秦岭陡坡—岩溶发育区耦合作用下高速公路桥梁桩基础稳定性研究

成圆梦 王绪旺 刘欣欣

摘 要：为了研究秦岭山区陡坡—岩溶发育区耦合作用下高速公路桥梁桩基础的稳定性，以实际工程十天高速公路（略阳—陕甘界段）为背景，采用FLAC3D建立数值仿真模型，分析了秦岭陡坡—岩溶发育区桩基水平承载力。结果表明，溶洞对桩基水平承载力的影响程度大于陡坡。无溶洞、坡度为0°和顶板厚度1.5 m、坡度60°的桩基水平承载力分别为485.00 kN和323.84 kN，降低了33.2%。提出了桩基水平承载力预测公式，为相关类似工程提出借鉴。

关键词：秦岭山区；桥梁工程；岩溶发育区；耦合作用

中图分类号：U443.15    文獻标识码：Ａ     文章编号：1674-0033（2023）02-0038-07

引用格式：成圆梦，王绪旺，刘欣欣.秦岭陡坡—岩溶发育区耦合作用下高速公路桥梁桩基础稳定性研究[J].商洛学院学报，2023，37（2）：38-44.

Abstract： In order to study the stability of the bridge pile foundation of expressway in the steep slope-rock-soluble development area in Qinling Mountains， the actual project ten-day highway （Lueyang-Shaanxi-Gansu boundary） was used as the background. The pile foundation level bearing capacity of the rock-soluble development area obtains the following conclusions： the degree of influence of the cave on the bearing capacity of the pile foundation is greater than the steep slope. The pile foundation level with a thickness of 0° and the thickness of the top plate is 1.5 m， and the slope is 60°. 485.00 kN and 323.84 kN were reduced by 33.2%. The pile foundation level bearing capacity prediction formula was proposed， and a reference for related similar projects was proposed.

Key words： Qinling Mountains; bridge works; karst development area; coupling

秦岭山脉是我国南北方重要的地理分界线，其地质情况复杂，气候多变，动植物种类繁多，再加上极端雨季会发生大面积的滑坡、泥石流及山体崩塌[1-5]的影响，修建铁路高速公路的难度较大。山区高速公路工程中的较重要项目多是开挖隧道和架设桥梁。其中桥梁工程大多数采用桩基础，承载性能高且易于施工。但陡坡上的桩基础因两边受力大小不一，存在不稳定的因素。针对此类情况，常规的方法是增加桩径或增大桩长，以提高桩基础的承载力。冯忠居等[6]研究发现，一味地增大桩长来提高承载力是不经济的，通过分析各影响因素的耦合作用，提出了使桩基础设计的计算更加合理的公式。本文将以此方法为基础，选取十天高速公路（略阳—陕甘界段）为工程背景，研究秦岭陡坡—岩溶发育区耦合作用下桩基础的承载性能，为秦岭山区桥梁桩基础设计提供借鉴。

1  工程概况

1.1 概述

十天高速公路（略阳—陕甘界段），地形复杂，山体陡峭，路线选型考虑了“以桥带路”。其中略阳至陕甘界段桥梁102座（左右幅分别计算），特大桥和大桥共95座，全长32 656.4 m，中桥7座，全长211.66 m。同时，十天高速公路（略阳—陕甘界段）位于陡坡地段的桥梁基础约占全线桩基总数的3.8%。

1.2 岩溶发育区与桩基础的位置关系

岩溶发育区呈不规则状分布，桩基和岩溶区有三种位置关系，如图1所示。

第一种：岩溶发育区位于桩基下方。有研究表明，只有出现以下两种情况时，才可以不考虑顶板厚度对桩的影响：桩底顶板厚度大于3倍桩径；桩底顶板厚度小于3倍桩径且岩溶区被土填满，承载力大于150 kN[7]。

第二种：岩溶发育区位于桩基周围。桩周土体缺失，桩侧土抗力降低，同时桩侧摩阻力降低，桩基承载力减小。

第三种：岩溶发育区范围较广。此时桩周土体缺失严重，且顶板厚度严重不足。通常采取增大桩长的措施，使桩基穿越岩溶发育区，以此来提高桩基承载力。

1.3 山区陡坡与桥梁的位置关系

通过对十天高速（略阳—陕甘界段）现场实地调查，略阳至陕甘界段有102座桥梁中有47座桥梁部分桥墩位于陡坡上。通过调查分析，桥梁与陡坡的位置关系主要有跨越式和纵向沿坡式两种，如图2和图3所示。

为分类研究位于陡坡地段上的桥梁桩基，根据其在陡坡的不同位置，分为陡坡顶、陡坡中部、陡坡坡脚三类。对三类桩基的分布进行统计，结果如表1所示。

本文取分布最多的陡坡中部桩基作为研究对象，建立对应数值的仿真模型，研究岩溶发育区与陡坡的耦合作用下桩基础的承载性能。

2  建立数值仿真模型

2.1 参数选取

参考地勘资料及设计资料，桩和土体的物理力学参数如表2所示。

2.2 桩土接触问题

为解决相邻结构物由于材料属性不同而产生的接触问题，在FLAC3D中设置了接触面结构单元以解决一定受力条件下两个接触的表面上产生的滑动、分开与闭合问题。FLAC3D中接触面几何模型建立的方法有三种，分别为移来移去法、导来导去法及切割模型法。本文采用移来移去法，即将桩模型和地基模型分开建立，在地基模型相应位置上建立桩侧和桩端接触面单元，再将桩模型移动到相应位置，这样使得同一坐标点有不同的节点号，可以模拟桩土之间滑移分离的情况，从而完成接触模型的设置。

接触面单元的特性主要由法向刚度kn、剪切刚度ks、内摩擦角ψ、粘聚力c、膨胀角、抗拉强度等参数控制。法向刚度kn、剪切刚度ks可以取接触面周围“最硬”临近区域土层等效刚度的10倍，计算公式为：

式（1）中，K是体积模量，G是剪切模量，Δzmin是接触面法向方向上连接区域上的最小尺寸。

模拟滑移和分离的情形时，接触面单元的摩擦参数相较于刚度参数更为主要，因此在这种情形下合理选取摩擦参数变得尤为重要。根据文献[8-10]，同时考虑桩与土体之间的接触面较粗糙，桩侧和桩端接触面单元的粘聚力和内摩擦角取值为相邻土层的粘聚力和内摩擦角的0.8倍。

2.3 模型建立

为了方便建模，提高计算效率，将形状无规则的岩溶区域简化为规则的矩形，方便描述溶洞的高度和跨度。FLAC3D是一款成熟的岩土工程软件，常用于计算岩土工程参数和岩土受力分析。本文采用FLAC3D 5.0建模，将网格细化，使结果更加准确。溶洞位于桩基的下伏，即第二个石灰岩层。模型中的土体参数和桩基参数均取自工程勘测资料，如表2所示。土体选用弹塑性本构模型进行计算。桩基是钢筋混凝土材料，选用理想弹性本构模型。X方向的边界条件数值取为25D（D为桩径），Y方向的边界条件数值取为17D，Z方向根据顶板厚度调整。溶洞尺寸X方向3 m，Y方向4 m，Z方向6 m。桩长10 m，桩径1.5 m。模型如图4所示。

2.4 工况设置

研究两个因素对陡坡桩基承载力的影响，采用控制变量法设计试验工况，如表3所示。最终得到25组试验，对25组试验分别进行模拟。

3  数值仿真结果与分析

3.1 坡度对桩基水平承载力的影响

桩基周边土体缺失，影响桩基承载性能，图5为60°和45°两种具有代表性的坡度，在坡上模拟桩基，分别施加100，300，500 kN三种水平荷载，分析桩基的水平承载力。由图5（a）可知，桩身位移随埋置深度越来越小，桩顶位移最大。且施加的水平荷载越大，桩顶位移越明显。由图5（b）可知，桩身位移的变化趋势与图5（a）类似，但坡度越小，桩顶的位移越小。

为了进一步研究桩基水平承载力，继续施加水平荷载，并建立水平荷载（H）与桩顶位移（y）的关系。图6为不同坡度下桩基H-y关系图，以坡度0°（平地）为对照组，坡角对桩顶水平位移影响明显，且坡度越大，影响越显著。以坡度0°为基准，计算坡度对桩基的影响度，见式（2）：

式（2）中，y为该坡度下桩顶水平位移；y0为坡度等于0时桩顶水平位移。

由图7可知，坡度为15°，水平荷载为800 kN对桩基的影响度最大为21%；坡度为30°，水平荷载为800 kN对桩基的影响度最大为41%；坡度为45°，水平荷载为800 kN对桩基的影响度最大为63%；坡度为60°，水平荷载为800 kN对桩基的影响度最大为67%。由此可以得出：陡坡坡脚从15°变化到60°，桩基水平承载力不变，即桩基周围无岩溶发育区时，陡坡对桩基水平承载力影响不大。当水平荷载力为400～500 kN时，影响度值变化最大。结合图6的位移曲线及文献[11]，取水平位移6 mm对应的荷载为水平承载力，坡度0°，15°，30°，45°，60°对应的水平承载力分别为485，453，437，412，400 kN。

3.2 顶板厚度对桩基水平承载力的影响

图8中5个图分别代表了0°，15°，30°，45°，60°坡度作用下不同顶板厚度对桩顶水平位移的影响。由图8可知，在顶板厚度不断加大的过程中，桩顶水平位移在不断减小，且变化趋势相似，因此可以推算出，顶板厚度与桩基存在某种线形关系。根据文献[8]，取桩顶位移6 mm对应的水平荷载为桩基水平承载力，结果见表4。

为了拟合桩基水平承载力与秦岭陡坡和顶板厚度的关系，建立25组数值仿真模型，计算得到25组不同工况下的桩基水平承载力[12]，结果如表4所示。

“无溶洞”在数值上等于“顶板厚度无穷大”，与其他数据的结果差异过大，因此去掉無溶洞对应的5种试验工况，即无溶洞，坡度0°；无溶洞，坡度15°；无溶洞，坡度30°；无溶洞，坡度45°；无溶洞，坡度60°。对剩余20组试验结果进行线形回归，得到桩基在溶洞和陡坡耦合作用下的水平承载力（f）：

f=13.947d-1.36？琢+394.198（3）

式（3）中，为陡坡坡角；d为顶板厚度。

对数值模拟与预测结果进行对比，如表5所示。由表5可以得知，误差均控制在6%以内，效果较好。

3.3 工程验证

十天高速公路（略阳—陕甘界段）某大桥右幅桩基位于斜坡上，其坡脚59°，桩径1.5 m，桩长10 m，与本文中数值模拟模型一致，地质条件相似，且下方探测出存在岩溶发育区[13-14]。岩溶区域离桩底最近的距离为5.8 m，根据本文预测公式可知，该桩基的水平承载力为395 kN，与无溶洞、无陡坡相比，折减了18.56%。

4  结论

本文以秦岭山区陡坡桥梁工程为依托，建立数值仿真模型，分析了秦岭陡坡桥梁桩基在岩溶发育区的水平承载力。总体上，桥梁桩基水平承载力与坡角呈负相关，与溶洞顶板厚度呈正相关；桥梁桩基础在陡坡和溶洞的耦合作用下，水平承载力减小最多，最危险的工况可减小 33.2%；根据现有数值模拟结果，采取线形回归，提出了适用于秦岭陡坡桥梁工程穿越岩溶发育区的水平承载力预测公式。在此基础上，本文认为，秦岭山区高速公路桥梁选址尽量避免大面积岩溶发育区；若无法避免，可采取回填或加大桩长桩径的措施。

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