嵌岩桩承载力影响因素数值分析

刘会球



嵌岩桩承载力影响因素数值分析

刘会球

(中铁二十五局集团第三工程有限公司，湖南 长沙 410001)

基于韶山某铁路桥梁工程，应用FLAC3D对桥梁地基嵌岩桩进行数值模拟，研究溶洞直径、顶板厚度、嵌岩深度对嵌岩桩承载力的影响规律。研究结果表明：溶洞直径越大，嵌岩桩承载力越低；增大顶板厚度可减小嵌岩桩沉降，当顶板厚度增加至一定值则沉降减小不明显；嵌岩深度越大嵌岩桩沉降越小，当嵌岩深度达到一定值则沉降减小不明显。

嵌岩桩；溶洞直径；顶板厚度；嵌岩深度；FLAC3D

岩溶地区的地质条件往往较复杂，桥梁桩基嵌岩桩承载力不仅与其嵌岩深度有关，还与溶洞的分布情况相关[1−2]。我国关于岩溶地区嵌岩桩竖向承载力的研究并不多，对嵌岩桩的沉降分析也较少。在实际工程中通常会对溶洞安全厚度进行检算，对满足厚度检算的嵌岩桩按照一般嵌岩桩考虑，该算法忽略了下方溶洞对嵌岩桩承载力及沉降的影响，但溶洞会使嵌岩桩承载机理发生较大改变，尤其是不良地质的溶洞遇较大荷载可能发生塌陷，因此嵌岩桩在岩溶地区实际承载情况还有待进一步研 究[3−4]。国内外有相关文献对溶洞地区的嵌岩桩展开理论研究。周栋梁等[5]利用ABQUS软件对岩溶发育区溶洞嵌岩桩的承载特性的影响进行分析，模拟结果表明溶洞范围内的桩身无法提供侧摩阻力，远离溶洞的岩层侧摩阻力依旧有效，距溶洞1 d(为嵌岩桩直径)以上侧摩阻力基本不受影响，相比于无溶洞的情况，溶洞上方桩侧摩阻力有所削弱，溶洞下方桩侧摩阻力有所增强。赵昌清等[6]采用MIDAS对岩溶地区大孔径桩承载力进行模拟，结果表明溶洞顶板厚度、溶洞高度和桩周岩体弹性模量是影响桩基承载力的主要因素，溶洞顶板厚度从2 d到10 d增加的过程中，沉降不断减小，溶洞高度越大则沉降越大，桩周岩体弹性模量增大会略微减小沉降，但弹性模量降低会迅速增大沉降量。赵明华等[7]基于突变理论建立了岩溶区嵌岩桩承载力及下伏溶洞顶板安全厚度确定的尖点突变模型，通过溶洞顶板稳定与失稳分析可得到溶洞顶板发生突变的必要条件，根据必要条件可计算溶洞最小安全厚度和桩端承载力。ZHANG等[8]对岩溶地区嵌岩桩模型失效条件进行研究，对多种影响因素进行分析发现塑性模型和撕裂模型在一定条件下易坍塌失效，失效条件主要根据溶洞顶板厚度和溶洞半径大小，并可总结出计算公式计算失效情况。WANG等[9]采用三维有限元数值模拟分析溶洞对嵌岩桩承载力的影响，分析了桩的直径、溶洞顶板厚度、溶洞直径、溶洞几何偏心对嵌岩桩承载能力的影响，并提出了相应的修正系数。我国岩溶地区施工情况较多，但对嵌岩桩承载力和沉降的影响分析不够完备，尤其是对溶洞处于嵌岩桩正下方情况的数值模拟较少，本文基于韶山某铁路段地质数据对岩溶地区溶洞处于嵌岩桩下方的情况采用FLAC3D进行数值模拟，得出溶洞直径、顶板厚度、溶洞深度对嵌岩桩地基沉降的影响规律，为相似工程提供数值分析和参考。

1 数值分析

1.1 工程概况

韶山铁路桥梁工程段地质条件复杂，距离地表0~7 m为人工覆盖层，在距离地表7~18 m的土层为粉质黏土，18 m以下为中风化白云质灰岩，在距地表28~35 m处存在软塑状粉质黏土填充的溶洞，溶洞直径最大的有4 m，再往下为中风化白云质灰岩。勘查结果表明该地段溶洞主要存在于地层较深处，处于嵌岩桩正下方的溶洞较多，虽然溶洞具有一定顶板厚度，但在上部荷载的作用下溶洞本身产生变形，且溶洞对嵌岩桩承载力有一定削弱作用，因此对岩溶地区嵌岩桩进行数值模拟具有必要的研究价值。

1.2 模型建立及边界条件

取该铁路桥梁工程某支墩下方嵌岩桩地基作为研究对象，根据施工地质情况建立相应模型并建立对应边界条件。根据施工资料，承台尺寸为10.5 m×10.5 m×3 m，桩直径为1.5 m，单个承台下设6根嵌岩桩，桩长为25 m，桩间距为4 m。将承台单元划分为300(10×10×3)个，将土层按地质勘察情况进行分层，距承台底0~18 m土层设为粉质黏土，单元体个数为1 800(10×10×18)，再往下为13 m的中风化白云质灰岩，单元数为1 300(10×10× 13)。桩和溶洞为模拟分析重点，因此要细分其单元，桩单元总数为12 000(2 000×6)，溶洞的位置为距承台底31 m处，将溶洞按照直径为4 m的球体进行近似处理，溶洞部分受力较为复杂因此单元数设为3 825个。

图1 模型示意图

对模型=0面(即模型底面)约束其，和Z 3个方向上的节点位移；对模型=0、=10.5 2个面限制其方向节点位移；对模型=0、=10.5处的两个面限制其方向节点位移。

1.3 参数赋值

嵌岩桩与桩侧土之间的接触需要采用接触面来模拟变形，如果直接施加荷载会导致位移不连续，土体沉降大于桩沉降，因此在模拟过程中必须设置接触面来反映桩和土体之间的剪切滑移或侵入行为，以便更好模拟桩和桩侧土的共同作用。接触面模型为库伦剪切模型，由一系列具有节点的三角形单元组成，每个节点都有相关面积，当其它网格面相接触时，则接触面节点产生，接触面所受的力由目标方位决定。FLAC3D中对接触面采用单面接触，根据接触面节点和其它网格体绝对法向刺入量以及相对剪切速度来计算法向力和切向力大小。根据FLAC3D中对接触面参数取值的要求，接触面参数取值如表1。

结合现场勘测资料及相关室内试验，确定模型参数见表2所示。

表1 接触面参数

表2 模型力学参数

1.4 计算步骤

模型建立好并对各参数进行正确赋值后将结构分2步进行计算，首先设置重力并在自重条件下按照弹性体模型进行平衡，将最大不平衡力变化率设置为1×10−5，使受力变形充分，之后将自重下的位移归零。之后施加55 kN/m2的桥墩外荷载，方向竖直向下，并求解在该状态下的受力和变形。

1.5 计算结果及分析

根据计算可得嵌岩桩沉降云图、嵌岩桩竖向应力云图、地基沉降云图及地基竖向应力云图。

图2 地基沉降云图

图3 地基总应力云图

图4 嵌岩桩Z轴方向位移云图

图5 嵌岩桩Z轴方向应力云图

在承台顶部施加55 kN/m2的桥墩荷载后，对地基受力和沉降进行分析，根据计算结果可知，地基最大竖向位移为35.6 mm，最大位移处为地基顶面，桩顶位移最大为24.9 mm，桩底位移达到了19.4 mm，由于底面完全固定限制了位移，因此模型底面位移为0。地基最大竖向应力处位于模型底部为12.2 MPa，顶部的应力为0.6 MPa，而根据桩的竖向应力云图可知桩身最大应力位于嵌岩桩底部为7.8 MPa。在实际施工中，会针对溶洞特点采取注浆、回填等方式处理溶洞，若溶洞深度较大，则会不考虑溶洞对承载力影响，现场监测沉降小，沉降值稍微高出模拟结果，因此沉降与模拟结果吻合程 度高。

根据数值模拟的结果可知，该承台下的地基沉降满足规范要求，嵌岩桩受力也未超过其承载能力，因此该溶洞地质条件的桩基符合工程质量要求。但想要研究溶洞直径，溶洞顶板厚度、嵌岩深度对嵌岩桩承载力的影响规律，直接通过工程试验去研究显然不可能，因此可以采用FLAC3D进行研究，得出各因素影响规律。

2 溶洞直径、顶板厚度、嵌岩深度对嵌岩桩承载力的影响

工程中的不同的溶洞大小、溶洞所处的位置极其顶板厚度的大小、嵌岩桩的嵌岩深度均对嵌岩桩承载力有一定影响，工程中对溶洞几何尺寸和位置等只有系统的规定，控制嵌岩深度要在5 m以上。但我国对溶洞存在情况下，地基受力变形和嵌岩桩承载情况研究较少，因此本文采用FLAC3D分析溶洞直径、溶洞顶板厚度、嵌岩深度对嵌岩桩承载力的影响。

2.1 溶洞直径对嵌岩桩沉降影响分析

为了研究溶洞直径对嵌岩桩的承载力及沉降的影响，将溶洞顶板厚度保持为3 m不变，改变溶洞直径，采用FLAC3D分别对直径为1~6 m的溶洞分6组进行数值模拟。模拟示意图如图6。

图6 溶洞示意图

为全面考虑溶洞对桩顶沉降影响，应同时取左边缘1号桩中间2号桩和作为研究对象，同时记录1号桩桩顶和2号桩桩顶的位移作为研究参数，并将结果列于表2。

表2 溶洞直径对沉降影响

根据模拟结果，对1号和2号嵌岩桩的沉降统计数据进行分析，发现当其它条件不变时，溶洞直径对左边缘1号桩中间2号桩的沉降差并没有影响，这表明在一定的溶洞顶板厚度的情况下，溶洞直径大小对嵌岩桩之间沉降差不会造成影响。但桩顶沉降会随着溶洞直径增大而增大，并且增长速率也会增大，说明溶洞直径对嵌岩桩沉降有较大影响，尤其是大直径溶洞对工程危害极大。

2.2 溶洞顶板厚度对嵌岩桩沉降影响

溶洞顶部至嵌岩桩底部的垂直距离为溶洞顶板厚度，由于岩溶区桩端持力岩层安全厚度影响因素较多，因此目前我国现行公路及铁路规范尚未对溶洞顶板厚度有明确规定，目前仅部分国家建筑规范对此有一定规定，《建筑地基基础设计规范》GB50007—2011中要求顶板厚度必须大于3倍独立基础底宽或大于6倍条形基础底宽[10]。因此我国对溶洞顶板厚度的研究尚不完备。为研究溶洞顶板厚度对嵌岩桩沉降的影响，采用FLAC3D分别对溶洞顶板厚度为1，2，3，4，5和6 m的情况进行研究，分别记录1号桩和2号桩的桩顶沉降。

表3 顶板厚度对沉降影响

根据模拟结果数据可知，溶洞顶板厚度对嵌岩桩沉降有较大影响，当溶洞顶板为1 m厚时，嵌岩桩均出现较大沉降，且由于溶洞处于2号桩正下方，2号桩桩底出现236. 3 mm的过大沉降，而且2号中间桩与1号边缘桩之间出现过大沉降差，工程无法满足承载要求。增大溶洞顶板厚度会让桩底沉降迅速减小，沉降减小幅度随顶板厚度增大而减小，当顶板厚度增加至5 m时，顶板厚度对沉降影响很小，增大顶板厚度也使嵌岩桩之间桩顶沉降差减小。因此可得出结论，溶洞顶板厚度过小对嵌岩桩沉降有较大影响，施工时应不可忽略溶洞造成的影响，当顶板厚度增加至某个定值，则可忽略溶洞影响，工程上可将其作为普通嵌岩桩处理。

2.3 嵌岩深度对嵌岩桩沉降影响

要减小地基沉降提高嵌岩桩承载力必须有足够的嵌岩深度，工程中嵌岩桩嵌岩深度要求大于5 m，为研究嵌岩深度对嵌岩桩的影响，将嵌岩深度分为2，4，6，8，10和12 m进行研究，记录2号桩桩顶沉降，结果如图7所示。

图7 嵌岩深度对沉降影响

根据沉降曲线结果可知，嵌岩深度越大，桩顶沉降越小，当嵌岩深度达到一定值，则桩顶沉降减小变化不明显。在工程中嵌岩深度越大施工成本越高，因此要根据具体工程地质情况确定嵌岩桩嵌岩深度。

3 结论

1) 溶洞直径越大嵌岩桩桩顶沉降越大，且沉降增大的速率随溶洞直径变大而增长。本模拟中对直径超过2 m的溶洞，都应考虑其降低嵌岩桩承载能力，不能视为一般嵌岩桩。

2) 溶洞顶板厚度越大，嵌岩桩沉降越小，当顶板厚度增加至4 m，沉降减小速率变小。本模拟中对超过4 m顶板厚度的溶洞，可不考虑其对嵌岩桩的影响。

3) 嵌岩深度越大，嵌岩桩沉降越小，但随嵌岩深度的增大，沉降减小的速率变小。本模拟中当嵌岩深度超过8 m，对嵌岩桩沉降减小的作用可忽略不计。

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(编辑 涂鹏)

Numerical analysis of rock socketed pile

LIU Huiqiu

(China Railway 25 Bureau Group 3 Engineering Co. Ltd, Changsha 410001, China)

This paper is based on railway bridge engineering in Shaoshan. Numerical simulation of rock-socketed pile is carried out by FLAC3D. Analyzing the influence of the diameter of the karst cave, thickness of the roof, the depth of rock-socketed. Research found that the larger the diameter of the cave, the larger the settlement of rock-socketed pile. Increasing roof thickness can reduce the settlement of rock-socketed pile, and when the roof thickness increases to a certain value, the settlement is less obvious. The larger the rock-socketed depth, the smaller the settlement of the rock-socketed pile, and the settlement reduction is not obvious when the rock-socketed depth reaches a certain value.

rock-socketed pile; the diameter of karst cave; roof thickness; the depth of rock-socketed; FLAC3D

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.10.012

TU446

A

1672 − 7029(2018)10 − 2535 − 06

2017−09−23

刘会球(1973−)，男，湖南祁东人，高级工程师，从事土木工程施工管理研究；E−mail：993614781@qq.com