桩基荷载作用下溶洞顶板稳定性研究综述

侯亿晖 刘宗志 高为民

中电建路桥集团有限公司

1 引言

我国国土辽阔，存在多种复杂地质，其中碳酸盐地层分布广泛，约占我国国土面积三分之一，碳酸盐地区为岩溶发育提供条件形成大量地下潜伏溶洞。近年来，我国加速发展基础建设，在工程建设中公路铁路桥梁更多地需要穿越复杂溶洞地区，岩体中出现溶洞，会不同程度上破坏岩体的各种物理性能，降低岩体的整体承载能力，引发溶洞顶板坍塌，威胁人身安全。因此，对于桩基溶洞稳定性的研究非常重要。

本文通过收集、整理和分析既有相关研究文献，总结得出桩基作用下溶洞顶板稳定性研究主要集中在三个方向：一为将溶洞顶板稳定性力学分析进行抽象和简化，简化为固定梁板等模型，将溶洞形态简化为球状、圆柱状、椭球状等近似规则形态进行力学模型分析；二为借助有限元分析，建立符合实际工况的有限元模型，运行软件进行多因素影响下的敏感性分析，探讨溶洞顶板等受力破坏过程；三为利用相似理论原理，在实验室内模拟现场工况进行同比例缩小试验，进行多工况模型试验，借助室内模型试验现象验证提出公式和结论的正确性。

2 力学简化模型

溶洞研究涉及多方面因素，如溶洞形态、岩土性质和溶洞顶板厚度尺寸大小等。近年来，大量学者开展力学简化模型的试验，利用经典简化力学模型如梁或板进行力学求解。

国内关于力学简化模型试验多数围绕溶洞顶板发生破坏展开，从溶洞顶板破坏机理研究影响溶洞顶板稳定性的因素。文献[1]提出了将溶洞顶板简化为悬臂梁、简支梁、两端固定梁等简化计算方法，为溶洞顶板厚度计算提供新思路；赵明华等[2]引入固定梁板模型，将溶洞顶板视为固定梁板模型，分析在桩端垂直荷载作用下，岩层可能出现地冲切、剪切和弯拉破坏以及桩端岩层的安全厚度；考虑到存在多种因素影响桩基溶洞顶板性，对溶洞顶板稳定性研究存在较多的未知，赵明华等[3]引入模糊集理论，在此理论基础上，结合工程勘察资料，建立桥梁桩基溶洞顶板稳定性综合评价与平衡分析模型，为溶洞区的桥梁桩基设计提供新方法；龚先兵等[4]在嵌岩段极限承载力则引入Hoek-Brown岩石强度准则，针对岩溶区基桩工程的特点，结合突变理论的基本概念，建立了力学简化模型并推出其势能函数的表达式；汪华斌等[5]基于Hoek-Brown准则，考虑溶洞顶板和桩基相互作用受力特性，采用弹性力学，实现了固支梁、简支梁、圆形板和矩形板简化模型下的桩基荷载最大应力计算式的推导。并采用Hoek-Brown准则为判定顶板破坏的依据，推导出溶洞顶板在不同简化模型下的厚度计算公式以及不同破坏情况下的安全厚度计算公式；雷勇等[6]提出了两种顶板极限承载力计算方法;其一假定冲切题为圆锥台,由极限平衡法得出极限平衡状态下破坏面上拉应力与剪应力同时作用时的极限承载力；其二假定冲切题是以一个未知曲线为母线的旋转体,由极限分析法求出其母线形式以及极限承载力的表达式,通过求偏导获得了溶洞顶板的极限承载力；雷勇等[7]指出岩溶区桩基桩端岩层易发生冲切破坏，为此引入Hoek-Brown非线性岩石破坏强度准则，推得其剪应力的二次抛物线型表达式。基于极限分析上限法原理，确定冲切破坏体的功能方程，并通过变分求极值原理获得冲切破坏体的母线方程，进一步通过微分得到桩端岩层抗冲切安全厚度计算公式；曹文贵等[8]基于岩溶区基桩桩端岩溶顶板稳定性影响因素取值的随机性、模糊性以及区间性特征，采用三角模糊数为基础建立出同时考虑抗冲切、抗剪与抗弯作用的桩端岩溶顶板稳定性模糊极限平衡分析模型，并为桩端岩溶顶板稳定性评价与分析提供了一种新的方法；赵明华等[9]不考虑桩身侧摩阻力的影响，考虑溶洞上覆土层自重应力的影响，建立简化计算模型，并引入Griffith强度破坏准则，对溶洞顶板稳定性评价；李俊杰[10]认为溶洞顶板岩层可简化为两端固定支梁模型进行计算分析，分别确定各模型桩基岩溶顶板最小安全厚度值，并将其与工程实际进行对比分析；张永杰等[11]采用将溶洞顶板简化为固支梁、抛物线拱、圆拱与固支双向板等承载模型的方法，利用结构力学等理论提出不同简化模型下溶洞顶板抗弯最小安全厚度的计算方法，以及桩端荷载作用下最小安全厚度的计算方法，并分析了各种因素对溶洞顶板破坏的影响规律。

3 有限元数值方法

现场试验存在经费需求过大，需求人力物力较多，不方便普遍开展现场实验进行测量。有限元软件的快速发展，给桩基溶洞试验带来巨大便捷。通过有限元软件对桩基现场进行软件模型模拟，研究多种因素对溶洞稳定性的影响。

刘国喜[12]对溶洞顶板稳定性分析在传统定量计算的基础上，同时引入三维数值模拟分析软件FLAC3D，建立三维数值模型对桩基和溶洞相互作用进行了数值模拟，分析并讨论了溶洞稳定性的影响因素及其敏感性；王勇等[13]以某岩溶隧道为背景，采用二维弹塑性有限元方法对隧道开挖进行数值模拟计算，分析了影响隧道溶洞顶板安全厚度的因素，引入支持向量机方法，建立了涵盖多因素的溶洞顶板安全厚度预测模型；阳军生等[14]采用有限元方法建立有限元模型，对岩溶地区圆形基础下溶洞顶板稳定性进行了模型分析计算，并分析极限承载力与各影响因素之间的关系;程晔等[15]运用强度折减技术、弹塑性有限元和二分法探讨基桩下溶洞顶板稳定性的评价方法；李仁江等[16]引入显式有限差分法，对岩溶区中的椭球形溶洞顶板进行了稳定性分析，为特种形状溶洞顶板稳定性研究提供了一种方法;符策简[17]利用有限元计算，预测了桥基下溶洞及顶板的变形规律，采用钻孔多点位移计实现了实时监测，并验证了数值计算结果的正确性；蒋冲等[18]建立了分析桩顶下洞室顶板稳定性的力学模型，设定根据洞穴顶板边界中岩体的完整性来支持洞穴顶板的边界，基于板壳理论，计算简化模型，在简单支护顶板边缘的情况下，可得到确定顶尖下顶板安全厚度的理论计算公式，经实例验证证明合理，可作为计算桩顶下洞顶安全厚度的一种新方法；张冰琪[19]采用有限元方法，利用ABAQUS数值模拟软件建立了单桩穿越溶洞的计算模型，对其承载特性进行分析，并研究了桩径、桩长、中夹岩层厚度和岩体物理性能参数对溶洞稳定性的影响；冯忠居等[20]采用有限元数值模拟方法，并引入灰色系统理论实现了对不同溶洞尺寸下桩的承载力规律分析;刘莎等[21]基于双折线模型推导了桩基通过多层岩溶区的荷载传递微分方程，采用数值模拟方法研究了武汉市岩溶区某建筑桩基穿过串珠状溶洞时的承载性状。

4 室内试验

桩基项目涉及面较大，现场试验需要人力物力和时间成本较大，有较大的限制。桩基室内试验采用相似理论，在室内一定程度模拟实际工程工况，具有较大参考意义。

刘铁雄[22]采用了理论计算分析和模型试验分析并辅以工程验证的方法，深入研究了岩溶顶板与桩相互作用的机理，并对嵌岩桩基的室内模型设定深入研究，得出了溶洞顶板厚度、嵌岩深度和模型材料尺寸设定等结论；孙映霞等[23]采用有限差分法，在建立室内模型试验的基础上，实现了桩基荷载作用下溶洞顶板的稳定性数值模拟分析，提出判断岩溶区桩基稳定性的有效判据，并得出溶洞破坏模式主要受溶洞顶板厚度的影响的结论；张慧乐等[24]在室内模型试验的基础上，研究了岩溶区嵌岩桩的承载能力与破坏模式之间的关系，结合不同条件下岩溶区嵌岩桩的破坏模式，提出一系列安全可靠、便于工程应用的计算公式；赵明华等[25]根据相似理论，设计了3组不同厚度条件下溶洞顶板破坏模式的大比例模型试验，得到了溶洞顶板和桩基的荷载与位移关系图和溶洞顶板的极限应变曲线，并由模型试验总结出不同溶洞顶板厚度下顶板的破坏特性，根据实验结果推导得溶洞顶板安全厚度最小值和溶洞顶板承载能力计算公式。

5 今后研究方向

对于桩基溶洞顶板稳定性问题，国内外虽然已经开展了大量的研究，但室内试验、有限元模型试验和力学模型分析存在不同程度的简化，与现场实际情况存在差异，得出的计算公式与现场工况存在出入。因此，需要在以下方面加强研究。

（1）桩基荷载下溶洞顶板发生冲切破坏和冲剪破坏等破坏机理尚不完全清楚，桩基荷载作用下溶洞顶板变形和失稳的机理研究仍然需要深入，可通过室内试验与有限元模型相结合的方法进行研究。

（2）力学模型所采用的理论多为刚体和弹塑性理论，难以准确描述和模拟溶洞顶板的实际破坏过程，建议可引入断裂和损伤理论模型，完善现有力学模型，使受力破坏条件下的模型力学分析更符合实际。

（3）借助现场试验对室内试验与有限元模型试验的各种物理参数进行调整和优化，使室内试验与有限元模型更符合实际情况，已完善当前溶洞顶板稳定性和溶洞顶板安全厚度等计算方法，修正相关计算公式，提出符合工程实际的计算理论和方法。

6 结论

本文针对桩基溶洞顶板稳定性研究现状和研究成果进行总结归纳，对于桩基溶洞顶板稳定性研究大致分为三个方面，即力学简化模型、有限元模型和室内试验。大量学者围绕溶洞顶板稳定性这几个重要问题进行了研究并得出诸多有价值的结论，但由于计算模型和室内试验存在不同程度的简化，提出的计算方法与实际工程情况仍然存在一定的差异。今后应该加强工程现场试验研究，将理论研究、室内试验和现场试验研究相结合，建立更为合理的计算方法，以更好地指导溶洞区桩基设计与施工。