地震影响下桩基下穿串珠状溶洞的稳定性数值分析

2021-04-13熊军

中国新技术新产品 2021年2期

熊军

（中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆 400037）

0 引言

因为串珠状溶洞的地质构造的形式多种多样，各个溶洞内部间连通状态比较复杂，在溶洞结构形式的选取过程中无法兼顾各个要素。在该文的研究过程中选择的串珠状溶洞结构是双溶洞的结构，研究人员关注的重点是竖向排布的双溶洞之间的间距变化规律、竖直方向排布的双溶洞的几何尺寸的改变量对于整体结构的综合稳定特性的相关影响，主要可以分为2种情况：串珠状溶洞的顶板位置设置桩基以及串珠状溶洞的底部位置设置桩基，下面分别针对上述2种类型进行详细的研究。研究内容的重点是地震作用下桩基荷载作用于溶洞底部的稳定性分析，分别考虑竖向排列双溶洞的距离变化和尺寸变化对整体稳定性的影响。

1 串珠状溶洞间距变化对整体稳定性影响

1.1 模型建立

简化模型所使用的相关材料的各种物理参数如下，模型中的串珠状溶洞的相关参数为宽度值取7.5 m、高度值3.6 m，选取双溶洞间的距离值分别是0.6 m、1.2 m、1.5 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、6 m、6.5 m几组实施具体的分析。相关数字模型的网格的划分、模型的单元类型、网格划分技术以及无限元边界条件实现方法均相同[1]。

1.2 计算结果分析

1.2.1 应力应变分析

在溶洞底部位置设置桩基的前提下施加Mises类型的等效应力，双溶洞的间距数值是1.1 m，双溶洞的间距数值是5 m。可见，在溶洞底部位置设置桩基的前提下，串珠状溶洞的周围同样会发生应力集中的情况，不过在桩基的末端位置处应力集中情况相对来讲是最明显的。从中能够得出，随着串珠状双溶洞减距离数值的加大，溶洞间的岩层内部的应力并没有显著增大，并且桩基的末端位置的岩体内部的应力分布情况基本上保持一致，这样的结果表明，在地震状况发生的前提条件下，串珠状溶洞间的岩层内部结构对于桩基的侧面摩擦阻力相对较小，并没有分担桩基在竖直方向上的有效荷载，竖直方向的荷载通常被桩基的末端的岩石所承受。串珠状溶洞底部设置桩基的状况下的塑性应变量，与串珠状溶洞顶板部分设置桩基的状况有所不同，该状态下的塑性应变区域在和桩基直接接触位置的岩层内生成一个分布状态为连续型的区间[2]。

1.2.2 桩底移动状况研究

图1 竖向位移云图

图1为串珠状溶洞底部设置桩基的状况下的竖直方向位移量的云图，图中的双溶洞间距离数值为4.5 m。根据该图能够看出如下规律：串珠状溶洞顶板区域及桩基末端的竖直方向的位移数值最大，影响位移的半径约为3.1 m左右，在相关半径影响的范围之内，自桩身朝两侧面拓展，岩层竖直方向的位移渐渐缩小。由此可见，与串珠状溶洞顶部的岩体相比较，双溶洞间的岩体发生的竖直方向的位移比较小，表明对于桩基的侧向摩擦阻力效应相对较小，然而上部串珠状溶洞顶部岩体发生显著的竖直方向的位移，其主要原因为基础岩体的顶面是地震波加速度分量的加载表面，在地震波的作用下，相关位置将会产生显著的位移。针对两幅图像进行对比分析，能够得出相关结论：串珠状双溶洞间的距离的变化，并不能让溶洞间的岩体对桩基施加额外的侧向摩擦阻力，竖直方向的荷载通常由桩基末端的岩层所承担。串珠状溶洞底部设置桩基的状况下的水平方向的位移，在基岩顶部向下1 m左右的区域发生了水平方向的位移。PEMAG指的是塑性应变量，Avg指的是平均值。

1.2.3 桩端竖向位移发展曲线

串珠状溶洞底部设置桩基的状况下的桩基末端竖直方向的位移演变曲线，相关研究人员选定桩基末端节点为初始观测位置，地震过程完毕之后的该观测位置的竖直方向的位移量是0.03686 m。当静力的荷载作用完毕之后，桩基末端竖直方向的位移曲线的发展方向明显趋向收敛，位移变化的程度降低。在地震过程的加速度分量作用时间以内，桩基末端竖直方向的位移不断增加[3]。

1.2.4 桩端竖向位移变化率曲线

桩基末端竖直方向的位移变化率的特征曲线和地表处地震过程的加速度均方根分量的改变速率变化曲线（放大10倍）进行对比，桩基底部竖直方向的位移改变率在第5.78 s的时间处发生大范围的波动，并且其变化率的极值发生在5.78 s的时间处，地面处地震的加速度均方根分量改变率极值发生在5.78 s的时间处，时间角度非常吻合，这和串珠状溶洞顶板部分设置桩基的状况相一致，表明地震波对于串珠状溶洞底部设置桩基的状况下的竖直方向的位移值有显著的影响。桩端竖向位移发展曲线如图2所示，m代表单位米，s代表时间单位秒。由对比可知，串珠状溶洞底部设置桩基的状况下，桩基末端竖直方向的位移的变化率比较平滑，只有在地震波的加速度分量到达峰值的情况下才会出现较大的变化，并且桩基位置出现一个反弹的状况。然而串珠状溶洞顶板部分设置桩基的状况下，特征曲线发生了显著的突变，然而并没有发生桩基反弹的状况。由此能够得到相关结论：在地震波的影响下，串珠状溶洞底部设置桩基的状况下，因为岩层的弹性效应，有可能导致桩基出现瞬间的反向位移，然而当串珠状溶洞顶板部分设置桩基的状况下，因为桩基末端下方溶洞的结构减弱了地基部分的承载功能，导致溶洞的顶板可能出现塑性应变，从而不能发生桩基的反弹状况。

图2 桩端竖向位移发展曲线

1.2.5 桩身在竖向的位移变化研究

地震影响下的加速度分量施加下桩身在竖向上发生的相关位移。在溶洞嵌岩部位向上的部分，桩身竖直方向位移表现为线性降低，在串珠状溶洞嵌岩段的桩身位移改变的速率减少，表现为明显的端承桩性质。静力影响之下桩身在竖向上发生的移动量，在基岩表面向上的桩身区域，竖直方向的位移表现为线性降低，基岩表面向下的桩身区域，竖直方向的位移一样表现为线性降低，不过变化速率对比基岩表面向上的部分较低，这种情况是因为基岩对于桩基的侧向摩擦阻力比红黏土对于桩基的侧向摩擦阻力值大而引起的。比较能够得出当地震波的加速度分量影响下桩身的竖直方向的位移演变并没有被红黏土及基岩的侧向摩擦阻力的制约，然而静力影响下桩身的竖直方向的位移的演变被红黏土的基岩侧向摩擦阻力的作用比较大，表明在水平方向的地震波的影响下，桩基和基岩间的侧向摩擦阻力效应不明显，桩基是末端承载的桩体[4]。

1.2.6 双溶洞之间岩层中点位置

双溶洞之间岩层中点位置的桩身与岩体水平位移发展曲线比较，桩端与桩端岩体的水平位移发展曲线对比。在2个位置处的桩身和土体部分的水平方向位移的变化方式均比较相似，然而针对图像进行比较分析，可以得到在第7 s的位置处已经发生桩体的位移多与岩层位移的情况，也就是说，双溶洞间的岩体在相对比较早的时段就已经发生了桩体和岩层分离的情况，这种情况下岩层已经失去了抵抗剪切力的能力。然而一直持续到地震波加速度分量加载完毕之后才发生桩体和岩层分离的现象。由此能够得出：在地震波的影响之下，岩层和桩体接触部位已经失去了抵抗剪切力的功能，对于桩基无侧向摩擦阻力。除此以外，随着埋藏深度的加大，桩体与岩层分离的状况发生的时间段就越迟，桩体与岩层相对移动量变化越小。桩基末端水平方向移动量变化趋势程度特征曲线和地面位置地震波加速度平方根变化程度特征曲线（加大12倍）的比较，桩基末端水平方向变化最大值和地面位置地震波加速度平方根变化程度最大值产生时间段完全对应。串珠状溶洞底部设置桩基的状况和串珠状溶洞顶板部分设置桩基的状况相似，地震波对于桩基的水平位移影响巨大。

1.2.7 桩基末端竖直方向移动量

图3是桩基末端竖直方向移动量随双溶洞间距的变化特征曲率，随着双溶洞间距的加大，桩基末端竖直方向移动量逐部缩小，这种情况通常是因为双溶洞间岩体厚度加大，造成岩层侧向摩擦力作用增大，因此桩基末端竖直方向移动随着双溶洞间距的加大而降低。

2 溶洞外形尺寸改变对结构安全稳定性的制约

2.1 建立溶洞数字模型

改进溶洞数字模型材料物理力学参数，相关数字模型选取双溶洞间距是3.5 m，选取双溶洞的宽度及高度尺寸数值分别是：4.5 m和2.5 m、5.5 m和2 m、6.5 m和5 m、7.5 m和3 m，8.5 m和4.5 m、9.5 m和4 m、10.5 m、5.5 m几类状况进行研究。溶洞数字模型的网格划分模型的单元类型、网格划分技术以及无限元边界条件实现方法均相同。

图3 桩端竖向位移

2.2 计算结果分析

2.2.1 应力应变分析

Mises等效应力的溶洞宽度尺寸及高度尺寸分别为4.5 m和2.5 m，溶洞宽度尺寸及高度尺寸分别为10.5 m和5.5 m。通过比可得，随着溶洞直径的加大，相关应力集中的范围一直集中在溶洞的两端和桩基末端区域，双层溶洞间岩体没有应力集中的状况发生。塑性应变可见塑性区在上部溶洞顶部岩体内形成1个连续的区域。

2.2.2 桩底位移分析

竖向位移云上部溶洞顶部岩体和桩端竖向位移取最大值，该半径数值为3.5 m，在相关作业半径以内，沿着桩体向两端延伸，岩层竖直方向移动量逐步降低。通过比较可得溶洞直径的加大对于竖直方向位移特定曲线的制约不明显，所以省略对比研究的步骤。水平位移云在上部溶洞顶部岩体内存在水平位移，这是由于施加水平地震时程加速度而产生。计算机仿真模拟获得桩体竖直方向与水平移动特性曲线，桩体竖直方向与水平移动特征曲线及桩体轴向受力与变化趋势相同[5]。

桩端竖向位移随溶洞尺寸的变化曲线，随着洞径的增大，桩端竖向位移逐步加大。导致桩体底部移动量在溶洞宽度数值＜7.5 m时表现为线性递增的主要原因是：当溶洞直径比较小时，溶洞高度的增大对于岩体发挥侧摩阻力的影响较大，溶洞高度数值越大，侧向摩擦力所负担的桩体载荷就越小，进而导致桩基末端阻力及桩基底部移动量的加大。桩端竖向位移如图4所示。m代表单位米。