岩溶区桩基沉降的影响探讨

彭龙帆 徐小洋 张 颖

中国建筑第二工程局有限公司华东公司 上海 200135

我国岩溶地貌分布广泛，在溶岩地区修筑建筑物将面临地基不稳、地表塌陷、地面变形、桩基沉降等诸多工程难题[1-3]。其中岩溶地区的桩基沉降已经是一个热点问题，国内许多专家学者对此进行了深入的研究，并取得了丰硕的研究成果[4-5]。桩尖至溶洞顶部的距离可称为板厚，溶洞水平尺寸为溶洞跨度，板厚与跨度的比值为厚跨比。针对板厚及厚跨比，黎斌等[6]通过有限元模型和多元线性回归分析的方法，研究了桩基下溶洞顶板最小厚度对桩基沉降的影响；赵明华等[7]在对溶洞桩基顶板稳定性分析的基础上，在剪切计算中引入格里菲斯判据以完善溶洞顶板抗弯稳定性验算，从而进一步推动岩溶地区桩基沉降的理论计算发展；崔红琴[8]通过对有限元软件平台的二次开发，利用随机理论生成溶洞，能系统分析岩溶区桩基沉降的构成；刘晓明等[9]通过设计，合理分配桩顶荷载，并分析计算出相应溶洞顶板沉降，针对性地优化设计桥梁桩基，以减小岩溶区桩基沉降；邹新军等[10]采用ADINA软件对桩端压浆进行有限元模拟，对串珠状岩溶地区的桩基沉降进行了有效处理。

以上均为从总体岩溶地貌出发对桩基沉降进行理论分析与模拟，并未针对单一溶洞至桩尖距离及几何尺寸的变化对桩基沉降进行深入探究。由于桩基沉降与周围土体具有密切的相关性，因此针对桩基下方溶洞至桩尖距离，即厚跨比变化、溶洞形状及体积改变对桩基沉降影响的研究，具有重大的实际意义。

1 工程概况

武汉智能联网汽车封闭测试场，位于长江一级阶地，场区南端和东端主要为河流堆积地貌单元，软土厚度大，砂层分布较深。场区北侧和西侧为阶地过渡地带，软土厚度较小，砂层缺失。场区可溶性岩类分布有较强的规律性，以XK291-XK293-XK499-XK498一线为分界线，分界线以北为可溶性灰岩属第四系覆盖的隐伏岩溶区，溶腔大小不一，钻孔见洞率42%，属岩溶强发育区。

整个项目分为43个区块，其中岩溶区为26ü 43号区块，选取32号区块中编号Z2的直径为800 mm、桩长为35 m的钻孔灌注桩作为岩溶区桩基沉降的研究对象。

2 数值模拟建立

2.1 数值计算模型及材料参数

采用Midas GTS有限元计算软件，根据工程实际地层，建立60 m（长）h 60 m（宽）h 80 m（高）的三维模型。溶洞通过实体单元间的布尔运算生成，不考虑其内部填充物的影响，再利用混合网格生成器生成以六面体为主的高质量网格。整体计算模型如图1所示。

图1 三维数值计算模型

模型中设置岩土体为弹塑性材料，服从摩尔-库伦屈服准则；采用一维梁单元生成线弹性本构模型下的桩基，并设置桩界面和相应的桩端参数，包括桩端承载力和桩端弹簧刚度。桩基材料参数见表1，模型建立过程中的各土层物理力学参数见表2。同时为排除其他复杂工程因素影响，建立以下假设：忽略材料内部结构缺陷，认为各部件材料均值同性；同时不考虑如施工机械振动等其他荷载的作用。

表1 桩基材料参数

表2 各土层物理力学参数

2.2 边界条件及工况设定

边界条件设置为除顶面为自由面以外，其余各面均限制其法向位移，底面为固定约束，桩整体设置旋转约束。同时为模拟真实施工工况以及明确各工况下位移的实际意义，设置第1个工况为重力下初始地应力分析；第2个工况是桩体的生成，并将位移清零；在第3个工况施加状体竖向荷载1 000 kN。

3 桩基沉降计算结果分析

通过上述模型对相同溶洞跨度下不同桩尖-洞顶距离的桩基沉降，以及相同厚跨比下的不同溶洞体积、溶洞形状的桩基沉降进行详细的对比分析，由于单桩沉降主要由桩体弹性压缩、桩侧摩阻力和桩端荷载引起的桩端土体压缩，因此通过对比桩顶位移、桩尖位移和洞顶沉降的改变量来反映桩基沉降。

溶洞尺寸为4 mh 4 mh 4 m，距离桩尖4 m。桩基沉降位移云图如图2所示，图中沉降量最大处为桩顶，数值为11.42 mm，桩尖沉降量为10.07 mm。

图2 Midas GTS桩基沉降云图

3.1 桩尖-洞顶距离对桩基沉降量的影响

为研究桩尖到洞顶的距离对桩基沉降量的影响，在溶洞跨度相同的前提下，取距离为桩径的几何分别为：0.4、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0、6.0 m。溶洞的水平尺寸取4.0 m，竖向尺寸取4.0 m。利用Midas GTS计算，所得结果如图3和表3所示。

图3 不同桩尖-洞顶距离对桩基沉降的影响

表3 桩尖-洞顶距离改变下桩基沉降改变量

从图3可知，桩尖至洞顶的距离小于1.6 m时，桩基沉降量相对较大，且下降速度较快，最大值为距离0.4 m时，桩顶沉降13.0 mm；当桩尖至洞顶距离在1.6～3.2 m之间时，沉降量下降变化值为0.4 mm，仅为1.6 m下桩顶沉降的0.26%，且下降速度较为缓慢且平稳，同时距离为3.2 m时沉降量达到最小值，为11.3 mm。桩尖到洞顶距离大于4.0 m时，沉降基本保持不变，已达到稳定值。此时溶洞空腔上持力层顶板厚度达到一定值，顶板沉降对桩基沉降几乎不产生影响。由表3可知，当洞顶至桩尖的距离发生变化时，桩顶与桩尖沉降变化趋势一致，都随着桩尖至洞顶的距离增大而逐渐减小。桩尖沉降量与桩顶沉降量始终在9%～12%之间波动，范围未超过3%，考虑到桩顶沉降具有重要的实际意义，故可认为桩顶沉降量可代表整桩在溶洞影响下的沉降变化趋势。

3.2 溶洞形状对桩基沉降量的影响

选择厚跨比为1，针对不同溶洞形状对桩基沉降的影响进行探究。通过改变溶洞截面形状，如球形、圆柱形、立方体形、马蹄形，计算桩基在4种不同形状溶洞下的沉降量，结果如表4和图4所示。

表4 溶洞形状改变下桩基沉降改变量

图4 不同溶洞形状对桩基沉降的影响

结合表4和图4可知，当溶洞形状为圆柱形时，桩基的沉降量最大，桩顶最大沉降为11.7 mm，以此为基准；当溶洞形状状改变为球形或马蹄形后，桩基沉降量几乎一致，均为11.4 mm左右，且相比于圆柱形溶洞，沉降量下降约4%；当溶洞形状状改变为立方体形时，相较于球形或马蹄形溶洞，其沉降量仅有细微改变。同时就洞顶中心沉降数据而言，当溶洞形状为立方体形时，洞顶中心沉降量最大，为6.8 mm，相比于圆柱形和马蹄形溶洞的5.9 mm沉降量，多出16.9%；当溶洞形状为球形时，洞顶中心沉降量最小，为5.2 mm，较5.9 mm有11.9%的减少。

由此可见，在溶洞顶板厚跨比不变的情况下，溶洞形状对桩基沉降影响较小，而对溶洞洞顶中心沉降影响较大。4种不同溶洞形状下的桩基沉降云图如图5所示。

图5 4种溶洞形状下桩基沉降云图

3.3 溶洞体积对桩基沉降量的影响

保持溶洞顶板厚跨比不变，将溶洞体积增至原体积的3.375倍和5倍，从表5和图6中不难发现，该岩土层的桩基沉降随溶洞体积的增大而呈现增大的趋势，但并未发生明显的改变。在1倍体积下，桩基沉降量为11.42 mm，相比于跨度厚度不变的5倍体积下的11.49 mm，仅有0.6%的改变量；在厚跨比不变的条件下将跨度增大为6 m，体积增加至3.375倍，此时桩基沉降量为11.66 mm，较跨度4 m单倍体积有2.1%的增量，其改变量仍然较小。

表5 溶洞体积改变下桩基沉降改变量

图6 溶洞体积对桩基沉降的影响

区别于桩基沉降，洞顶中心沉降随溶洞尺寸增大呈现出减小的趋势，跨度4 m单倍体积时洞顶中心沉降最大为6.85 mm，但即使体积增至原体积的3.375倍，洞顶中心沉降也仅减小14%，为5.90 mm，因此在厚跨比为1时，溶洞体积的改变对于洞顶中心沉降的影响可不予考虑。

4 结语

1）在溶洞体积和形状保持一致的情况下，洞顶至桩尖的竖向距离小于1.6 m，即厚跨比为0.2时，桩基沉降快速发生，此时需对溶洞进行灌浆、回填片石等加固处理；当洞顶至桩尖距离在1.6～3.2 m之间，即厚跨比为0.2～0.4时，沉降量较小，桩基趋于稳定；当距离大于4.0 m，即厚跨比超过0.4时，沉降基本稳定，可以不再考虑溶洞对沉降的相关影响。

2）厚跨比为1时，可不考虑板厚对桩基沉降的影响，溶洞形状对桩基沉降的影响不大。

3）厚跨比为1时，在溶洞体积显著增大的情况下，桩基沉降有略微增长，但改变幅值不大，产生的影响可忽略不计。