巖溶區樁基沉降的影響探討

彭龍帆 徐小洋 張 穎

中國建筑第二工程局有限公司華東公司 上海 200135

我國巖溶地貌分布廣泛，在溶巖地區修筑建筑物將面臨地基不穩、地表塌陷、地面變形、樁基沉降等諸多工程難題[1-3]。其中巖溶地區的樁基沉降已經是一個熱點問題，國內許多專家學者對此進行了深入的研究，并取得了豐碩的研究成果[4-5]。樁尖至溶洞頂部的距離可稱為板厚，溶洞水平尺寸為溶洞跨度，板厚與跨度的比值為厚跨比。針對板厚及厚跨比，黎斌等[6]通過有限元模型和多元線性回歸分析的方法，研究了樁基下溶洞頂板最小厚度對樁基沉降的影響；趙明華等[7]在對溶洞樁基頂板穩定性分析的基礎上，在剪切計算中引入格里菲斯判據以完善溶洞頂板抗彎穩定性驗算，從而進一步推動巖溶地區樁基沉降的理論計算發展；崔紅琴[8]通過對有限元軟件平臺的二次開發，利用隨機理論生成溶洞，能系統分析巖溶區樁基沉降的構成；劉曉明等[9]通過設計，合理分配樁頂荷載，并分析計算出相應溶洞頂板沉降，針對性地優化設計橋梁樁基，以減小巖溶區樁基沉降；鄒新軍等[10]采用ADINA軟件對樁端壓漿進行有限元模擬，對串珠狀巖溶地區的樁基沉降進行了有效處理。

以上均為從總體巖溶地貌出發對樁基沉降進行理論分析與模擬，并未針對單一溶洞至樁尖距離及幾何尺寸的變化對樁基沉降進行深入探究。由于樁基沉降與周圍土體具有密切的相關性，因此針對樁基下方溶洞至樁尖距離，即厚跨比變化、溶洞形狀及體積改變對樁基沉降影響的研究，具有重大的實際意義。

1 工程概況

武漢智能聯網汽車封閉測試場，位于長江一級階地，場區南端和東端主要為河流堆積地貌單元，軟土厚度大，砂層分布較深。場區北側和西側為階地過渡地帶，軟土厚度較小，砂層缺失。場區可溶性巖類分布有較強的規律性，以XK291-XK293-XK499-XK498一線為分界線，分界線以北為可溶性灰巖屬第四系覆蓋的隱伏巖溶區，溶腔大小不一，鉆孔見洞率42%，屬巖溶強發育區。

整個項目分為43個區塊，其中巖溶區為26ü 43號區塊，選取32號區塊中編號Z2的直徑為800 mm、樁長為35 m的鉆孔灌注樁作為巖溶區樁基沉降的研究對象。

2 數值模擬建立

2.1 數值計算模型及材料參數

采用Midas GTS有限元計算軟件，根據工程實際地層，建立60 m（長）h 60 m（寬）h 80 m（高）的三維模型。溶洞通過實體單元間的布爾運算生成，不考慮其內部填充物的影響，再利用混合網格生成器生成以六面體為主的高質量網格。整體計算模型如圖1所示。

圖1 三維數值計算模型

模型中設置巖土體為彈塑性材料，服從摩爾-庫倫屈服準則；采用一維梁單元生成線彈性本構模型下的樁基，并設置樁界面和相應的樁端參數，包括樁端承載力和樁端彈簧剛度。樁基材料參數見表1，模型建立過程中的各土層物理力學參數見表2。同時為排除其他復雜工程因素影響，建立以下假設：忽略材料內部結構缺陷，認為各部件材料均值同性；同時不考慮如施工機械振動等其他荷載的作用。

表1 樁基材料參數

表2 各土層物理力學參數

2.2 邊界條件及工況設定

邊界條件設置為除頂面為自由面以外，其余各面均限制其法向位移，底面為固定約束，樁整體設置旋轉約束。同時為模擬真實施工工況以及明確各工況下位移的實際意義，設置第1個工況為重力下初始地應力分析；第2個工況是樁體的生成，并將位移清零；在第3個工況施加狀體豎向荷載1 000 kN。

3 樁基沉降計算結果分析

通過上述模型對相同溶洞跨度下不同樁尖-洞頂距離的樁基沉降，以及相同厚跨比下的不同溶洞體積、溶洞形狀的樁基沉降進行詳細的對比分析，由于單樁沉降主要由樁體彈性壓縮、樁側摩阻力和樁端荷載引起的樁端土體壓縮，因此通過對比樁頂位移、樁尖位移和洞頂沉降的改變量來反映樁基沉降。

溶洞尺寸為4 mh 4 mh 4 m，距離樁尖4 m。樁基沉降位移云圖如圖2所示，圖中沉降量最大處為樁頂，數值為11.42 mm，樁尖沉降量為10.07 mm。

圖2 Midas GTS樁基沉降云圖

3.1 樁尖-洞頂距離對樁基沉降量的影響

為研究樁尖到洞頂的距離對樁基沉降量的影響，在溶洞跨度相同的前提下，取距離為樁徑的幾何分別為：0.4、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0、6.0 m。溶洞的水平尺寸取4.0 m，豎向尺寸取4.0 m。利用Midas GTS計算，所得結果如圖3和表3所示。

圖3 不同樁尖-洞頂距離對樁基沉降的影響

表3 樁尖-洞頂距離改變下樁基沉降改變量

從圖3可知，樁尖至洞頂的距離小于1.6 m時，樁基沉降量相對較大，且下降速度較快，最大值為距離0.4 m時，樁頂沉降13.0 mm；當樁尖至洞頂距離在1.6～3.2 m之間時，沉降量下降變化值為0.4 mm，僅為1.6 m下樁頂沉降的0.26%，且下降速度較為緩慢且平穩，同時距離為3.2 m時沉降量達到最小值，為11.3 mm。樁尖到洞頂距離大于4.0 m時，沉降基本保持不變，已達到穩定值。此時溶洞空腔上持力層頂板厚度達到一定值，頂板沉降對樁基沉降幾乎不產生影響。由表3可知，當洞頂至樁尖的距離發生變化時，樁頂與樁尖沉降變化趨勢一致，都隨著樁尖至洞頂的距離增大而逐漸減小。樁尖沉降量與樁頂沉降量始終在9%～12%之間波動，范圍未超過3%，考慮到樁頂沉降具有重要的實際意義，故可認為樁頂沉降量可代表整樁在溶洞影響下的沉降變化趨勢。

3.2 溶洞形狀對樁基沉降量的影響

選擇厚跨比為1，針對不同溶洞形狀對樁基沉降的影響進行探究。通過改變溶洞截面形狀，如球形、圓柱形、立方體形、馬蹄形，計算樁基在4種不同形狀溶洞下的沉降量，結果如表4和圖4所示。

表4 溶洞形狀改變下樁基沉降改變量

圖4 不同溶洞形狀對樁基沉降的影響

結合表4和圖4可知，當溶洞形狀為圓柱形時，樁基的沉降量最大，樁頂最大沉降為11.7 mm，以此為基準；當溶洞形狀狀改變為球形或馬蹄形后，樁基沉降量幾乎一致，均為11.4 mm左右，且相比于圓柱形溶洞，沉降量下降約4%；當溶洞形狀狀改變為立方體形時，相較于球形或馬蹄形溶洞，其沉降量僅有細微改變。同時就洞頂中心沉降數據而言，當溶洞形狀為立方體形時，洞頂中心沉降量最大，為6.8 mm，相比于圓柱形和馬蹄形溶洞的5.9 mm沉降量，多出16.9%；當溶洞形狀為球形時，洞頂中心沉降量最小，為5.2 mm，較5.9 mm有11.9%的減少。

由此可見，在溶洞頂板厚跨比不變的情況下，溶洞形狀對樁基沉降影響較小，而對溶洞洞頂中心沉降影響較大。4種不同溶洞形狀下的樁基沉降云圖如圖5所示。

圖5 4種溶洞形狀下樁基沉降云圖

3.3 溶洞體積對樁基沉降量的影響

保持溶洞頂板厚跨比不變，將溶洞體積增至原體積的3.375倍和5倍，從表5和圖6中不難發現，該巖土層的樁基沉降隨溶洞體積的增大而呈現增大的趨勢，但并未發生明顯的改變。在1倍體積下，樁基沉降量為11.42 mm，相比于跨度厚度不變的5倍體積下的11.49 mm，僅有0.6%的改變量；在厚跨比不變的條件下將跨度增大為6 m，體積增加至3.375倍，此時樁基沉降量為11.66 mm，較跨度4 m單倍體積有2.1%的增量，其改變量仍然較小。

表5 溶洞體積改變下樁基沉降改變量

圖6 溶洞體積對樁基沉降的影響

區別于樁基沉降，洞頂中心沉降隨溶洞尺寸增大呈現出減小的趨勢，跨度4 m單倍體積時洞頂中心沉降最大為6.85 mm，但即使體積增至原體積的3.375倍，洞頂中心沉降也僅減小14%，為5.90 mm，因此在厚跨比為1時，溶洞體積的改變對于洞頂中心沉降的影響可不予考慮。

4 結語

1）在溶洞體積和形狀保持一致的情況下，洞頂至樁尖的豎向距離小于1.6 m，即厚跨比為0.2時，樁基沉降快速發生，此時需對溶洞進行灌漿、回填片石等加固處理；當洞頂至樁尖距離在1.6～3.2 m之間，即厚跨比為0.2～0.4時，沉降量較小，樁基趨于穩定；當距離大于4.0 m，即厚跨比超過0.4時，沉降基本穩定，可以不再考慮溶洞對沉降的相關影響。

2）厚跨比為1時，可不考慮板厚對樁基沉降的影響，溶洞形狀對樁基沉降的影響不大。

3）厚跨比為1時，在溶洞體積顯著增大的情況下，樁基沉降有略微增長，但改變幅值不大，產生的影響可忽略不計。