秦嶺陡坡—巖溶發(fā)育區(qū)耦合作用下高速公路橋梁樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性研究

成圓夢(mèng) 王緒旺 劉欣欣

摘 要：為了研究秦嶺山區(qū)陡坡—巖溶發(fā)育區(qū)耦合作用下高速公路橋梁樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，以實(shí)際工程十天高速公路（略陽—陜甘界段）為背景，采用FLAC3D建立數(shù)值仿真模型，分析了秦嶺陡坡—巖溶發(fā)育區(qū)樁基水平承載力。結(jié)果表明，溶洞對(duì)樁基水平承載力的影響程度大于陡坡。無溶洞、坡度為0°和頂板厚度1.5 m、坡度60°的樁基水平承載力分別為485.00 kN和323.84 kN，降低了33.2%。提出了樁基水平承載力預(yù)測(cè)公式，為相關(guān)類似工程提出借鑒。

關(guān)鍵詞：秦嶺山區(qū)；橋梁工程；巖溶發(fā)育區(qū)；耦合作用

中圖分類號(hào)：U443.15? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ? ? ?文章編號(hào)：1674-0033（2023）02-0038-07

引用格式：成圓夢(mèng)，王緒旺，劉欣欣.秦嶺陡坡—巖溶發(fā)育區(qū)耦合作用下高速公路橋梁樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性研究[J].商洛學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，37（2）：38-44.

Abstract： In order to study the stability of the bridge pile foundation of expressway in the steep slope-rock-soluble development area in Qinling Mountains， the actual project ten-day highway （Lueyang-Shaanxi-Gansu boundary） was used as the background. The pile foundation level bearing capacity of the rock-soluble development area obtains the following conclusions： the degree of influence of the cave on the bearing capacity of the pile foundation is greater than the steep slope. The pile foundation level with a thickness of 0° and the thickness of the top plate is 1.5 m， and the slope is 60°. 485.00 kN and 323.84 kN were reduced by 33.2%. The pile foundation level bearing capacity prediction formula was proposed， and a reference for related similar projects was proposed.

Key words： Qinling Mountains; bridge works; karst development area; coupling

秦嶺山脈是我國(guó)南北方重要的地理分界線，其地質(zhì)情況復(fù)雜，氣候多變，動(dòng)植物種類繁多，再加上極端雨季會(huì)發(fā)生大面積的滑坡、泥石流及山體崩塌[1-5]的影響，修建鐵路高速公路的難度較大。山區(qū)高速公路工程中的較重要項(xiàng)目多是開挖隧道和架設(shè)橋梁。其中橋梁工程大多數(shù)采用樁基礎(chǔ)，承載性能高且易于施工。但陡坡上的樁基礎(chǔ)因兩邊受力大小不一，存在不穩(wěn)定的因素。針對(duì)此類情況，常規(guī)的方法是增加樁徑或增大樁長(zhǎng)，以提高樁基礎(chǔ)的承載力。馮忠居等[6]研究發(fā)現(xiàn)，一味地增大樁長(zhǎng)來提高承載力是不經(jīng)濟(jì)的，通過分析各影響因素的耦合作用，提出了使樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的計(jì)算更加合理的公式。本文將以此方法為基礎(chǔ)，選取十天高速公路（略陽—陜甘界段）為工程背景，研究秦嶺陡坡—巖溶發(fā)育區(qū)耦合作用下樁基礎(chǔ)的承載性能，為秦嶺山區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1? 工程概況

1.1 概述

十天高速公路（略陽—陜甘界段），地形復(fù)雜，山體陡峭，路線選型考慮了“以橋帶路”。其中略陽至陜甘界段橋梁102座（左右幅分別計(jì)算），特大橋和大橋共95座，全長(zhǎng)32 656.4 m，中橋7座，全長(zhǎng)211.66 m。同時(shí)，十天高速公路（略陽—陜甘界段）位于陡坡地段的橋梁基礎(chǔ)約占全線樁基總數(shù)的3.8%。

1.2 巖溶發(fā)育區(qū)與樁基礎(chǔ)的位置關(guān)系

巖溶發(fā)育區(qū)呈不規(guī)則狀分布，樁基和巖溶區(qū)有三種位置關(guān)系，如圖1所示。

第一種：巖溶發(fā)育區(qū)位于樁基下方。有研究表明，只有出現(xiàn)以下兩種情況時(shí)，才可以不考慮頂板厚度對(duì)樁的影響：樁底頂板厚度大于3倍樁徑；樁底頂板厚度小于3倍樁徑且?guī)r溶區(qū)被土填滿，承載力大于150 kN[7]。

第二種：巖溶發(fā)育區(qū)位于樁基周圍。樁周土體缺失，樁側(cè)土抗力降低，同時(shí)樁側(cè)摩阻力降低，樁基承載力減小。

第三種：巖溶發(fā)育區(qū)范圍較廣。此時(shí)樁周土體缺失嚴(yán)重，且頂板厚度嚴(yán)重不足。通常采取增大樁長(zhǎng)的措施，使樁基穿越巖溶發(fā)育區(qū)，以此來提高樁基承載力。

1.3 山區(qū)陡坡與橋梁的位置關(guān)系

通過對(duì)十天高速（略陽—陜甘界段）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，略陽至陜甘界段有102座橋梁中有47座橋梁部分橋墩位于陡坡上。通過調(diào)查分析，橋梁與陡坡的位置關(guān)系主要有跨越式和縱向沿坡式兩種，如圖2和圖3所示。

為分類研究位于陡坡地段上的橋梁樁基，根據(jù)其在陡坡的不同位置，分為陡坡頂、陡坡中部、陡坡坡腳三類。對(duì)三類樁基的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

本文取分布最多的陡坡中部樁基作為研究對(duì)象，建立對(duì)應(yīng)數(shù)值的仿真模型，研究巖溶發(fā)育區(qū)與陡坡的耦合作用下樁基礎(chǔ)的承載性能。

2? 建立數(shù)值仿真模型

2.1 參數(shù)選取

參考地勘資料及設(shè)計(jì)資料，樁和土體的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.2 樁土接觸問題

為解決相鄰結(jié)構(gòu)物由于材料屬性不同而產(chǎn)生的接觸問題，在FLAC3D中設(shè)置了接觸面結(jié)構(gòu)單元以解決一定受力條件下兩個(gè)接觸的表面上產(chǎn)生的滑動(dòng)、分開與閉合問題。FLAC3D中接觸面幾何模型建立的方法有三種，分別為移來移去法、導(dǎo)來導(dǎo)去法及切割模型法。本文采用移來移去法，即將樁模型和地基模型分開建立，在地基模型相應(yīng)位置上建立樁側(cè)和樁端接觸面單元，再將樁模型移動(dòng)到相應(yīng)位置，這樣使得同一坐標(biāo)點(diǎn)有不同的節(jié)點(diǎn)號(hào)，可以模擬樁土之間滑移分離的情況，從而完成接觸模型的設(shè)置。

接觸面單元的特性主要由法向剛度kn、剪切剛度ks、內(nèi)摩擦角ψ、粘聚力c、膨脹角、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)控制。法向剛度kn、剪切剛度ks可以取接觸面周圍“最硬”臨近區(qū)域土層等效剛度的10倍，計(jì)算公式為：

式（1）中，K是體積模量，G是剪切模量，Δzmin是接觸面法向方向上連接區(qū)域上的最小尺寸。

模擬滑移和分離的情形時(shí)，接觸面單元的摩擦參數(shù)相較于剛度參數(shù)更為主要，因此在這種情形下合理選取摩擦參數(shù)變得尤為重要。根據(jù)文獻(xiàn)[8-10]，同時(shí)考慮樁與土體之間的接觸面較粗糙，樁側(cè)和樁端接觸面單元的粘聚力和內(nèi)摩擦角取值為相鄰?fù)翆拥恼尘哿蛢?nèi)摩擦角的0.8倍。

2.3 模型建立

為了方便建模，提高計(jì)算效率，將形狀無規(guī)則的巖溶區(qū)域簡(jiǎn)化為規(guī)則的矩形，方便描述溶洞的高度和跨度。FLAC3D是一款成熟的巖土工程軟件，常用于計(jì)算巖土工程參數(shù)和巖土受力分析。本文采用FLAC3D 5.0建模，將網(wǎng)格細(xì)化，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。溶洞位于樁基的下伏，即第二個(gè)石灰?guī)r層。模型中的土體參數(shù)和樁基參數(shù)均取自工程勘測(cè)資料，如表2所示。土體選用彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。樁基是鋼筋混凝土材料，選用理想彈性本構(gòu)模型。X方向的邊界條件數(shù)值取為25D（D為樁徑），Y方向的邊界條件數(shù)值取為17D，Z方向根據(jù)頂板厚度調(diào)整。溶洞尺寸X方向3 m，Y方向4 m，Z方向6 m。樁長(zhǎng)10 m，樁徑1.5 m。模型如圖4所示。

2.4 工況設(shè)置

研究?jī)蓚€(gè)因素對(duì)陡坡樁基承載力的影響，采用控制變量法設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況，如表3所示。最終得到25組試驗(yàn)，對(duì)25組試驗(yàn)分別進(jìn)行模擬。

3? 數(shù)值仿真結(jié)果與分析

3.1 坡度對(duì)樁基水平承載力的影響

樁基周邊土體缺失，影響樁基承載性能，圖5為60°和45°兩種具有代表性的坡度，在坡上模擬樁基，分別施加100，300，500 kN三種水平荷載，分析樁基的水平承載力。由圖5（a）可知，樁身位移隨埋置深度越來越小，樁頂位移最大。且施加的水平荷載越大，樁頂位移越明顯。由圖5（b）可知，樁身位移的變化趨勢(shì)與圖5（a）類似，但坡度越小，樁頂?shù)奈灰圃叫　?/p>

為了進(jìn)一步研究樁基水平承載力，繼續(xù)施加水平荷載，并建立水平荷載（H）與樁頂位移（y）的關(guān)系。圖6為不同坡度下樁基H-y關(guān)系圖，以坡度0°（平地）為對(duì)照組，坡角對(duì)樁頂水平位移影響明顯，且坡度越大，影響越顯著。以坡度0°為基準(zhǔn)，計(jì)算坡度對(duì)樁基的影響度，見式（2）：

式（2）中，y為該坡度下樁頂水平位移；y0為坡度等于0時(shí)樁頂水平位移。

由圖7可知，坡度為15°，水平荷載為800 kN對(duì)樁基的影響度最大為21%；坡度為30°，水平荷載為800 kN對(duì)樁基的影響度最大為41%；坡度為45°，水平荷載為800 kN對(duì)樁基的影響度最大為63%；坡度為60°，水平荷載為800 kN對(duì)樁基的影響度最大為67%。由此可以得出：陡坡坡腳從15°變化到60°，樁基水平承載力不變，即樁基周圍無巖溶發(fā)育區(qū)時(shí)，陡坡對(duì)樁基水平承載力影響不大。當(dāng)水平荷載力為400～500 kN時(shí)，影響度值變化最大。結(jié)合圖6的位移曲線及文獻(xiàn)[11]，取水平位移6 mm對(duì)應(yīng)的荷載為水平承載力，坡度0°，15°，30°，45°，60°對(duì)應(yīng)的水平承載力分別為485，453，437，412，400 kN。

3.2 頂板厚度對(duì)樁基水平承載力的影響

圖8中5個(gè)圖分別代表了0°，15°，30°，45°，60°坡度作用下不同頂板厚度對(duì)樁頂水平位移的影響。由圖8可知，在頂板厚度不斷加大的過程中，樁頂水平位移在不斷減小，且變化趨勢(shì)相似，因此可以推算出，頂板厚度與樁基存在某種線形關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，取樁頂位移6 mm對(duì)應(yīng)的水平荷載為樁基水平承載力，結(jié)果見表4。

為了擬合樁基水平承載力與秦嶺陡坡和頂板厚度的關(guān)系，建立25組數(shù)值仿真模型，計(jì)算得到25組不同工況下的樁基水平承載力[12]，結(jié)果如表4所示。

“無溶洞”在數(shù)值上等于“頂板厚度無窮大”，與其他數(shù)據(jù)的結(jié)果差異過大，因此去掉無溶洞對(duì)應(yīng)的5種試驗(yàn)工況，即無溶洞，坡度0°；無溶洞，坡度15°；無溶洞，坡度30°；無溶洞，坡度45°；無溶洞，坡度60°。對(duì)剩余20組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線形回歸，得到樁基在溶洞和陡坡耦合作用下的水平承載力（f）：

f=13.947d-1.36？琢+394.198（3）

式（3）中，為陡坡坡角；d為頂板厚度。

對(duì)數(shù)值模擬與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表5所示。由表5可以得知，誤差均控制在6%以內(nèi)，效果較好。

3.3 工程驗(yàn)證

十天高速公路（略陽—陜甘界段）某大橋右幅樁基位于斜坡上，其坡腳59°，樁徑1.5 m，樁長(zhǎng)10 m，與本文中數(shù)值模擬模型一致，地質(zhì)條件相似，且下方探測(cè)出存在巖溶發(fā)育區(qū)[13-14]。巖溶區(qū)域離樁底最近的距離為5.8 m，根據(jù)本文預(yù)測(cè)公式可知，該樁基的水平承載力為395 kN，與無溶洞、無陡坡相比，折減了18.56%。

4? 結(jié)論

本文以秦嶺山區(qū)陡坡橋梁工程為依托，建立數(shù)值仿真模型，分析了秦嶺陡坡橋梁樁基在巖溶發(fā)育區(qū)的水平承載力?？傮w上，橋梁樁基水平承載力與坡角呈負(fù)相關(guān)，與溶洞頂板厚度呈正相關(guān)；橋梁樁基礎(chǔ)在陡坡和溶洞的耦合作用下，水平承載力減小最多，最危險(xiǎn)的工況可減小 33.2%；根據(jù)現(xiàn)有數(shù)值模擬結(jié)果，采取線形回歸，提出了適用于秦嶺陡坡橋梁工程穿越巖溶發(fā)育區(qū)的水平承載力預(yù)測(cè)公式。在此基礎(chǔ)上，本文認(rèn)為，秦嶺山區(qū)高速公路橋梁選址盡量避免大面積巖溶發(fā)育區(qū)；若無法避免，可采取回填或加大樁長(zhǎng)樁徑的措施。

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