岩溶地区嵌岩桩稳定性影响因素的敏感性研究

申庆全，吴 鸣

（汕头大学土木工程系，广东 汕头 515063）

岩溶地区嵌岩桩稳定性影响因素的敏感性研究

申庆全，吴 鸣*

（汕头大学土木工程系，广东 汕头 515063）

采用ABAQUS有限元软件对嵌岩桩进行数值模拟计算.通过逐一改变溶洞高度、溶洞的跨度、溶洞的顶板厚度、桩端嵌入深度、桩径等，得出桩体最大位移和溶洞顶板受力情况，研究各因素对溶洞顶板稳定性的影响.结果显示：溶洞极限承载力对溶洞的顶板跨度、顶板厚度、岩体的完整性比较敏感；对于桩体的直径和嵌岩深度有一定的影响，但是不是太明显；对于溶洞的高度不敏感.

嵌岩桩稳定性；岩溶；ABAQUS；敏感度

0 引言

我国幅员辽阔、地质条件比较复杂，岩溶地区分布比较广泛，尤其是在中西部地区.现在国家大力发展中西部地区，发展经济首先就是加大交通设施的建设.许多工程不可避免的建在岩溶发育的地区，所以在工程设计和施工中不得不考虑溶洞稳定性对建筑结构的影响.影响溶洞稳定性的因素很多，溶洞高度、溶洞跨度、溶洞顶板厚度、围岩的完整性、桩径、桩顶端受力情况等.

由于各种条件限制，现场试验是不现实的.所以，对嵌岩桩顶板稳定性的实地试验的研究很少，积累的经验也是很少的.现在对于工程溶洞顶板稳定性的研究主要是在坍塌机理、定性、半定量和定量的分析基础上对溶洞顶板稳定性进行评价[1-8].工程地质手册中将溶洞顶板简化成各种梁、板、拱等模型进行简化计算，估算出在荷载作用下最小顶板厚度来判断溶洞顶板的稳定性[5].

近年来随着计算机以及有限元软件的发展，把研究对象离化成有限单元进行模拟计算.很多研究是针对某一具体工程进行模拟计算.针对某一种因素变化对溶洞顶板稳定性影响的研究还不是太全面[6-11].

因此本文通过一系列ABAQUS数值模拟试验，分析探讨岩溶地区溶洞各影响因素对溶洞顶板稳定性影响的敏感性.

1 数值模拟试验方法

1.1 岩溶地区桩土模型

本文选用ABAQUS有限元软件进行数值模拟试验，把桩土计算模型简化成具有一定纵向高度和水平方向延伸的长方体模型，其中溶洞简化成四方体的形状.溶洞上部取武汉某一工程的地质条件，各土层的高度以及各层土体的物理参数[10]见表1.

表1 桩体和岩土体参数

模型的水平长度取溶洞跨度的5倍，模型中溶洞底部的计算范围取溶洞顶板厚度的5倍或溶洞的高度中的最大值[11].桩土模型采用四面体实体单元，桩体采用线弹性模型，土体采用弹塑性的Drucker-Prager本构模型.为了简化计算取模型的四分之一结构体进行计算（图1）.边界条件：上表面为自由边界，下表面采用竖向固定边界，与桩体接触的两个面采用对称约束边界，另外两边采用水平约束边界.模型网格划分采用C3D10的单元，对溶洞边缘网格进行加密（图2）.

图1 桩土有限元模型

图2 模型网格的划分

1.2 溶洞围岩参数的选取

通过阅读参考文献和资料，整理得出影响因素的范围（如表2）[10-15].根据工程经验，对于溶洞顶板厚度小于1 m时，不考虑把桩嵌岩在桩溶洞顶板之上；对于溶洞周围岩石比较完整的，当溶洞顶板厚度大于5 m时，可以认为溶洞顶板能够满足稳定性要求.所以，经过查阅资料和总结经验对于溶洞顶板厚度本文取值范围1～7 m.对于影响溶洞顶板稳定性的影响因素取表2.

表2 影响因素的范围 （m）

根据RMR岩体的地质力学分级的方法以及参考工程的相关岩溶地区的文献，综合分析后取7组溶洞地区灰岩岩体的物理力学参数对岩体的完整性进行研究[12]（如表3）

表3 岩溶顶板灰岩的物理力学参数

1.3 单因素模拟试验

将各种因素进行划分，溶洞高度取2、3、4、5、6、7、8 m；溶洞跨度取2、3、4、5、6、7、8、9、10 m；嵌岩深度取0.5、1、1.5、2、2.5、3 m；桩径取0.8、1.2、1.6、2 m；溶洞顶板厚度取1、2、3、4、5、6、7 m；以及围岩的种类等，共做46组模拟试验.得到Q-s曲线（图3），根据Q-s曲线判断极限承载力，陡降型曲线取曲线突变的点为对应的荷载，缓慢型的取竖向位移为40 mm对应的荷载.

图3 数值分析试验的Q-s曲线

2 影响因素的敏感性分析

本文对敏感性分析是通过单一因素变化下，桩端位移变化的幅度，并通过Q-s曲线确定溶洞顶板的极限荷载来判断各影响因素对溶洞影响的敏感性.

2.1 溶洞高度的敏感性分析

溶洞高度分别取2、3、4、5、6、7、8 m，溶洞的顶板采用2 m，溶洞周边岩石采用#1号岩体，桩体的直径为1.2 m.通过对桩土模型的进行数值分析试验，得出Q-s曲线（图3a）极为接近甚至重合；不同溶洞高度下的极限承载力随高度的变化也是很小的（图4）.所以，溶洞的稳定性对溶洞的高度不敏感.

图4 不同溶洞高度的极限荷载

图5 不同溶洞顶板厚度下的极限荷载

2.2 溶洞顶板厚度的敏感性分析

对溶洞顶板厚度分别取1、2、3、4、5、6、7 m进行施加荷载，溶洞周边的围岩取#1号岩体，桩径取1.2 m.对模型进行数值分析试验得出桩端荷载和桩顶端位移（图3b），通过Q-s曲线可以得出对应的极限荷载如图5.从试验的结果可以看出，对应试验地质条件，当溶洞顶板厚度比较小时，极限承载力比较小；当溶洞顶板厚度达到一定厚度时，溶洞顶板的极限荷载基本没有变化.

2.3 溶洞跨度的敏感度分析

对溶洞跨度分别取2、3、4、5、6、7、8、9、10 m进行施加荷载，溶洞周边的围岩取#1号岩体，溶洞顶板厚度取2 m，桩径取1.2 m.对模型进行数值分析试验的出桩端荷载和桩端位移（图3c），通过Q-s曲线得出极限荷载如图6.从试验的结果可以看出，对应的试验条件下，当溶洞的跨度大于某值时，溶洞的极限荷载随溶洞跨度的增加而减小.

图6 不同溶洞顶板跨度的极限荷载

图7 不同桩径的极限荷载力

2.4 桩体直径的敏感度分析

本文对桩径的取值为0.8、1.2、1.6、2 m进行试验.得出桩端荷载和桩端位移（图3d），通过Q-s曲线得出极限荷载如图7.从试验的结果可以看出，极限荷载随桩径的增大而减小.

2.5 地质强度指标RMR的敏感度分析

本文对溶洞的地质强度指标RMR取26、32、48、50、58、62、66进行数值分析试验.得出桩端荷载和桩端位移（图3f），通过Q-s曲线得出极限荷载如图8.从试验的结果可以看出，极限荷载随RMR值的减小而减小.

2.6 嵌岩深度的敏感度分析

桩体嵌岩深度取0.5、1、1.5、2、2.5、3 m进行数值分析试验，得出桩体嵌岩深度与桩顶位移的Q-s曲线如（图3e），并有Q-s曲线得出极限荷载如图9.从试验的结果可以看出，溶洞顶板厚度等条件一定的情况下，嵌岩深度对极限荷载的影响不是很敏感，极限荷载随嵌岩深度的增加而降低.

图8 不同RMR的极限承载力

图9 不同桩体的嵌岩深度的极限承载力

3 结论

（1）溶洞的极限承载力对溶洞高度不敏感.

（2）溶洞极限承载力对溶洞顶板厚度和溶洞跨度较为敏感.对于本文试验的条件下，当溶洞的顶板厚度小于3 m时，溶洞的极限承载力随溶洞厚度增加而增大；溶洞顶板厚度大于3 m时，溶洞的顶板厚度对溶洞的极限承载力影响不明显.当溶洞的跨度大于5 m时，溶洞的极限承载力随溶洞跨度的增加而降低；溶洞的跨度小于5 m时，溶洞的跨度对溶洞的极限承载力影响不明显.

（3）溶洞极限承载力对桩体的直径和桩体的嵌岩深度不是太敏感.在本文的试验的条件下，溶洞的极限承载力随桩体的直径的增加而降低，降低的不明显；溶洞的极限承载力随桩体的嵌岩深度的增加而降低，也是降低的不明显.

（4）溶洞的极限承载力对岩体的完整性（RMR）较为敏感.溶洞的极限承载力随RMR的增大而增大.

影响溶洞稳定性的因素很多，文章只是针对主要的因素进行考虑.同时溶洞各影响因素之间是相互影响的，对这一方面还是需要进一步的研究.

参考文献

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Study on the Factor of Karst Area on the Sensitivity of Influences on the Stability of Embedded Rock Pile

SHEN Qingquan,WU Ming
（Department of Civil Engineering，Shantou University,Shantou 515063,Guangdong,China）

A serious of embedded rock pile is simulated,using the ABAQUS finite element software.To examine the effect of influencing factors on the stability of karst cave roof,the height of the karst cave,the span of karst cave,the thickness of roof,the pile embedded depth, the eccentricity of pile and the diameter of pile are modified.Experimental results showthat the bearing capacity of pile foundation is sensitive to the width of karst cave,the thickness of roof and the RMR of karst cave.The embedded depth and eccentricity of pile have less effect in the bearing capacity of pile foundation.The bearing capacity of pile foundation is not sensitive to the height of karst cave.

stability of embedded rock pile;karst;ABAQUS;sensitivity

TU 473

A

2016-08-23

申庆全（1990—），男，汉，山东金乡，硕士研究生，主要从事岩土与桩基的研究.E-mail：14qqshen@stu.edu.cn

汕头市科技计划项目（2012-167）

1001-4217（2017）02-0075-06