巖溶區隱伏溶洞位置對高鐵橋梁群樁豎向承載特性的影響研究

文/張凱

1 前言

影響巖溶地區嵌巖樁承載力及溶洞頂板穩定性的因素眾多，如頂板厚度、溶洞跨度與形狀、嵌巖深度、樁體尺寸及圍巖特性等，導致巖溶區樁基承載機理與一般嵌巖樁存在差異，因此，現行規范中針對一般嵌巖樁的設計方法并不完全適用于巖溶地區。

嵌巖段內巖體的強度與巖體完整程度、節理裂隙位置等密切相關。嵌巖深度是嵌巖樁重要的設計參數，《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）中對于嵌巖深度未做明確規定，但建議嵌巖深度宜采用0.2d 或不小于0.2m。已有研究表明[1]，溶洞大小、溶洞頂板厚度以及荷載的作用位置是影響巖溶區穩定的最敏感因素。

本文通過數值模擬軟件分別研究了巖溶區頂板厚度、偏心距、嵌巖深度對群樁承載特性的影響，得到群樁在不同條件下的承載力特性。

2 巖溶區群樁承載特性數值的模擬分析

2.1 基本假定

為揭示各因素對巖溶區群樁承載特性影響規律，對模型做出以下假設：

上覆土層簡化為單一粉質黏土層，嵌巖段為石灰巖，不考慮地下水的影響，嵌巖段巖體完整；樁基下方溶洞為方形構造，溶洞頂板水平，不考慮溶洞內充填物的影響[2]；不考慮樁體的破壞，土體及嵌巖段巖體采用Mohr-Coulomb 屈服準則；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。

基于以上假設，為減小邊界效應的干擾，對計算模型的地層取20m×20m×40m 的尺寸大小進行分析，樁體模型取樁徑D=1.0m，樁長L=20m。溶洞高H=2m。計算模型示意圖如圖1 所示。

圖1 群樁幾何模型剖面示意圖

2.2 參數取值

樁身彈性模量取30GPa、泊松比取0.20，密度取2500kg·m-3，地層參數取值見表1。

表1 地層材料參數

2.3 數值分析過程

2.3.1 樁土接觸面：樁土界面的摩擦系數設為0.45。承臺側面與底面與周圍土體的接觸屬性與樁土接觸相同，并將承臺側面與底面設為主面。

樁巖接觸面：樁巖接觸對法向模型為硬接觸模型，切向模型為罰函數模型，樁巖界面的摩擦系數設為0.60。

群樁計算模型不考慮樁底沉渣等施工工藝的影響，將樁端表面與樁底基巖之間設定為tie 約束，即樁端與下方基巖表面不發生相對位移[3]。

2.3.2 在地應力平衡分析步中，只對完整地層施加重力并進行初始應力平衡，之后加入樁基模型并對其施加重力，同時添加樁土、樁巖、承臺與土體間的接觸對。

3 數值模擬結果分析

3.1 頂板厚度對群樁極限承載力的影響

群樁基礎豎向位移變化如圖2 所示。

圖2 群樁基礎豎向位移變化云圖（h=3D）

由圖2 可知，隨著荷載的增加，溶洞頂板與周圍巖層逐漸產生明顯的相對位移，即頂板逐漸發生沖切或剪切破壞。

圖3 為不同頂板厚度下群樁模型的荷載-沉降曲線。

圖3 不同頂板厚度下群樁Q-S 曲線

由圖3 可知，在其他條件不變的情況下，群樁極限承載力隨溶洞頂板厚度的增加而逐漸增大。當溶洞頂板厚度超過某一限值后，樁基下方溶洞的存在對其承載力的影響可忽略不計，在溶洞頂板厚度為1～4D 的范圍內，這種增大的速率沒有變小的趨勢，即在此范圍內仍應考慮溶洞的存在對樁基承載力的影響。頂板厚度的增加提高了溶洞頂板的承載能力[4]。

3.2 溶洞偏心距對群樁差異沉降的影響

樁基下方溶洞水平位置與群樁基礎的中心存在一定偏移時，由于這種空間結構的不對稱，必然導致水平方向上樁土體系的應力與位移分布存在差異，導致群樁差異沉降。圖4（a）、4（b）分別為溶洞偏心距離e=3D、荷載Q=360000kN 時模型的豎向位移與應力分布云圖[5]。

圖4 溶洞偏心距對位移與應力分布的影響（e=3D）

3.3 嵌巖深度對群樁承載特性的影響

不同嵌巖深度條件下群樁荷載-沉降曲線及對應的極限承載力如圖5 所示。

圖5 不同嵌巖深度的群樁Q-S 曲線

由圖5 可知，當嵌巖深度分別為1D、2D、3D、4D 時，對應的群樁極限承載力為378453kN、395655kN、437793kN、487340kN，群樁極限承載力隨嵌巖深度的增加而增大。

4 結語

溶洞頂板厚度對樁基的承載力大小有重要的影響。群樁極限承載力隨溶洞頂板厚度的增加而逐漸增大。

樁基極限承載力隨嵌巖深度的增加近似線性增加，而對應的極限端阻力基本保持不變，即極限承載力增加的部分主要來自嵌巖段側阻力的增加。