桥梁桩基下穿串珠状溶洞承载特性及稳定性研究

2021-05-27姚成玉池州市公路管理服务中心安徽池州247000

安徽建筑 2021年5期

姚成玉（池州市公路管理服务中心，安徽池州 247000）

1 引言

我国地质情况复杂，岩溶分布广泛，大量在建的交通工程都不可避免地会遇到岩溶地质问题，而皖南山区岩溶地质情况更加复杂，常存在多个溶洞交错分布的情况，对该地区地桩基建设或其他基础工程建设造成巨大影响。

黎斌等采用三维有限元法分析了桩基下伏溶洞顶板应力分布情况，并提出了桩基底端距溶洞顶板临界距离的回归预测方程；汪稔等运用定性分析、结构力学的半定量分析方法和三维有限定量计算手段，对桥墩下伏溶洞顶板厚度进行了研究；戴自航等采用ABAQUS建立岩溶区路堤的三维数值模型，分析了顶板厚度、溶洞位置及溶洞充填情况，对路堤及溶洞顶板稳定性的影响；柏华军等合理简化溶洞顶板持力层模型，综合考虑顶板冲切、剪切和弯拉破坏模式，提出考虑顶板自重影响的顶板安全厚度计算方法；黄明等分析桩基下穿串珠状溶洞的荷载传递特征及不同因素的影响规律，揭示桩基与串珠状溶洞的耦合作用过程；李金良等利用ABAQUS对不同溶洞顶板厚度的桩基承载能力进行研究，得出了顶板厚度对单桩极限承载力以及变形的影响规律和桩侧、桩端的荷载传递特性。邓尚强运用Plaxis2D建立了有限元模型，分析单桩连续穿越串珠状溶洞时的受力变形性状，并分析桩周岩土体的位移及应力分布规律。

本文结合皖南岩溶地区秋浦河大桥桥梁桩基工程，运用FLAC3D软件对不同溶洞顶板厚度、不同溶洞充填情况下群桩基础的承载特性进行模拟，并横向对比了桩基与溶洞不同位置下桩基受力变形规律，以期为皖南岩溶地区的桩基工程提供理论指导。

2 工程概况

秋浦河大桥全长634.75m，全桥基础均采用群桩基础，8#～11#墩为跨河主桥，桩基共36根，其中8、11墩桩基各8根，桩径1.6m，桩长15m～36m不等；9、10墩桩基各10根，桩径1.6m，桩长20m～61m不等。本文选择9-8#桥墩进行研究，该桥墩长44m，连续穿越两个溶洞，具有较强代表性。

秋浦河大桥桥位区地貌类型属于低山区山洼沟谷亚区，地形起伏较大。工程地质自上而下分述如下：①卵石：灰褐色，稍密—中密状，呈次棱—次圆角状，粒径主要在2mm～100mm间，个别大于100mm，其中d>20mm的颗粒质量约占总质量的50%～60%；母岩的主要成分为石英砂岩、砾岩、硅质岩等。充填物为中细砂和粘性土（卵石层15m～20m不等）。②中风化灰岩：灰、粗灰及灰白色，致密质纯，厚层状，块状构造，本段岩石裂隙较发育，中等风化，岩面存在溶蚀现象，局部岩芯较为破碎，大部岩芯较完整。③溶洞：砂砾石和粘性土全充填或半充填（最大溶洞达30m)。④中风化灰岩：灰、粗灰及灰白色，致密质纯，厚层状，块状构造，本段岩石裂隙较发育，中等风化，岩面存在溶蚀现象，局部岩芯较为破碎，大部岩芯较完整。

3 计算模型

综合考虑边界影响及求解速率，本文只选取模型的一半进行计算，如图1所示。桥梁桩直径1.6m，长44m，为减少边界影响，模型区域选取10倍桩径，构建30m×15m×50m的模型，底部设为全约束，四周边界设为侧向约束，顶部设为自由边界。本文中假设溶洞位于桩基正下方，上下两个溶洞简化为矩形，尺寸分别为10m×5m×4m和10m×5m×2m，两溶洞垂直距离1m，溶洞以松散砂土及软塑状黏土充填。为简化计算，作以下假设：岩土体选用摩尔库伦模型，桩体选用弹性模型，桩土接触选用接触面模拟，不考虑地下水位影响。根据工程勘察报告及现场试验，相关材料力学参数见表1。

图1 三维计算模型

模型力学参数表表1

计算时通过以下步骤实现：①进行地应力平衡，土层及溶洞在自重作用下达到初始平衡状态；②位移速度清零，进行桩基施工过程模拟，得到桩基施工后的应力状态；③模型位移速度清零，进行桩基的加载试验，按每级5000kN进行加载。通过建立大量数值模型，设置1D、2D、3D顶板厚度的不同工况，分析了不同溶洞顶板厚度下的桩基变形稳定性及其应力状态。

4 结果分析

4.1 桩顶位移

图2为不同溶洞顶板厚度下，桩顶位移与竖向荷载的关系曲线。见图2所示，在不同顶板厚度下，桥梁桩基在竖向荷载下的Q-s曲线都表现相似的沉降规律，随着荷载的不断增大，桩顶位移也持续增大。但由于溶洞顶板厚度的影响，桩顶位移在不同顶板厚度下存在差异。在外部荷载较小时，不同厚度下桩顶位移相差较小；随着荷载的不断增大，顶板厚度2D和3D的桩顶位移相差较小，可知顶板厚度增大到一定值时，对桩基抵抗变形的发挥的作用逐渐减小。如果以40mm沉降确定桩基的极限承载能力，则溶洞顶板厚度为1D时桩基承载力为22354.84kN，顶板厚度为2D桩基承载力为25897.93kN，顶板厚度为3D桩基承载力为27579.62kN，可知厚度为1D时的极限承载力为厚度为2D的86.3%，仅为顶板厚度3D的81.1%。

图2 不同溶洞顶板厚度的Q-s曲线

4.2 最大剪应力

图3为不同溶洞顶板厚度下的最大剪应力云图。见图3所示，桩顶荷载为5000kN时，溶洞顶板越厚，岩体所受的最大剪应力越小。岩体剪应力主要集中在溶洞和桩端附近，溶洞顶板处的剪应力与桩基接触部位为中心，逐渐向四周发展，并形成连通的应力路径，其与水平方向的夹角，随着溶洞顶板的增大而增大。上方溶洞顶板的应力影响区域更大，可知当桩基穿越串珠状溶洞时，上方溶洞更容易发生破坏。

图3 不同顶板厚度最大剪应力云图（桩顶荷载Q=5000kN）

当顶板厚度为1D时，溶洞顶板最大剪应力为2.23MPa，位于上部溶洞顶板远离桩基，靠近内墙位置；当顶板厚度为2D、3D时，最大剪应力分别为1.16MPa、1.08MPa，且最大剪应力都位于下部溶洞的顶板与桩基接触位置。随着溶洞顶板厚度的增大，上部溶洞顶板与桩接触部位的剪应力减小，减小区域不断扩大，但下部溶洞顶板的剪应力会持续增大。同时可知，顶板厚度2D时最大剪应力明显小于顶板厚度1D，但当顶板厚度增大到3D时，其最大剪应力减小幅度变小，可知溶洞顶板厚度增大到一定值后，对溶洞受力状态的改变减小。

见图4所示，随着外部荷载的不断增大，桩端阻力也不断增大。第一个溶洞的最大剪应力值大于第二个溶洞，可知在桩基下穿串珠状溶洞时，只有第一个溶洞的侧摩阻力得到充分发挥，下部溶洞的侧摩阻力发挥有限。在外部荷载较小时，桩基荷载的传递主要发生在溶洞区域，由溶洞顶板向两侧发展，但随着外部荷载的持续增大，桩基与岩体的侧摩阻力充分发挥时，桩端阻力也会发挥作用，出现应力集中现象，能够充分利用基岩的承载能力，承载性能继续增大。