串珠狀巖溶區橋梁基樁及持力層穩定性分析

摘要：文章研究串珠狀巖溶區橋梁基樁及持力層的穩定性，結合廣西防城港市防城區里邏大橋工程實例，運用數值模擬和理論計算相結合的方法，分析不同巖溶發育程度及填充物條件下橋梁基樁和持力層的力學響應。通過計算，識別出影響大橋基樁和持力層應力穩定性的關鍵地質參數，并提出針對性的改善對策。研究結果表明，串珠狀巖溶的發育程度和填充物的性質能顯著影響基樁和持力層的穩定性，采取有效對策可以改善其穩定性，避免樁基安全事故的發生。

關鍵詞：串珠狀巖溶；橋梁基樁；持力層；穩定性分析

中圖分類號：U443.15" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）05-0091-05

0 引言

廣西地區地質條件復雜，分布著大面積的喀斯特地形，其中串珠狀巖溶發育較為典型［1］。串珠狀巖溶經過長時間的溶蝕作用，形成溶洞連通的狀貌，而且洞穴充填物的性質復雜，其力學性能明顯弱于周圍基巖，地基承載力差，給串珠狀巖溶區的橋梁基礎工程帶來了巨大的挑戰。已有研究表明，由于串珠狀巖溶區存在巖溶結構發育、充填物異質等問題，建于其上的橋梁基礎容易發生局部受損，從而降低橋梁上部結構的安全性。目前，針對串珠狀巖溶區橋梁樁基施工技術的研究較多，在巖溶處理方法上取得了不少研究成果。唐國東［2］在巖溶區樁基設計中根據樁身穿過部分溶洞及成層地基的特點，利用FLAC3D有限差分計算程序獲取樁身沉降的規律。巫惠斌等［3］以惠州市S119線改建工程水西大橋為案例，研究橋址區串珠狀巖溶的賦存特征，提出橋梁樁基施工中引發險情的機制及防治措施。張冰淇［4］采用荷載傳遞法分析串珠狀溶洞樁基的沉降，推導出串珠狀巖溶地層中單樁沉降的計算公式，實際工程應用效果良好。本文在前人研究成果的基礎上，以廣西防城港市防城區里邏大橋工程為實例，運用數值模擬和理論計算方法，研究在不同巖溶發育程度及充填物條件下，橋梁基樁及持力層的力學響應，提出改善其穩定性的對策，旨在為串珠狀巖溶區橋梁設計和施工提供參考。

1 工程概況

廣西某山區高速公路大橋為擬建中的橋梁，該橋梁全長128 m，為預應力混凝土“T”梁（跨徑為30 m），跨越當地一條典型的串珠狀巖溶谷。根據工程地質勘探結果，橋址區發育有大量層狀和管狀的巖溶，形成迂回曲折的溶洞系統。橋臺、墩柱均采用樁基礎。根據巖溶區巖心鉆探和現場試驗結果，橋址區下伏基巖為二疊系下統茅口組灰巖，可見明顯的溶蝕痕跡。巖溶空隙帶發育范圍在地表以下10～25 m，空隙充填物為粉質黏土和細砂質黏土，充填物具有較強的層狀特性，工程地質學整體性較好。

2 建立橋梁基樁及持力層力學模型

基于該工程特點，重點分析橋臺、墩柱基礎以及周邊持力層在靜力荷載作用下的整體穩定性。

2.1 基本假設

2.1.1 材料性質假設

采用橋址區巖溶區的實測數據，確定灰巖基巖、巖溶填充物和人工回填體的彈塑性參數。灰巖基巖視為連續均質材料；巖溶填充物和回填體視為離散介質。

2.1.2 計算模型假設

建立二維平面應變模型（見圖1），橋臺、墩柱基礎簡化為矩形平面約束體，持力層簡化為周邊矩形范圍，兩個實體間的接觸面采用面對面接觸單元。巖溶區離散填充物體系采用等效連續介質法模擬，等效體彈性模量按各向異性比值（1∶0.8∶0.6）設置［5］。

2.1.3 邊界條件與加載假設

模型底部固定約束，側向滾動約束；頂部施加均布線性壓應力，以模擬上部橋面荷載的簡化負荷作用。施加不同的荷載，分析整體結構在彈性和彈塑性狀態下的變形響應。

2.1.4 方案比選假設

采用不同填充物體系方案和基礎加固方案，保持模型幾何尺寸、材料基本力學參數、邊界條件和加載方式等參數不變，僅改變填充物條件，分析不同填充物對持力層穩定性的影響，分析不同方案的穩定性和經濟性差異，提出優選建議。

2.2 計算模型

基于工程地質情況，二維平面應變模型數值計算需要使用的參數如下。

（1）模型長度：按橋梁軸向全長的1/2取對稱部分建模，則模型長度L=120 m/2=60 m。

（2）模型寬度：兩側各拉伸一定的距離，考慮橋的橫跨長度，模型總寬度B=橫跨長度+2×偏移距離=30 m+2×30 m=90 m。

（3）模型自上而下的層次：橋面荷載板的厚度為0.5 m，橋臺或墩柱基礎為10 m×10 m的矩形，周邊持力層的半徑為10 m，巖溶填充體厚度為40 m，基巖深度為20 m。

（4）均布線性壓力：橋面板、上部結構約束體采用剛性材料，基巖和填充體采用梯度變化的彈塑性本構模型［6］。在模型頂部的承載面上選取15個均勻分布的節點，對這些節點施加垂直向下的線性增量壓力，作用于剛性橋面板上，模擬車輛的靜力荷載。底部邊界的基巖節點設置為固定約束，兩側設置為水平方向滾動支撐。施加均布線性壓力P，P=標準車輛荷載n（n為受力板節點數）。

（5）密集網格劃分：采用三角形網格對橋梁上部結構、接觸面及空隙體等部分進行劃分，節點數N=4 560，單元數M=8 800。加載分30步進行，此過程中需要計算永久變形、塑性區分布、孔隙水壓力響應等，以判斷整體結構的穩定狀態。

2.3 邊界條件

（1）位移邊界條件。位移邊界條件主要應用于基巖與深部邊界的單元節點上，其余邊界不設置約束。模型底部的基巖底面約束為固定支撐，其垂直和水平方向位移均為零，表示為[uy=uz=0]，[y→ymin]；兩側邊界為平面對稱約束，僅允許豎直位移，水平位移為零，表示為[ux=0]，[x→xmin]，[x→xmax]。

（2）接觸邊界條件。接觸面為基樁與填充體、持力層的界面。在計算迭代中，自動調整接觸單元狀態，按各自材料的本構關系判定界面是否分離或滑動。兩側邊界采用分配點接觸法，允許接觸面的縱向移動和反向加載。

（3）荷載邊界條件。對上部剛性板中部的15個節點施加向下的均布線性壓力P，最大壓力取標準車輛荷載的2倍，分30步逐漸加載到最大值，然后卸載到零，形成一個完整的加載、卸載循環過程。

2.4 確定計算參數

2.4.1 材料參數

計算所需材料參數見表1。

表1 材料參數

[材料 抗壓強度（MPa） 抗拉強度（MPa） 泊松比 內摩擦角（°） 剪切模量（MPa） 基巖（灰巖） 100 10 0.25 45 32 000 巖溶填充體（粉質黏土） 2.5 0.5 0.35 28 120 ]

2.4.2 模型尺寸

計算所需模型尺寸見表2。

2.4.3 加載分步

采用力控制的分步加載模式，將設計極限荷載值F分30步平均增量加載，每一加載步的增量為ΔF=F/30，記錄并比較各加載步的位移和塑性區響應，以此判斷極限荷載值的合理性。

2.4.4 安全系數

預估設計情況下的極限荷載為F，根據位移-荷載曲線，確定產生2 cm位移時的荷載值為Fu，則結構安全系數k=Fu/F。綜合考慮安全系數k與經濟因素，確定最終設計的合理荷載水平，通過調整及分析參數得到經濟適用的設計方案。

3 橋梁基樁及持力層穩定性分析

3.1 巖溶發育程度對穩定性的影響

巖溶發育程度是影響區域穩定性的關鍵因素，為研究其影響程度，在計算模型中設置不同規模的巖溶空隙，模擬從輕度到強度不等的不均勻溶蝕情況。主要考慮以下幾類巖溶體系：①散在小型空隙，空隙體積占比lt;30%，空隙尺寸范圍為0.1～1 m；②局部中型空隙，空隙體積占比lt;50%，空隙尺寸范圍為1～5 m；③管狀大型空隙，空隙體積占比可達75%，空隙連接為管道狀，大小為5～10 m。不同巖溶體系巖溶發育程度的計算結果見表3。

表3的計算結果表明，隨著巖溶空隙體積的擴大和連接性的增強，區域產生相同位移所需的應力降低，整體穩定性降低。當空隙占比和連接度達到一定臨界值時，巖溶體系的穩定性無法滿足設防要求。因此，需要對發育程度過高的巖溶區采取填充加固等措施。

3.2 持力層填充物對穩定性的影響

持力層填充物的力學性能直接影響橋梁上部結構的整體穩定性，為研究其影響程度，對細砂、中砂、粗砂礫3種典型填充材料的力學性能進行對比分析，包括其抗壓強度、內摩擦角和變形模量等。建立持力層計算模型，保持幾何尺寸、邊界條件、加載方式等參數不變，僅改變填充物類型，分析不同填充物條件下持力層的穩定性，計算結果見表4。

采用數值法建立相應的計算模型，分析上述3種填充材料條件下的位移場、應力分布和變形過程，分析結果如下：①用粗砂礫填充時，橋臺的位移值最小，結構變形最慢，整體穩定性最好；②用細砂填充時，橋臺的位移尖峰最大，基礎易產生局部失穩；③填方抗壓強度和內摩擦角是決定結構穩定性的關鍵參數，隨著填充物的摩擦角和抗壓強度的提高，區域產生相同位移所需的荷載更大，整體穩定性提升。因此，工程設計時應選擇性能較優的填充材料，確保持力層的支撐作用和橋梁上部結構的安全性。

3.3 穩定性評價

評價巖溶區橋梁結構的穩定性，需綜合考慮其安全性、適用性和經濟性因素，提出量化的技術指標，主要評價指標如下。

（1）安全系數。根據數值模擬，預估結構產生2 cm位移時的極限荷載為Pu，正常使用設計荷載為P，則安全系數k=Pu/P。建議安全系數k≥2，當klt;1.5時，需采取加固措施。建議采用動力安全系數概念，根據構建的本構模型，確定產生各種程度損傷時的臨界荷載。正常使用荷載不應超過無損傷狀態下臨界極限值的1/3。

（2）位移限值。設置2 cm、4 cm和某一墩高的1%高度的3個位移報警限值。當實測位移超過首個閾值時，應啟動預警；超過次要閾值時，需進行針對性的加固；超出最高限值時，則認為結構發生整體失穩。

（3）應力水平。采用增量疲勞理論，根據損傷機理分析不同載荷水平重復作用下的損傷累積程度。設定各種材料、加載情形下的疲勞壽命曲線。

（4）經濟因素。建議采用生命周期成本法確定加固方案，計算各設計使用年限下的修建與維護總費用，優選出滿足要求的最經濟的方案。

綜合分析上述評價指標，需要檢查增大尺寸后結構的位移和應力指標是否合理，防止誤判；確定結構的安全等級及加固措施，保證巖溶區橋梁工程長期、穩定運行。

4 提高橋梁基樁及持力層穩定性的對策

4.1 優化橋址選擇

合理選擇橋梁位置是確保巖溶區橋臺工程穩定性的關鍵，通過充分勘察區域地質情況，利用先進的檢測技術，明確巖溶空洞的分布，評估不同位置的地基質量，還可以采用三維數值模擬法計算橋址范圍的整體穩定性和應力水平，結合經濟因素量化篩選最佳橋位。對局部質量欠佳的段落，可先進行增厚填充、壓實或灌漿處理，提高基礎的承載能力［7］。在進行橋址方案比選時，還應適當擴大橋位縱、橫向的選址范圍，以便繞開發育強烈的巖溶區間，從而更好地保障橋梁結構和基礎的安全。

本案例橋區段的巖溶空隙發育范圍廣，持力層質量參差不齊，存在穩定性較差的問題。因此，應優先考慮地質情況，避開大中型溶洞分布區，縮小規劃范圍，尋找質量較好的穩定區段，并適當擴大橋長，降低單跨的影響。

4.2 加固橋梁基礎

對于已選定的橋址，如果地基處巖溶發育嚴重，還需采取加固措施改善其穩定性。常用的基礎處理方式有注漿加固、樁基加固、錨固加強等［8］，通過這些方法提高基礎的承載力，控制差異沉降，減小上部結構的變形。

4.2.1 注漿加固技術

注漿加固是應用最廣泛的巖溶處理技術，通過向溶洞內壓入水泥漿液填充溶蝕空隙，漿液凝固后可提高巖體的整體性和強度。根據注漿方式和壓力，可分為常規壓力注漿、袖閥管注漿和高壓旋噴注漿等。

（1）常規壓力注漿。常規壓力注漿的工藝原理是通過布設注漿管的方式將水泥漿液壓入巖溶空隙，改善巖溶區的密實度和強度，適用于溶洞發育規模適中、分布較分散、巖溶填充物穩定性較差的情況，局限性是常規注漿的壓力和流量有限，對于尺寸過大或貫通的溶洞難以實現有效填充。

（2）袖閥管注漿。袖閥管注漿的工藝原理是在溶洞中預埋帶有橡膠袖閥的注漿管，對峰高溶蝕空隙實施分段注漿加固；漿液從袖閥管的若干孔口噴出，對空隙進行填充。該方法適用于垂向發育貫通的溶洞以及溶洞頂板落架，但溶蝕殘余物穩定性尚可的情況，其局限性是袖閥管易堵塞，注漿效果受巖溶裂隙發育程度的影響大。

（3）高壓旋噴注漿。高壓旋噴注漿的工藝原理是利用高速旋轉的注漿管柱將高壓水泥漿沿徑向噴射入巖體，并且攜帶部分溶蝕殘余物，攪拌形成水泥土固結樁。該方法的適用條件為溶洞發育、溶蝕殘余物松散、巖溶填充物顆粒較細，其局限性是旋噴樁體強度不均，易出現露筋，并且施工難度大，易發生串洞而引起地層擾動。

4.2.2 樁基加固技術

樁基加固是通過在溶洞發育區嵌入樁體的方式增強橋梁基礎的承載力，減少溶洞對橋梁沉降和穩定性的不利影響。常見的樁型有擠密樁、灌注樁等。

（1）擠密樁。擠密樁的工藝原理是利用靜力壓樁機將混凝土預制樁壓入溶洞區，通過樁體將溶蝕殘余物擠密，增大持力層的密實度，并且通過樁-土復合的方式提高基礎的承載力。該方法適用于溶洞垂向發育、填充松散、樁端持力層埋深較淺的情況，其局限性是在溶洞頂板落架嚴重區域，樁體壓入時易引起溶洞擴大，甚至引發坍塌。

（2）灌注樁。灌注樁的工藝原理是采用鉆孔在巖溶溶洞內成孔，澆筑混凝土形成樁體，樁體和溶蝕殘余物共同承載上部荷載，減小樁間土的應力，控制基礎沉降。該方法適用于溶洞較大、樁端持力層較完整、溶蝕殘余土體穩定性較好的情況，其局限性是成孔深度受巖溶發育狀況的限制，澆筑易發生斷樁、蜂窩麻面等問題。

4.2.3 錨固加強技術

錨固加強是在巖溶發育嚴重、溶洞貫通區域，利用錨桿或錨索對基巖進行錨固，提高巖體的抗剪強度，并且通過錨固體的張拉力對溶洞頂板形成支撐，防止溶洞擴大和坍塌。該技術的工藝原理是采用鉆孔在溶洞的頂板設置錨桿或錨索，經注漿錨固后，對錨桿（索）進行張拉，以提高巖體的抗剪切能力和溶洞頂板的穩定性。該方法適用于巖溶發育貫通、溶洞頂板尚存、基巖完整性較好且具有一定的錨固強度的情況，其局限性是錨固體工程量大，施工成本較高，并且錨桿（索）數量較多時，易引起溶洞擾動和串洞。

由于加固費用較高，加固橋梁基礎需要評估經濟效益后再確定適用的方案。對已選定但局部基礎質量欠佳的橋位，建議采取樁基礎加固處理手段，彌補巖溶空隙的影響。同時，對橋臺、墩柱基礎以下5 m范圍內的持力層進行嚴格的壓實換土，確保其承載力和均勻性，減少橋梁上部結構的沉降。

4.3 施工預防措施

在工程施工期間，應采取以下預防措施。

（1）加強巖溶區橋臺基礎周邊的驗洞監測，密切觀測地基沉降情況，以便及時補充、夯實基礎以下的填充體。

（2）受橋位限制，需設計控制基礎外圍的排水，避免雨季滲流沖刷對持力層造成損壞。

（3）考慮到溶洞陷落的影響，采用紅外線和光纖傳感器在橋面設置測位點，監控橋面變形是否在限值范圍內。

5 結論

本文通過建立橋梁基樁及持力層的計算模型，采用數值模擬和理論計算相結合的方法，對廣西防城港市防城區里邏大橋基樁及持力層的穩定性進行研究，得出以下結論。

（1）巖溶發育程度是影響結構穩定性的關鍵因素，隨著巖溶空隙體積的擴大和連接度的提高，整體穩定性下降，建議對發育程度過高的巖溶區采取填充加固等措施。

（2）持力層填充物的力學性能直接影響橋梁上部結構的整體穩定性，持力層填充物的摩擦角和抗壓強度是影響基樁整體穩定性的重要因素，建議選擇性能較優的填充材料，確保持力層的支撐作用。

（3）由于串珠狀巖溶的分布存在不均一性，持力層的質量參差不齊，在橋梁樁基設計與施工前，應制訂周密的勘察方案，通過優化橋址選擇、加固橋梁基礎、采取施工預防措施等方法，改善橋梁整體的穩定性。

6 參考文獻

［1］羅資清，吳春偉，周睿，等.廣西中西部巖溶區營運公路隧道土建結構病害特征及其影響因素分析［J］.隧道建設（中英文），2023，43（S1）：565-575.

［2］唐國東.串珠狀巖溶區橋梁樁基沉降計算與穩定性分析［D］.長沙：湖南大學，2014.

［3］巫惠斌，邱粵濱，許錫昌.串珠狀巖溶賦存特征及對橋梁樁基的影響［J］.交通科技，2016（5）：14-17.

［4］張冰淇.串珠狀溶洞地層中橋梁樁基承載特性與穩定性研究［D］.福州：福州大學，2017.

［5］李熙來.巖溶區嵌巖樁承載機理與極限承載力研究［D］.石家莊：石家莊鐵道大學，2023.

［6］周攀，李鏡培，李盼盼，等.基于界面本構模型的砂土中單樁荷載沉降響應預測方法［J］.巖土力學，2024（6）：1-13.

［7］肖鴻斌，金耀岷.深埋串珠狀溶洞的超高層基礎設計案例分析［J］.中國巖溶，2023，42（2）：382-390.

［8］吳常燦.喀斯特地貌隧道串珠狀環向連續溶洞處理技術研究［J］.建筑技術開發，2019，46（4）：101-102.

【作者簡介】劉志強，男，湖南新寧人，碩士，工程師，研究方向：公路橋梁設計。

【引用本文】劉志強.串珠狀巖溶區橋梁基樁及持力層穩定性分析［J］.企業科技與發展，2024（5）：91-94，109.