桩基荷载作用下岩溶区溶洞顶板稳定性研究

姚成玉

(池州市公路管理服务中心，安徽 池州 247000)

0 引 言

岩溶地貌又被称为喀斯特(karst)地貌，岩溶区域在我国各地均有分布，但主要集中在中西部地区。岩溶的特征主要为：下伏基岩埋藏较深、上覆土层较厚；溶洞规模普遍较小，大多数为全填充或半填充。随着我国工程建设项目的增多，越来越多的项目可能碰到岩溶地质条件，而由于溶洞的隐蔽性强、不易被探测到的特点给工程建设带来了极大的困难。大量的工程实践表明，岩溶地区地基承载力及其稳定性受溶洞发育情况影响较大，桩基施工及上部荷载施加极易引起溶洞坍塌，严重影响该地区公路、桥梁等工程构筑物施工、运营的安全。桩基由于其能适应各类工程地质条件，承载力高，已经广泛应用于岩溶地区的工程建设中[1,2]。

针对岩溶地区的桩基施工工程，国内外学者做了大量相关研究。赵明华等[3]运用极限分析原理研究岩溶去桩端顶板的冲切破坏机制，根据格里菲斯岩石强度准则，计算得到桩端岩层抗冲切破坏的极限荷载。董芸秀等[4]通过桩基静载实验，测量桩身内力，分析了岩溶区桩顶荷载与沉降之间的规律。汪华斌等[5]根据弹性力学推导岩溶顶板在桩基荷载作用下的最大应力计算公式，引入Hoek-Brown准则得出不同简化模型下岩溶顶板厚度的理论计算公式。廖春芳等[6]根据三维非线性有限元方法确定了采空区岩层顶板安全厚度的方法。王伟[7]系统开展了岩溶区桩基承载机制及溶腔整治技术的研究，通过数值模拟分析了单层、多层溶洞下“地层-桩基-溶洞”系统的破坏模式。尹凯丽等[8]研究了溶洞高度、顶板厚度、溶洞跨度和岩体强度等因素对桩基承载力的影响。杨博铭等[9]基于复变函数理论，得到了桩端荷载在矩形溶洞地层中的应力场分布，最终通过数值分析对理论计算结果进行验算，其理论计算结果对岩溶区嵌岩桩的设计计算有一定的参考价值。

本文基于已有研究成果，使用FLAC 3D软件计算了溶洞顶板厚度和桩端偏心距离情况下桩基础及溶洞的稳定性，分析对比了各因素作用下桩基的受力及变形规律，以期为岩溶区桩基工程勘察、设计及施工优化提供指导。

1 数值计算模型

1.1 数值模型假设条件

(1)土层采用mohr-columb模型，岩层采用各向同性的弹性模型。

(2)不考虑地质构造运动造成的软弱结构面的影响。

(3)参考工程实际对作用于桩基顶端的荷载进行取值。

(4)将溶洞简化为规则的长方体形状，且洞内无充填物，洞体为空洞。

1.2 建立三维模型

使用有限差分法软件FLAC 3D建立三维模型进行数值计算，如图1所示。

图1 计算模型简图(单位：m)

考虑最不利情况，桩顶荷载全部传递至桩底，由于该模型为轴对称模型，因此取模型的1/2进行计算。模型中，桩径D=1 m，桩长30 m，为减小边界条件对桩基施工的影响，模型边界距桩基均为15倍桩径，整体尺寸为40 m×20 m×45 m，四周边界设水平位移约束，底部边界设竖向位移约束，溶洞为6 m×6 m×3 m的长方体空腔。

模型中，岩土体采用mohr-columb模型，桩基采用弹性模型，在桩基和土层之间建立接触面考虑桩-土之间的相互作用，桩顶施加均布荷载，采用分级加载的方式施加。岩土层及桩基力学参数取值见表1。

表1 模型力学参数取值

本文保持其他条件不变，通过改变H/D和L/D的取值来研究桩底与溶洞间竖向和水平距离对桩端位移的影响，文中H/D和L/D均为1～5。

2 数值计算结果分析

2.1 顶板厚度敏感性分析

本文进行了桩基偏心距离为0、顶板厚度分别为1D、2D、3D、4D、5D的数值模拟实验，溶洞顶板厚度从1D增加到5D时，桩基底部位移值如图2所示。

图2 顶板厚度H与桩底竖向位移间的关系图

从图2可以看出，桩底的位移值随顶板厚度的增加而从-12.3 mm逐渐减小至-3.5 mm，说明顶板厚度的大小直接关系到桩基稳定性的高低，顶板厚度越大，桩底位移越小，桩基施工时稳定性越高。从图2中也可以看出，当顶板厚度大于3倍桩径时，桩底位移变化曲线趋于平缓，说明当顶板厚度大于3倍桩径时，桩基施工对溶洞产生的影响较小，岩溶区较稳定。

图3为不同顶板厚度条件下桩底位移值随荷载的变化曲线。

图3 不同顶板厚度下桩底Q-S曲线

从图3可以看出，各曲线均随荷载的增大其桩底位移值随之增大，但由于溶洞顶板厚度的影响，厚度为1D时，随荷载增加，位移亦随之较快增长，最大值为12.3 mm，且桩底位移随荷载近似线性增加，表明，桩底与溶洞间的塑性区已经贯通，此时溶洞对桩基施工的稳定性产生了较大的影响。而顶板厚度为3D、4D、5D时的三条曲线各阶段位移值相近，表明，当顶板厚度大于3D时，桩基施工对溶洞产生的影响较小。

2.2 偏心距离敏感性分析

本文保持顶板厚度为2D不变，改变桩端和溶洞中心偏心距离分别为1D、2D、3D、4D、5D的数值实验，当偏心距改变时，桩底位移值曲线如图4所示。

图4 偏心距离L与桩底竖向位移间的关系图

保持其他因素不变，改变岩溶区桩基与溶洞的相对位置作为研究对象。图4表明，当偏心距离从1D增加至5D过程中，桩顶位移从-5 mm逐渐减小至-3.5 mm，即桩基施工位置距离溶洞越远，溶洞稳定性越高。当偏心距离大于3D时，桩基已经不在溶洞上方，此时，增加偏心距离对减小桩底位移值的效果不明显，因此，岩溶区桩基础设计及施工时应尽量远离溶洞分布密集区域。

图5是顶板厚度为2D时，不同偏心距离下桩底Q-S曲线。

从图5可以看出，最荷载的增加，桩底位移值平缓增大，当荷载较小时，各工况下桩底位移值相近，表明此时溶洞对桩基施工的影响较小，当荷载大于6 000 kN时，桩底位移随偏心距离的增加有了明显变化。水平偏心距离大于3D时，桩基已经不在溶洞上方位置，此时偏心距离为3D、4D、5D的三条曲线相近，即增加偏心距离对减小桩基位移无明显效果，因此施工时应避开岩溶密集区域。

3 结 论

本文使用有限差分法软件FLAC 3D对溶洞与桩基之间的顶板厚度与偏心距离对桩基施工的影响进行了研究，分析了不同顶板厚度和偏心距离下桩底位移的变化情况，所得结论如下：

(1)顶板厚度直接关系到桩基的稳定性，随着顶板厚度的增加，桩底位移值随之减小，当顶板厚度大于3D时，桩底位移值趋向于稳定，因此可认为临界顶板厚度为3D。

(2)桩底位移值随着偏心距离的增加而减小，当桩基不在溶洞上方区域时，岩溶对桩基施工产生的影响较小，因此施工时应尽量避开岩溶区域。

(3)桩底位移随施工荷载的增大而增加，荷载从3 000 kN增加至6 000 kN时，其位移改变率较大，荷载大于6 000 kN时，随着荷载的增加，桩底位移呈均匀缓慢增加。