橋梁樁基下穿串珠狀溶洞承載特性及穩定性研究

姚成玉 （池州市公路管理服務中心，安徽 池州 247000）

1 引言

我國地質情況復雜，巖溶分布廣泛，大量在建的交通工程都不可避免地會遇到巖溶地質問題，而皖南山區巖溶地質情況更加復雜，常存在多個溶洞交錯分布的情況，對該地區地樁基建設或其他基礎工程建設造成巨大影響。

黎斌等采用三維有限元法分析了樁基下伏溶洞頂板應力分布情況，并提出了樁基底端距溶洞頂板臨界距離的回歸預測方程；汪稔等運用定性分析、結構力學的半定量分析方法和三維有限定量計算手段，對橋墩下伏溶洞頂板厚度進行了研究；戴自航等采用ABAQUS建立巖溶區路堤的三維數值模型，分析了頂板厚度、溶洞位置及溶洞充填情況，對路堤及溶洞頂板穩定性的影響；柏華軍等合理簡化溶洞頂板持力層模型，綜合考慮頂板沖切、剪切和彎拉破壞模式，提出考慮頂板自重影響的頂板安全厚度計算方法；黃明等分析樁基下穿串珠狀溶洞的荷載傳遞特征及不同因素的影響規律，揭示樁基與串珠狀溶洞的耦合作用過程；李金良等利用ABAQUS對不同溶洞頂板厚度的樁基承載能力進行研究，得出了頂板厚度對單樁極限承載力以及變形的影響規律和樁側、樁端的荷載傳遞特性。鄧尚強運用Plaxis2D建立了有限元模型，分析單樁連續穿越串珠狀溶洞時的受力變形性狀，并分析樁周巖土體的位移及應力分布規律。

本文結合皖南巖溶地區秋浦河大橋橋梁樁基工程，運用FLAC3D軟件對不同溶洞頂板厚度、不同溶洞充填情況下群樁基礎的承載特性進行模擬，并橫向對比了樁基與溶洞不同位置下樁基受力變形規律，以期為皖南巖溶地區的樁基工程提供理論指導。

2 工程概況

秋浦河大橋全長634.75m，全橋基礎均采用群樁基礎，8#～11#墩為跨河主橋，樁基共36根，其中8、11墩樁基各8根，樁徑1.6m，樁長15m～36m不等；9、10墩樁基各10根，樁徑1.6m，樁長20m～61m不等。本文選擇9-8#橋墩進行研究，該橋墩長44m，連續穿越兩個溶洞，具有較強代表性。

秋浦河大橋橋位區地貌類型屬于低山區山洼溝谷亞區，地形起伏較大。工程地質自上而下分述如下：①卵石：灰褐色，稍密—中密狀，呈次棱—次圓角狀，粒徑主要在2mm～100mm間，個別大于100mm，其中d>20mm的顆粒質量約占總質量的50%～60%；母巖的主要成分為石英砂巖、礫巖、硅質巖等。充填物為中細砂和粘性土（卵石層15m～20m不等）。②中風化灰巖：灰、粗灰及灰白色，致密質純，厚層狀，塊狀構造，本段巖石裂隙較發育，中等風化，巖面存在溶蝕現象，局部巖芯較為破碎，大部巖芯較完整。③溶洞：砂礫石和粘性土全充填或半充填（最大溶洞達30m)。④中風化灰巖：灰、粗灰及灰白色，致密質純，厚層狀，塊狀構造，本段巖石裂隙較發育，中等風化，巖面存在溶蝕現象，局部巖芯較為破碎，大部巖芯較完整。

3 計算模型

綜合考慮邊界影響及求解速率，本文只選取模型的一半進行計算，如圖1所示。橋梁樁直徑1.6m，長44m，為減少邊界影響，模型區域選取10倍樁徑，構建30m×15m×50m的模型，底部設為全約束，四周邊界設為側向約束，頂部設為自由邊界。本文中假設溶洞位于樁基正下方，上下兩個溶洞簡化為矩形，尺寸分別為10m×5m×4m和10m×5m×2m，兩溶洞垂直距離1m，溶洞以松散砂土及軟塑狀黏土充填。為簡化計算，作以下假設：巖土體選用摩爾庫倫模型，樁體選用彈性模型，樁土接觸選用接觸面模擬，不考慮地下水位影響。根據工程勘察報告及現場試驗，相關材料力學參數見表1。

圖1 三維計算模型

模型力學參數表 表1

計算時通過以下步驟實現：①進行地應力平衡，土層及溶洞在自重作用下達到初始平衡狀態；②位移速度清零，進行樁基施工過程模擬，得到樁基施工后的應力狀態；③模型位移速度清零，進行樁基的加載試驗，按每級5000kN進行加載。通過建立大量數值模型，設置1D、2D、3D頂板厚度的不同工況，分析了不同溶洞頂板厚度下的樁基變形穩定性及其應力狀態。

4 結果分析

4.1 樁頂位移

圖2為不同溶洞頂板厚度下，樁頂位移與豎向荷載的關系曲線。見圖2所示，在不同頂板厚度下，橋梁樁基在豎向荷載下的Q-s曲線都表現相似的沉降規律，隨著荷載的不斷增大，樁頂位移也持續增大。但由于溶洞頂板厚度的影響，樁頂位移在不同頂板厚度下存在差異。在外部荷載較小時，不同厚度下樁頂位移相差較小；隨著荷載的不斷增大，頂板厚度2D和3D的樁頂位移相差較小，可知頂板厚度增大到一定值時，對樁基抵抗變形的發揮的作用逐漸減小。如果以40mm沉降確定樁基的極限承載能力，則溶洞頂板厚度為1D時樁基承載力為22354.84kN，頂板厚度為2D樁基承載力為25897.93kN，頂板厚度為3D樁基承載力為27579.62kN，可知厚度為1D時的極限承載力為厚度為2D的86.3%，僅為頂板厚度3D的81.1%。

圖2 不同溶洞頂板厚度的Q-s曲線

4.2 最大剪應力

圖3為不同溶洞頂板厚度下的最大剪應力云圖。見圖3所示，樁頂荷載為5000kN時，溶洞頂板越厚，巖體所受的最大剪應力越小。巖體剪應力主要集中在溶洞和樁端附近，溶洞頂板處的剪應力與樁基接觸部位為中心，逐漸向四周發展，并形成連通的應力路徑，其與水平方向的夾角，隨著溶洞頂板的增大而增大。上方溶洞頂板的應力影響區域更大，可知當樁基穿越串珠狀溶洞時，上方溶洞更容易發生破壞。

圖3 不同頂板厚度最大剪應力云圖（樁頂荷載Q=5000kN）

當頂板厚度為1D時，溶洞頂板最大剪應力為2.23MPa，位于上部溶洞頂板遠離樁基，靠近內墻位置；當頂板厚度為2D、3D時，最大剪應力分別為1.16MPa、1.08MPa，且最大剪應力都位于下部溶洞的頂板與樁基接觸位置。隨著溶洞頂板厚度的增大，上部溶洞頂板與樁接觸部位的剪應力減小，減小區域不斷擴大，但下部溶洞頂板的剪應力會持續增大。同時可知，頂板厚度2D時最大剪應力明顯小于頂板厚度1D，但當頂板厚度增大到3D時，其最大剪應力減小幅度變小，可知溶洞頂板厚度增大到一定值后，對溶洞受力狀態的改變減小。

見圖4所示，隨著外部荷載的不斷增大，樁端阻力也不斷增大。第一個溶洞的最大剪應力值大于第二個溶洞，可知在樁基下穿串珠狀溶洞時，只有第一個溶洞的側摩阻力得到充分發揮，下部溶洞的側摩阻力發揮有限。在外部荷載較小時，樁基荷載的傳遞主要發生在溶洞區域，由溶洞頂板向兩側發展，但隨著外部荷載的持續增大，樁基與巖體的側摩阻力充分發揮時，樁端阻力也會發揮作用，出現應力集中現象，能夠充分利用基巖的承載能力，承載性能繼續增大。

圖4 不同荷載下最大剪應力云圖（溶洞頂板厚度2D）

5 結論

本文選取皖南地區串珠狀溶洞地層橋梁樁基工程為依托，通過建立數值模型，分析了不同溶洞頂板厚度下橋梁樁基受力變形特性，得出以下結論：

①隨著溶洞頂板厚度的增加，樁基的極限承載能力顯著增大，但溶洞頂板到達一定厚度時，對樁基承載能力的影響減小；

②隨著頂板厚度的增加，溶洞的最大剪應力減小，可以有效地改善溶洞區域的受力狀態，但當頂板厚度增加一定值時，對應力狀態的改變幅度減小。隨著溶洞頂板厚度的增大，上部溶洞頂板與樁接觸部位的剪應力減小，減小區域擴散范圍增大，但下部溶洞頂板的剪應力會持續增大；

③外荷載不斷增大，樁端出現應力集中，樁端阻力發揮作用，樁基承載性能繼續增大。