巖溶頂板與樁基作用機理穩定性分析及研究

陳小科

（中鐵二十一局集團有限公司，重慶 402160）

0 引言

我國地勢地形呈現多樣化，其中不乏存在一些特殊的地貌，巖溶地貌就是分布于我國各地的可溶性巖石地區的一種特殊地貌，由于這種地貌條件的特殊性，致使相當多的隱患由此而生，若直接進行基礎面修建會導致各種質量及安全隱患的出現，洞穴頂板塌陷便是其中一種，致使修筑在其上部的鐵路建筑物沉降；巖溶地區季節性冒水，滲入地基基礎引起地基沉降、翻漿或管涌；突發性地下涌水，沖毀鐵路建筑物；落水洞、豎井、漏斗、溶洞、溶蝕洼地和暗河會讓選線不當導致嚴重的后果；當巖溶水開采區上覆土層厚度小于30m，則產生巖溶性沉降的幾率更大。加上溶洞不穩定，容易出現坍塌，但是坍塌位置不確定，樁孔涌水、樁孔坍塌均會造成非常大危害。所以，為確保巖溶體上訪修建的建筑基礎及整體結構質量，在施工建設期間有必要針對溶洞實施全面性的分析與處理，了解其構造特征及其對建筑物產生的危害等，以做好準備，避免損失。另外，為了保證各種構筑物的安全性，我們要具體分析樁體的承載力。

所以近些年在我國許多學者與科研人員的共同努力下，針對溶洞頂板的研究分析已經取得了可喜的成就，部分標準只是按照基礎之下的土體厚度來評價地基結構，并不具備較高的科學性，所以劉之葵[1]考慮了多方面因素提出了適合確定桂林巖溶區地基承載力的方法。何春林[2]采用有限元分析方法，假設樁端承受全部力，且正位于溶洞正上方，則可以用圓柱體洞穴來代替溶洞，圓柱體直徑為D。王華牢[3]利用有限元數值模擬等方式，針對嵌巖樁縱向承載力的影響因素，以及樁基幾何形狀等展開研究，主要分析多種條件和環境下，不同工況針對樁基總想承載力的影響效果，從而提出了巖溶區需要考慮的有關系數。以工程實例為背景，王中文[4]采用有限元軟件Plaxis3D,對鉆孔灌注樁孔壁穩定性的影響因素進行分析，并取得成果。結合工程實例，姚明成[5]等詳細闡述了工程施工中的成樁方法以及質量管理措施。劉立校結合大規模橋梁樁基礎施工遇到的常見地質情況,對相關施工方案進行優化并取得了有效的成果。通過對鉆孔灌注樁的施工工藝進行詳細的總結和綜述,金濤總結了了幾項施工質量控制措施,并取得了良好的成果。王立鋒以某橋梁工程工程概況為例,簡述了鉆孔灌注樁施工技術的施工流程,重點對該技術的施工流程、質量控制措施進行了總結,通過對施工效果的對比,證實了鉆孔灌注樁技術應用與經濟價值。何波對巖溶地區的工程概況、巖溶地區樁基礎施工所遇到的問題、巖溶地區建筑施工中常用的施工方案進行研究和探析。為了提升橋梁建筑樁基礎的質量，蔣智凌從橋梁樁基特殊溶洞處理技術方面進行分析,提出了相應的應對策略，減少了工程中的損失。巖溶地區的橋梁樁基樁端物力模型可以作為周邊支撐板在荷載下的受力模型，現有的板殼力學理論下，通常會將厚度和最小橫向尺寸比在1/4 之下的板作為薄板，建立相對較為完備的理論基礎，用于解決工程實踐中的一些問題。

1 巖溶頂板與樁基作用系統簡化模型

1.1 巖溶樁基模型基本假設

因為溶洞頂板可能會受到多種內外條件的影響，所以其穩定性的形成因素較為復雜，為了能夠為之后的研究提供便利，一般會將溶洞頂板與樁基當成一個整體進行分析。由于溶洞形態多樣，致使統一分析，所以我們將其模擬為不同的力學模型后，在進行合理的分析討論。巖溶頂板力學模型的基本假設如下:

1 樁基作用面下，若頂板表面沒有較大起伏而且不存在損壞情況，那么則可以忽略成拱效應，并將頂板當作梁板進行受力情況的分析，全部的分析都將彈性分析作為主要依據。

2 若樁基兩端嵌入巖層內部（不考慮嵌巖深度），則將其看作端承樁，并忽略上部樁周圍土帶來的側摩阻力和地應力；

3 當樁徑寬度遠小于板面最低尺寸的寬度情況下，樁徑周邊應力影響力也會進一步縮小，因此能夠將樁基的縱向荷載作為集中荷載，繁殖則將其作為板面中的均布荷載，主要影響直徑為樁徑的d 圓中，如果是懸臂板，那么會作用與懸臂的端部位置。

1.2 巖溶樁基作用體系模型簡化

如果樁端巖層力學特性滿足薄板理論，那么可以將其轉變為固支圓板模型或簡支矩形板模型。如果并不能滿足薄板理論，則可以將其轉變為固支梁模型或懸臂梁模型以及寬梁模型等。

2 溶洞頂板與樁基作用系統模型受力分析

2.1 薄板力學模型相關公式

我們一般將巖溶頂板與樁基作用系統視為空間力學問題，一般情況下我們使用彈性力學的邊際條件來實現力學計算。但因為樁基荷載影響之下，巖體大多為硬度較大的灰巖，這種灰巖雖然硬度較高，但在縱向彎矩的影響下，形變承受能力卻非常低，所以若頂板出現了一定量的縱向撓度形變情況下，灰巖可能會出現嚴重的破壞現象。對此需要將溶洞頂板和樁基力學模型作為小撓度問題。薄板小撓度彎曲理論一般需要具備以下幾種計算中的假定條件：①垂直于中面方向的正應變可以忽略。②應力分量導致的變形可以忽略。③薄板中面內的各點都沒有平行于中面的位移。

如果板的厚度遠超于薄板的撓度，認為中面內應變為零，由此可以得出小撓度彎曲的基本微分方程：

其中：w — 撓曲線方程；h — 頂板厚度；μ — 泊松比；E — 彈性模量；

D — 薄板的彎曲剛度；D=Eh312(1?μ2)D=Eh312(1?μ2)

將所有物理量都看作是撓度w 的函數，且認為薄膜力為零，則薄板彎矩、扭矩和剪力的表達式如下：

沿厚度按線形分布的彎曲應力的表達式如下：

將公式（2.2）和（2.4）中的公因子消去，得：

最大彎曲應力是：

對于與Qx 和Qy 對應的剪應力τxz 和τyz，可以認為沿厚度方向按拋物線規律分布，最大值為：

綜上所述，由微分方程（2.1）能夠計算出薄板小撓度問題在便捷下的具體撓度值w，之后可以將其代入到上述公式（3.2）和（2.3）之中，就能順利解除薄板彎矩、剪力等信息，之后利用公式（2.6）以及（2.7）來掌握薄板最高彎曲應力及最大剪應力等信息。對前面的力學模型進行簡化后，在不同的條件下我們得到了不同的應力分部規律，然后對簡化后得到的十個力學模型進行受力分析。

3 溶洞頂板穩定性影響因素

根據建設工程項目的現場條件來看，榮鼎頂板穩定性的主要決定性因素可以劃分內外兩種形式，具體的影響因素如下：①巖石構造②巖石物理力學性質③溶洞形態對穩定性的影響④地下水的活動對溶洞頂板穩定性的影響⑤外加荷載的影響

4 穩定性評價方法

定性法、半定量法和定量法是目前穩定性評價的主要方法，根據不同的情況要選擇不同的不同的方法進行評價。定性評價法沒有定量的標準，所以較為適宜尋常建設工程之中，包含影響綜合分析法等手段，常見的半定量評價法通常會將工程經驗或類比分析等方式作為依據，構建一個計算模型來掌握溶洞頂板穩定需要的厚度水平。比如頂板厚跨比法和散體理論法等，定量評價則是在具體的勘探信息以及巖體物力特性信息的支持下可以選擇的一種評價手段，常見的定量評價法是穩定系數法。

5 結論

（1）簡要介紹了巖溶地區橋梁樁基工程中，溶洞頂板穩定性影響因素，通過分析得出了本課題研究工作的意義。

（2）溶洞形態多樣，在進行力學分析時，將其作用系統進行合理的簡化，然后再轉化為相應的有代表性的力學模型進行分析討論。

（3）對于巖溶頂板與樁基作用簡化模型計算時，考慮梁模型對巖溶樁基的真實受力狀況做了比較大的簡化，因此采用彈性力學中的薄板理論進行分析更可靠。

（4）根據工程建設實踐經驗認為，影響溶洞頂板穩定性的因素分為內在、外在兩個因素。

（5）根據評價溶洞頂板穩定性各自的適用范圍，分為定性法、半定量法和定量法。