑樁預埋部分穩(wěn)定性的影響。

圖2 樁端荷載下巖溶樁基承載性能測試實驗系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of karst cave under pile end load

2.2 貫穿溶洞型樁基實驗研究進展

實際工程中可能遇到下伏溶洞頂板承載能力不足的情況,這時需要將樁基貫穿溶洞頂板,將其坐落在承載能力更高的溶洞底板或下層的溶洞頂板當中,這種樁基便稱之為貫穿溶洞型樁基, 對于該類型樁基也有不少學者對其進行了物理模型試驗研究,取得了一定的成果。蘇冠峰[35]依托相似理論自主研發(fā)了溶洞巖石相似材料,依此建立模型進行了樁基穿越單層溶洞,多層溶洞的室內(nèi)模型試驗,將試驗結(jié)果與樁基不穿溶洞情況相比較,分析了溶洞半徑、溶洞高度、穿越溶洞數(shù)量等變量情況下貫穿溶洞型樁基荷載沉降、樁身軸力、側(cè)摩阻力等特性的變化規(guī)律。陳慧蕓等[36]進行了單樁貫穿兩層溶洞且樁端置于第三層溶洞頂板情況離心模型試驗,分析了相較于無下伏溶洞情況第三層溶洞頂板厚跨比變化對單樁荷載沉降、極限承載力及樁身、樁側(cè)荷載的變化規(guī)律,試驗結(jié)果可為實際施工提供參考。高祁等[37]通過設計室內(nèi)模型實驗分析拋填片石法處理貫穿型溶洞情況樁頂荷載沉降曲線、樁身軸力傳遞規(guī)律以及樁側(cè)阻力的變化規(guī)律,獲得了該種工況下溶洞對樁基承載特性的影響規(guī)律。周德泉等[38]設計物理模型試驗,通過對比分析混凝土灌注樁貫穿不同溶洞數(shù)量時的樁頂水平位移、樁身側(cè)向位移、樁身彎矩和樁側(cè)土抗力,得到了單樁貫穿溶洞數(shù)量對樁基樁頂抗水平承載特性的影響規(guī)律。

綜上,雖然物理模型實驗研究方面取得了豐富的成果,但也存在著一定的局限性,現(xiàn)有研究大多采用控制變量法,以單個或兩個影響因素作為變量進行試驗研究,難以模擬實際工況中多因素協(xié)同作用對巖溶區(qū)樁基承載性能的影響,特別是受制于現(xiàn)有實驗設備,巖溶區(qū)樁基承載性能的研究大多忽略了水的影響,試驗中樁基所施加的荷載大都為豎向靜荷載,水平荷載與動荷載情況并沒用考慮。同時,不同地區(qū)巖體的物理力學性質(zhì)差異較大,相關理論和實驗研究不具有通用性,需要在今后的研究中開展更多探討以豐富數(shù)據(jù)、獲得更廣泛的試驗成果,為現(xiàn)場施工提供技術支撐和參數(shù)。在之后的研究中需要創(chuàng)造新方法、新技術、新設備用以模型試驗研究,以期設計出更符合實際工況且綜合考慮上部結(jié)構(gòu)、承臺、樁、土、溶洞的單樁、群樁物理模型試驗,獲得更明確的巖溶區(qū)樁基承載特性機理。

3 巖溶區(qū)樁基承載性能數(shù)值模擬研究進展

相比于耗費巨大的原型試驗、耗資較少但試驗受材料與設備限制的模型試驗,數(shù)值模擬具有經(jīng)濟性、時效性等諸多優(yōu)點,是可靠的研究巖溶區(qū)樁基承載特性的工具。如圖3所示為幾種典型的數(shù)值模型設計方案[39-42],從圖3中可以看出在數(shù)值模擬方面已經(jīng)能夠很好地模擬出各種工況類型的簡化樁-溶模型且在網(wǎng)格劃分方面也逐漸成熟和系統(tǒng)。

圖3 幾種典型的數(shù)值模型設計方案Fig.3 Several typical numerical model design schemes

3.1 下伏溶洞型樁基數(shù)值模擬研究進展

對于單一下伏溶洞樁基,該類數(shù)值模型能夠很好地模擬出現(xiàn)場實際情況,依據(jù)該數(shù)值模型所獲得的數(shù)據(jù)與原位實驗所得到的數(shù)據(jù)有很高的一致性,加之數(shù)值模擬獨有的經(jīng)濟性高的優(yōu)勢吸引了眾多學者利用有限元工具對單一下伏溶洞情況進行研究,并取得了豐碩的成果。閆文佳[43]模擬了真實地質(zhì)條件,獲得影響巖溶頂板安全厚度的關鍵影響因素。何春林等[44]、王華牢等[45]、孫映霞等[46]、龔先兵[10]、 Wang等[47]運用有限元分析軟件建立巖溶樁基承載特性分析模型,分析了溶洞體積、形態(tài);頂板厚度、跨度、巖性;樁徑、樁與溶洞相對幾何形態(tài)等影響因素對樁基承載特性的影響,并確定了各因素的影響程度。張健[21]對ABAQUS平臺材料模型、接觸模型子程序進行二次開發(fā),對具有不同板厚、溶洞直徑、樁徑以及頂板傾角的樁基開展了靜載模擬,分析了單樁承載特性與穩(wěn)定性。Liang等[48]研究了巖溶的存在對樁基水平承載性能的影響,充分考慮了溶洞高跨比、樁與下側(cè)溶洞之間的距離等因素對抗滑樁的穩(wěn)定性的影響,推導了多因素協(xié)同作用下抗滑樁水平極限承載力計算公式。Wang等[49]通過FLAC-3D軟件研究多級荷載作用下巖溶區(qū)樁基應變特性,綜合考慮了樁長、巖土特性、樁土接觸面特征、溶洞規(guī)模與空間分布等因素,充分發(fā)揮了數(shù)值分析軟件在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)越性。肖堯[50]將Hoek-Brown強度破壞準則嵌入有限元分析程序,分析了頂板巖性、溶洞體積與空間位置等因素對雙樁基礎極限承載力的影響,界定了雙樁基礎地基破壞三種模式并分析了其發(fā)生條件。唐咸力[13]基于點安全系數(shù)法編寫點安全系數(shù)FISH命令流,得到與溶洞模型相關的點安全系數(shù)計算公式。馮忠居等[51]設計4種板厚、5種地面坡度正交模擬實驗研究陡坡、巖溶同時存在時樁基承載特性,通過分析實驗結(jié)果獲得了可靠的結(jié)論,同時提出了該類工程地質(zhì)情況下樁基極限承載力計算表達式和各項修正系數(shù)的取值方法。張學亮等[52]針對深埋巖溶承載力取值差異大的問題進行了研究,規(guī)范了巖溶深埋情況承載力計算公式各參數(shù)取值方法,為工程中樁基設計提供了文獻參考。羅源宣[53]將模擬樁體分級加載數(shù)據(jù)與靜載試驗相比較驗證了FLAC-3D軟件模擬樁體受力情況的準確性,對得到的應力云圖進行剖析總結(jié)出樁側(cè)有無溶洞情況下樁體承載力變化規(guī)律。

3.2 復雜巖溶情況數(shù)值模擬研究進展

巖溶區(qū)工程建設中遇到單一下伏溶洞的情況通常是利用頂板的承載能力來承擔上部荷載,但是也會遇到頂板承載能力不足的狀況,面對這種情況就需要對溶洞進行處理。一般的處理方法有兩種,一種是直接將樁基貫穿溶洞頂板將樁端作用在承載力高的溶洞底板上;另一種是在第一種方法的基礎上另外將溶洞內(nèi)腔進行填充以提高樁基礎的穩(wěn)定性和截斷地下水對地質(zhì)的持續(xù)侵蝕作用。兩種處理方法都能夠起到很好的效果,但是由于基樁貫穿頂板坐落在底板情況的復雜性,對于該類樁基承載特性的研究存在很大的阻力,對其承載特性的認識還很局限,原位實驗案例較少、耗資巨大且影響因素難以控制,室內(nèi)大比例模型試驗對此的研究也非常有限。相比于原位試驗和模型試驗,有限元工具對于穿越型溶洞的研究具有得天獨厚的優(yōu)勢,已有許多學者通過有限元軟件對穿越型溶洞的承載特性進行了研究,取得了豐富的研究成果。張乾青等[54]通過原位實驗與室內(nèi)土工實驗確定巖石力學參數(shù),以此建立14組數(shù)值模型探究基樁穿越無填充溶洞時承載特性與溶洞位置、大小與樁徑的變化規(guī)律,得到單樁極限承載力計算公式與變化規(guī)律。刑宇鋮[27]通過數(shù)值模擬手段研究了考慮樁-土-溶洞共同作用的穿越型溶洞單樁變形承載機理,對溶洞不同大小、不同位置、不同填充情況和不同大小樁基的變形承載特性通過數(shù)值計算模型所獲得的結(jié)果進行了內(nèi)在機理的揭示。

如圖4所示,巖溶區(qū)施工場地內(nèi)也可能發(fā)生存在多個溶洞的情況,多溶洞情況與單一下伏溶洞情況和穿越型溶洞情況樁基承載特性存在很大差異。鄒新軍等[55]對串珠狀溶洞橋梁樁基豎向荷載傳遞進行了簡化,依此建立數(shù)值計算模型進行分析,證明了短摩擦樁配合樁端壓漿技術在處理串珠狀溶洞時的優(yōu)越性。彭戈[23]以洞高、洞寬、數(shù)量和各溶洞之間相對位置為變量建立數(shù)值分析模型,分析得到了各變量對基樁沉降變形、軸力和力的傳遞特性的影響,并將數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算所得到的數(shù)據(jù)相對照其誤差能夠保持在15%以內(nèi),充分證明了其數(shù)值模擬實驗結(jié)果的可靠程度。蘇冠峰等[56]、張冰淇[57]、郭斌[58]運用有限元軟件構(gòu)筑了不同溶洞數(shù)量、不同溶洞大小、不同幾何形狀、不同空間位置等參量分別為單一變量情況時巖溶區(qū)樁基承載特性研究模型,獲得了各參量對樁基承載特性的影響規(guī)律。黃明等[59]對樁基穿越串珠狀溶洞時荷載傳遞與溶洞穩(wěn)定性兩者間內(nèi)在聯(lián)系進行了研究,獲得有關結(jié)論并給出了相應的荷載-位移(Q-S)曲線。

圖4 多個溶洞情況分類Fig.4 Classification of multiple karst caves

綜上,雖然物理模型實驗研究方面取得了豐富的成果,但也存在著一定的局限性,目前的物理模型試驗研究大多采用控制變量法,以單個或兩個影響因素作為變量進行試驗研究,難以模擬實際工況中多因素協(xié)同作用對巖溶區(qū)樁基承載性能的影響,特別是受制于現(xiàn)有實驗設備,巖溶區(qū)樁基承載性能的研究大多忽略了水的影響,試驗中樁基所施加的荷載大都為豎向靜荷載,水平荷載與動荷載情況并沒用考慮。同時,不同地區(qū)巖體的物理力學性質(zhì)差異較大,相關理論和實驗研究不具有通用性,需要在今后的研究中開展更多探討以豐富數(shù)據(jù)、獲得更廣泛的試驗成果,為現(xiàn)場施工提供技術支撐和參數(shù)。在之后的研究中需要創(chuàng)造新方法、新技術、新設備用以模型試驗研究,以期設計出更符合實際工況且綜合考慮上部結(jié)構(gòu)、承臺、樁、土、溶洞的單樁、群樁物理模型試驗,獲得更明確的巖溶區(qū)樁基承載特性機理。

4 結(jié)論

作為基建工程中重要的組成部分,巖溶區(qū)樁基承載特性研究是了解并解決巖溶區(qū)建筑施工中遇到的問題的重要手段。通過一眾學者進幾十年來的不斷研究探索,巖溶區(qū)樁基承載特性研究手段在理論、實驗與模擬方面都有了很大的進展,對巖溶區(qū)樁基承載特性也有了較為清晰的認識,也因此解決了一系列工程難題。隨著中國基建工程的不斷發(fā)展,建筑不可避免的需要在地質(zhì)條件更復雜的地區(qū)規(guī)劃建設,同時建筑體型也不斷朝著更高、大、深、重的方向發(fā)展,這給巖溶區(qū)樁基工程帶來了更多新的挑戰(zhàn)。因此,對巖溶區(qū)樁基承載特性的研究也提出了更高的要求,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)現(xiàn)有承載力計算公式存在影響因素考慮不全面的情況,后續(xù)理論研究方向應考慮多因素協(xié)同影響下溶洞頂板破壞模式及單樁極限承載力計算式推導。同時,群樁的極限承載力計算式研究以及貫穿溶洞型樁基承載特性的分析是未來的重點研究方向。

(2)現(xiàn)有的承載特性理論模型多為理想的剛性模型或彈塑性模型,斷裂和損傷模型理論力學公式的研究存在巨大的空缺,后續(xù)的工作中應當引入斷裂和損傷模型進行研究使力學模型更貼合實際。并且,也應注重對樁-巖接觸面以及樁-土接觸面的變形和破壞機理的研究。

(3)物理模型試驗的變量多為單個或兩個影響因素,試驗過程中常忽略水對樁基承載特性的影響,上部荷載通常為豎向靜荷載,后續(xù)研究中應當考慮多變量和水流對承載能力的折減作用以及研究水平或動荷載情況下樁體承載特性的變化規(guī)律。在后續(xù)的模型試驗研究中需要創(chuàng)新方法、技術和設備,盡可能的設計出更貼合真實工況且綜合考慮上部結(jié)構(gòu)、承臺、樁、土、溶洞的單樁、群樁物理模型實驗。

(4)原位實驗開展較少,且檢測所獲得的數(shù)據(jù)準確性欠佳。巖溶地區(qū)地層之間巖性變化極大,不同地區(qū)巖土體的物理力學性質(zhì)也存在很大的差異,后續(xù)工作中應開展更多的原位實驗、現(xiàn)場破壞實驗以獲得更全面的樁基承載特性實驗數(shù)據(jù)。檢測獲得的數(shù)據(jù)準確性仍需要不斷優(yōu)化和提高。

(5)數(shù)值模型的建立應更貼合溶洞實際的三維幾何尺寸,各物理力學參數(shù)應盡可能的還原實際工程地質(zhì)情況,應對多溶洞、串洞、溶洞復雜空間分布與頂板傾斜情況樁基承載特性變化規(guī)律進行更深入的研究。