某高层建筑桩基下溶洞顶板的FLAC3D数值模拟

苗博泉，赵 旺

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引言

我国岩溶广泛发育，分布面积广、类型繁多，远超世界大多数国家[1]。溶洞是指随着地下水在岩溶通道中的运移，可溶岩持续受溶蚀、冲蚀和潜蚀作用而形成的地下洞穴。溶洞大都分布在可溶岩地区的断层带和裂隙带，溶洞的形成使基岩不再完整，使其力学性质有别于半无限介质，大幅降低了基岩的承载力。在上部荷载、振动或地下水波动等因素作用下，溶洞顶板可能因失稳而发生破坏，导致建筑基础下沉或不均匀沉降，对建筑物的安全造成严重损害[2]。岩溶地区高程建筑常采用嵌岩桩基础型式将桩基础穿透溶洞深入下部稳定基岩一定深度，以保证基础的安全稳定[3]。但岩溶重度发育区溶洞尺寸往往较大，造成穿透溶洞时很难成桩[4]，某些地区可能在竖向有多层串珠状溶洞发育，或者溶洞埋深很深，这时如果继续穿透溶洞，基础施工就难以保证经济和合理，因此就需要考虑将桩基础置于溶洞顶板岩层上的可行性，结合在建的实际工程项目进行高层建筑桩基荷载作用下的溶洞顶板稳定性研究，可为岩溶地区工程项目的设计和施工提供理论和技术支撑。本文采用FLAC3D软件对桩基础和溶洞顶板岩层相互作用的系统进行数值模拟，得到了溶洞围岩的应力、应变、塑性区分布等规律，从定量角度证明了桩基础下溶洞顶板岩层的稳定性。

1 工程概况

工程区地处深圳市坪山新区，拟建场地由4个地块组成，各地块地上建筑为数目不等的高层住宅楼及其附属裙楼，设地下室2层，裙楼1～3层，高层住宅楼29～32层，建筑地上总高约100 m，框剪结构，基础形式为嵌岩灌注桩，桩径1 m，桩间距为四倍桩径。

2 场地工程地质条件

依据工程地质钻探、原位测试及室内土工试验的成果分析，工程区内岩土体工程地质特征按地质时代由新到老分述如下：

(5)微风化大理岩(Csh)：灰白色，主要矿物成分为方解石，隐晶结构，块状构造。岩芯呈块状、柱状。天然密度2.59～2.82 g/cm3，饱和极限抗压强度30.0～50.2 MPa。层顶埋深24.40～57.50 m。

本场地岩溶中等发育，既有单层溶洞，也有多层串珠状溶洞，场地内发育的溶洞属小型-中型溶洞，钻孔遇洞率15.38%，在竖直方向上表现出一定的分带性。发育的溶洞多以垂直单层溶洞为主，最大单洞高8.2 m。溶洞分有充填和无充填两种情况，充填物较复杂，主要有含砾粉质粘土、粉细砂、淤泥、碎石等。

3 溶洞顶板失稳机理分析

溶洞围岩的失稳模式包括溶洞顶板岩层的垮塌和侧壁岩体的破坏。对于顶板较薄的溶洞，其破坏模式往往是脆性破坏，对于顶板较厚的溶洞，其破坏模式多为整体滑移破坏。对于桩基础下的溶洞，桩端加载面相对于基岩岩层的起伏往往可以忽略不计，所以桩端岩体的破坏形式与平底压头压入岩体的破坏形式相近，都是局部荷载作用下发生的破坏，其破坏的发展过程如图1所示[5]。

图1 桩基础下溶洞顶板岩体破坏过程Fig.1 The failure process of cavern roof under pile foundation

当地下围岩的静止侧压力系数小于1/3时，在桩基荷载作用下，溶洞洞顶常常会出现拉应力集中区，而围岩的抗拉强度一般较低，故在这些区域围岩容易发生拉断破坏。当完整岩体被结构面切割后，顶部的不稳定块体极易沿着结构面发生滑移破坏，其破坏模式主要为受上部荷载作用岩块顺软弱结构面发生滑移。工程区岩溶中等发育，溶洞呈单层或串珠状展布，在竖直方向上具有明显的分带性，钻孔揭露的溶洞在竖向上尺寸较大，节理裂隙稍发育，基础形式为桩基，单桩荷载比较大，故拉断破坏是工程区溶洞顶板破坏的主要形式。

4 FLAC3D模型的建立

工程区地下溶洞发育数量多且形态各异，对场区内所有溶洞进行数值模拟往往难以实现，为了使模拟结果有代表性并能说明具体问题，需要对计算模型进行合理的简化，本文选取发育较多的单体溶洞进行模拟分析。建立模型时，岩土层分布、溶洞形态、力学参数、桩基础布置等严格按勘察、试验和设计资料选取。模型边界远大于桩基和溶洞的影响范围，模拟过程中暂不考虑溶洞充填物和地下水等影响较小的因素的影响，将节理裂隙的影响折减到计算参数中，同时因模型范围内地形起伏不大，将岩土层假定为水平产状以便于荷载的施加。

(1)地质条件概化

模型范围内地层经过合理简化后，大致可分为如下几层：

①人工填土层：杂色，稍湿，松散状，分布在表层1 m左右。

②含砂粘性土层：黄褐色，可塑状，层厚3 m左右。

③中粗砂层：灰白色，饱和，稍密～中密状，层厚3 m左右。

④含碎石粘性土层：褐黄色，可塑-硬塑状，土质不均匀，粘性好，层厚22 m左右。

⑤微风化大理岩层：灰白色，隐晶结构，块状构造。

(2)模拟范围及边界条件

建模过程中偏于安全考虑，假定溶洞形态为正方体，因该形态比圆形溶洞更易受到破坏。模拟范围从地表至溶洞下部完整基岩一定深度，模型尺寸为40 m×40 m×55 m。图2为网格化后的地层模型，由30768个单元、34095个节点组成，建模过程中为使计算结果更精确，对桩基和溶洞周边网格进行了适当加密。模拟过程中约束模型底部及四周的位移，地表为自由边界。

图2 地层模型Fig.2 Strata model

(3)力学模型及参数取值

建模过程中采用莫尔-库伦弹塑性材料的本构模型。岩土层各力学参数按试验资料结合相关工程手册选取，取值如表1所示。

表1 岩土层力学参数Tab.1 Mechanical parameters of rock and soil layers

(4)桩基布置及加载情况

溶洞上部桩基为4桩承台基础，桩呈正方形布置，桩径1 m，桩间距4 m，嵌岩深度1 m，分布在模型中间，按最危险的情况考虑，假定桩基位于溶洞正上方(图3)。基坑开挖6 m后在基坑底施工灌注桩，为模拟这一过程，先对地面以下6 m深土层赋以空模型，然后布置桩基，采用FLAC3D中自带的桩结构单元进行模拟。桩基础为钢筋混凝土圆桩，桩基密度2500 kg/m3，弹性模量为25 GPa，泊松比为0.2。桩顶单桩荷载取2733 kN。计算过程中不平衡力收敛良好，如图4所示。

图3 桩基布置图Fig.3 Layout of pile foundations

图4 不平衡力收敛图Fig.4 The convergence graph of the unbalanced force

5 计算结果及分析

FLAC3D计算中默认压应力为负值，拉应力为正值[6]。图5～图12为后处理输出的应力云图、变形图、位移监测图及塑性区分布图。

①从竖直应力云图(图5)和水平应力云图(图6)中可以看出，岩土体总体表现为压应力，量值为负，应力值随岩土层深度的加深而不断增大。图5说明在溶洞顶板岩层及桩端出现了拉应力集中现象，具体表现为云图中应力值小于周边区域，因为顶板岩层在上部桩基荷载作用下产生向下的位移，导致顶板岩层向下弯曲，顶板各横截面产生相应的拉应力，并在跨中截面中轴线达到最大，拉应力中和了部分压应力，所以表现为云图中应力值的减小；同时桩基嵌岩段会与周边岩层产生相对位移，因而会在桩周区域产生一定程度的拉应力；此外，在溶洞侧壁处产生了一定程度的压应力集中现象，具体表现为云图中应力值的增大，但数值不足1 MPa，远小于微风化大理岩的抗压强度(37.11 MPa)，说明溶洞围岩受力状态良好，整体稳定。图6说明在溶洞周边及桩端部位出现了拉应力集中，且越接近溶洞侧壁拉应力越大，但岩土体总体表现为压应力，压应力数值远小于大理岩的抗压强度，说明溶洞围岩处于稳定状态。

图5 竖向应力云图Fig.5 Vertical stress nephogram

图6 水平应力云图Fig.6 Horizontal stress nephogram

②从竖向变形图(图7)、横向变形图(图8)、整体变形图(图9)和变形矢量图(图10)中可以看出，岩土体大变形主要出现在土层中，微风化岩层中变形较小，这与岩土体性质的差异和应力扩散有关；此外，桩基影响范围内的变形要大于周边区域，总体特征为变形以桩基为中心向四周及底部逐渐减小，距离越远，相应的变形就越小，最大竖向变形出现在桩顶部位，达到1.54 cm，桩基沉降符合规范要求。

图7 竖向变形图Fig.7 Vertical deformation graph

图8 横向变形图Fig.8 Lateral deformation graph

图9 整体变形图Fig.9 Overall deformation graph

图10 变形矢量图Fig.10 Deformation vector graph

③计算过程中对地表位移、桩底位移、溶洞洞顶位移及溶洞侧壁位移进行了监测，形成了位移监测图(图11)，从图11中可以看出，随着计算过程的进行，位移值均逐渐增大，其最大位移分别为1.29 cm、1.34 cm、0.98 cm、0.54 cm。相对于溶洞洞体尺寸来说，桩基荷载引起的围岩位移并没有对溶洞产生过大的影响，溶洞总体上是稳定的。

图11 位移监测图Fig.11 Displacement monitoring graph

④由塑性区分布图(图12)可知，在桩基荷载作用下仅在上覆表层土体小部分区域产生了塑性破坏，主要表现为剪切破坏，而大部分土层及基岩内均无塑性区出现，说明溶洞围岩并未发生塑性破坏，在整个计算过程中均处于稳定状态。

图12 塑性区分布图Fig.12 Distribution of plastic zone

6 结语

本文采用FLAC3D软件对高层建筑桩基础下的溶洞顶板岩层进行了静荷载下的数值模拟。在对工程区地层进行合理简化的基础上，建立了溶洞计算模型，对各地层材料赋以合适的参数后，利用FLAC3D中自带的桩结构单元施加桩顶荷载，随后进行计算和后处理，得到了应力云图、变形图、位移监测图及塑性区分布图等一系列图件。计算结果概述如下：

1)模型中岩土体应力表现为压应力，在溶洞顶板岩层及桩基四周出现了拉应力集中现象，压应力数值远小于大理岩的抗压强度，说明溶洞围岩的受力状态良好，处于稳定状态。

2)模型中岩土体的变形均以桩基为中心向底部及四周逐渐减小，最大竖向变形出现在桩顶部位，为1.54 cm，桩基沉降符合规范要求。

3)计算过程中对地表位移、桩底位移、溶洞洞顶和侧壁位移进行动态监测，发现桩底位移最大，达到1.34 cm。相对溶洞洞体尺寸来说，桩基荷载引起的位移并没有对溶洞围岩产生过大的影响，围岩总体稳定。

4)塑性区分布图表明模型中仅在上覆表层土体局部区域产生了塑性破坏，主要表现为剪切破坏，绝大部分土体及基岩内均无塑性区出现，说明整个计算过程中溶洞围岩均处于稳定状态。

综上所述，从应力、应变、位移及塑性区分布等多角度分析，该溶洞模型在高层建筑桩基荷载作用下均处于稳定状态，说明此状态下溶洞顶板与桩基相互作用系统是稳定、可靠的。