串珠状溶洞地区高速公路桥梁桩基沉降量安全性分析

秦张越

(西南交通大学土木工程学院 成都 610036)

我国西南地区地形复杂，大面积土地高低参差，纵横起伏，海拔高差异常悬殊[1]，在公路线路规划设计中桥梁占比大。岩溶地貌在我南部地区分布较多，在岩溶地区修建桥梁工程时桩基难免会穿越溶洞。

溶洞降低了桩端承载力，可能会加剧桩基沉降。一旦桩基因沉降而发生失稳甚至失效，可能引起桥梁开裂或破坏，引发路网中断，影响高速公路的正常运营，威胁公路运输的安全。因此，在岩溶地区确保桩基安全十分重要。

学者针对岩溶地区桩基稳定性及安全性进行了大量研究。冯忠居等[2]研究了陡坡-岩溶耦合作用对桩基竖向承载特性的影响；刘伟龙[3]考虑了群桩效应，从桩基竖向承载力、沉降计算等方面探讨了岩溶区桥梁桩基承载和变形特性；刘晓明等[4]解决了差异地基上桩基承台梁内力计算问题，对岩溶地基上桥梁桩基进行了优化设计；孙映霞等[5]利用岩溶区典型的力学模型分析了不同影响参数对岩溶区桩基工程稳定性的影响；赵明华等[6]结合混凝土平板受力特性，运用极限分析原理确立了符合工程实际的岩溶区桩端溶洞顶板冲切破坏机制。孙映霞等[7]得到了溶洞周围岩体在桩基荷载作用下内部应力、应变的变化过程及破坏面的形状和位置等，并提出判断岩溶区桩基稳定性的有效判据。

然而，现有的研究成果多针对桩基支承于单个溶洞顶板之上，很少考虑到串珠状溶洞对桩基安全的影响。而在岩溶发育地区，溶洞下方可能隐藏有多个其他溶洞，许多实际工程的桩基都支承于串珠状溶洞之上，对桩基的沉降量可能产生不同的影响。因此，本文建立串珠状溶洞-桩基-岩土一体化有限元模型，结合工程实例，将3个桩基的桩基长度、直径及弹性模量作为参数，以沉降量为评价指标，分析串珠状溶洞地区桩基不同参数对高速公路桥梁桩基沉降量的影响。

1 工程概况

拟建工程为广东地区某高速公路工程项目K41段，该段高速公路处于岩溶区域，某大桥位于2个高丘急坡之间。桩基的参数未定，经过地质勘探发现，桥梁5号桩基、6号桩基及9号桩基将穿过3个串珠状溶洞，其中5号桩基区域存在2个溶洞，上方溶洞高度为0.85 m，下方溶洞高度为1.11 m；6号桩基区域存在3个溶洞，上方的2个溶洞高度为0.91 m及1.23 m，下方第3个溶洞高度较大，为2.21 m；9号桩基穿过2个溶洞，高度分别为1.34 m及1.78 m。岩土、溶洞及钻孔分布见图1。

图1 岩土、溶洞及钻孔分布图(单位：m)

2 串珠状溶洞-桩基-岩土计算模型

2.1 计算假定

根据现场高速公路桥梁桩基与土体的实际参数，建立串珠状溶洞-桩基-岩土一体化有限元模型[8]。为便于有限元分析，做出以下假定。

1) 岩体按各向同性连续体考虑，同时不考虑地质构造方面的影响。

2) 桩基强度足够，不会发生垂向失稳破坏，同时考虑自重的影响。

3) 将溶洞简化为圆柱形，并将溶洞设为空洞。

2.2 本构模型及材料属性

岩土剪切破坏的主要依据是摩尔-库仑准则，若仅把岩土作为理想塑性材料，也可以把摩尔-库仑准则视作屈服破坏准则，此时，当剪切面上正应力与剪应力之比达最小时，材料发生屈服破坏。摩尔-库仑本构模型参数较少，很好地反映了岩土的摩擦性特性，运用广泛。

库仑公式

f=τ-c-σtanφ=0

(1)

式中：σ为剪切面正应力；τ为剪切面上的剪应力，c和φ为屈服时对应的黏聚力与内摩擦角。

摩尔公式

f=(σ1-σ3)-(σ1-σ3)sinφ-2ccosφ=0

(2)

式中：σ1为大主应力；σ3为小主应力。

该岩溶区域岩土主要由粉质黏土、卵土石及灰岩构成，岩土材料属性见表1。

表1 岩土材料属性

2.3网格划分、边界条件及接触设置

5号桩1/4有限元模型的网格划分见图2，为提升计算效率与精度，对串珠状溶洞所在灰岩层进行网格加密，粉质黏土与卵石土层网格大小设为8 cm，桩基与灰岩层网格大小设为5 cm，网格单元类型为SOLID186。约束灰岩层土体底部(X、Y、Z)3个方向位移。桩基与岩土层之间采用摩擦接触，摩擦系数设为0.2，各土层间摩擦系数设为0.3。有限元模型的求解使用拉格朗日及高斯方法。

图2 5号桩1/4有限元模型网格划分

2.4 工况设置

以高速公路桥梁桩基长度、直径、弹性模型为研究变量，工况设置如下，均考虑最不利情况。

1) 桩基弹性模量为20 GPa，桩基直径为1.2 m时，桥梁桩基长度设为30，34，38，42，46 m，分析5,6,9号桩基共15种工况。

2) 桩基弹性模量为20 GPa，桩基长度为30 m，桩基直径设为1.2，1.4，1.6，1.8，2.0 m，分析5,6,9号桩基共15种工况。

3) 桩基长度为30 m，桩基直径为1.2 m，桩基弹性模量设为20，24，28，32，36 GPa，分析5,6,9号桩基共15种工况。

3 桩基沉降量安全性分析

本文将桩基直径、长度和弹性模量作为参数，得到了不同参数对桩基沉降量的影响规律，进而对比沉降量与最大容许沉降量，以确定参数的合理取值，为桩基的设计提供参考。

3.1 桩基长度的影响

桩基长度对桩基沉降量的影响变化图见图3。

图3 桩基长度对桩基沉降量的影响

由图3可知，5，6，9号桩基沉降量均随桩基长度增大而递减。桩基长度由30 m增加为46 m时，5号桩基沉降量由58.09 mm减少到22.73 mm，减少了60.87%；6号桩基沉降量由63.15 mm下降到34.82 mm，下降了55.1%；9号桩基沉降量由60.54 mm下降到25.15 mm，下降了58.46%。相同条件下，6号桩基的沉降量大于5号及9号桩基的沉降量，这是由于6号桩基多穿越1个溶洞，加剧了桩基的下沉。当桩基长度分别小于36.62，37.43，38.67 m时，5，9，6号桩基沉降量超过最大容许沉降量40 mm，可能造成桩基的失稳甚至失效，影响桩基的安全性。因此，为满足桩基沉降量要求，5，9，6号桩基长度应分别大于36.62，37.43，38.67 m。

3.2 桩基直径的影响

桩基直径对桩基沉降量的影响变化图见图4。

图4 桩基直径对桩基沉降量的影响

由图4可知，5，6，9号桩基沉降量均随桩基直径增大而递减。当桩基直径从1.2 m增加到2.0 m时，5号桩基沉降量减少了24.1 mm，下降了41.49%；6号桩基沉降量下降了38.76%；9号桩基沉降量由60.54 mm下降到35.21 mm，下降了41.99%。相同条件下，6号桩基的沉降量大于5号及9号桩基的沉降量，可得溶洞加剧了桩基的下沉。当桩基直径分别小于1.71，1.79，1.92 m时，5，9，6号桩基沉降量超过最大容许沉降量40 mm，可能造成桩基的失稳甚至失效，影响桩基的安全性。为满足桩基沉降量要求，5，9，6号桩基直径不应小于1.71，1.79，1.92 m。但一味地增大桩基直径可能会引起工程造价过大，造成资源浪费，因此，应合理设计桩基直径。

3.3 桩基弹性模量的影响

桩基弹性模量对桩基沉降量的影响变化图见图5。

图5 桩基弹性模量对桩基沉降量的影响

由图5可知，5，6，9号桩基沉降量均随桩基弹性模量增大而降低。桩基弹性模量由20 GPa增加为36 GPa时，5号桩基沉降量由58.09 mm减少到36.64 mm，减少了36.93%；6号桩基沉降量由63.15 mm下降到39.11 mm，下降了38.07%；9号桩基沉降量由60.54 mm下降到37.99 mm，下降了37.25%。相同条件下，6号桩基的沉降量大于5号及9号桩基的沉降量，这是由于5号及9号桩基穿越了2个溶洞，而6号桩基所在溶洞区域存在3个串珠状溶洞，加剧了桩基的下沉。当桩基弹性模量分别小于33.47，34.58，35.37 GPa时，5，9，6号桩基沉降量超过最大容许沉降量40 mm，影响了桩基的安全，可能引起桩基及上部结构的失稳。因此，为满足桩基沉降量要求，5，9，6号桩基弹性模量应分别大于33.47，34.58，35.37 GPa。增大桩基弹性模量会提高桩基的刚度，但也会增大施工难度及工程造价，应合理设计桩基的弹性模量。

4 结语

本文结合广东地区某岩溶区域高速公路工程案例，建立串珠状溶洞-桩基-岩土一体化有限元模型，分析桩基长度、直径及弹性模量对桩基沉降量安全的影响，得到如下结论。

1) 溶洞会加剧高速公路桥梁桩基的沉降。相同条件下，与5号及9号桩基相比，6号桩基所穿越溶洞更多，沉降量更大。

2) 桩基沉降量随桩基长度、直径、弹性模量增大而减少。为保障桩基的安全，桩基沉降量不应超过最大容许沉降量40 mm。因此，5号桩基的长度、直径、弹性模量不应小于36.62，1.71 m、33.47 GPa；6号桩基的长度、直径、弹性模量应大于38.67，1.92 m、35.37 GPa；9号桩基的长度、直径、弹性模量应大于37.43，1.79 m、34.58 GPa。

3) 本文仅分析了桩基长度、直径及弹性模量关键因素对桩基沉降量安全的影响，而在实际工程中，桩基施工工艺流程同样会影响桩基沉降量，可做为后续研究内容。