基于有限差分的高层建筑桩基下溶洞模拟方法

甘海峰 陈 峰 祝向文 石 强 肖 湘

我国地势结构上具备一定特殊性，岩溶发育广泛，并且具备分布面积广、类型繁多等特点。溶洞是指在地下水运动的作用下，从岩溶通道当中运移，进而使得可溶岩受到溶蚀、冲蚀等作用形成的地下洞穴结构。当前溶洞在可溶岩区域当中分布十分广泛，并且大部分位于可溶岩的断层结构和裂缝结构当中[1]。溶洞的形式会使周围基岩产生不完整问题，进而使其力学性能在一定程度上受到限制，最终导致基岩的承载力降低。若在溶洞上方完成对高层建筑的建设，则需要在充分明确建筑桩基下方溶洞具体变化情况的基础上，才能够通过合理的措施，促进基岩的承载力提升，并保证高层建筑的施工以及后期使用的安全[2]。

在上述内容的基础上，应在高层建筑桩基下溶洞施工时，全面考虑岩层基石的下深深度，但根据实际情况，下层岩溶进深往往较大，因此很难成桩，造成施工难度进一步增加。为了充分考虑在溶洞上完成建筑桩基建设的可行性，并为岩溶区域的工程设计和施工提供更可靠的技术支撑和依据，本文采用有限差分软件，开展对高层建筑桩基下溶洞模拟方法的设计研究。

1 基于有限差分的高层建筑桩基下溶洞分析

1.1 高层建筑桩基下溶洞失稳分析

在对高层建筑桩基施工下方的溶洞进行模拟前，首先需要对溶洞的失稳机理进行分析。通常情况下，溶洞出现失稳现象是受到岩层垮塌或侧壁岩体被破坏等因素影响。针对结构中顶板层整体厚度不足的溶洞而言，失稳同时会伴随着溶洞的脆性破坏；针对结构中顶板层整体厚度较大的溶洞而言，失稳的同时会伴随着整体滑移的破坏[3]。

针对桩基下方的溶洞结构，其桩端加载面对于基岩整体的起伏而言影响程度不大，因此在后续模拟时可忽略不计。综合分析得出，溶洞的失稳主要受到局部荷载作用的影响[4]。为了方便后续模拟，还需要对整个岩体结构面进行切割，并确定溶洞的展布方式。通常情况下，溶洞的展布分为单层和串珠状2 种。

1.2 高层建筑桩基溶洞模拟范围和边界条件

明确高层建筑桩基下溶洞失稳机理后，应持续进行模拟过程中有效范围与边界条件的设定。在后续对其模型的构建时，需要充分考虑到高层建筑桩基施工的安全性；可在模拟过程中，设定地表层为模拟边缘范围，从地表逐步下深到岩基结构，根据实际工况条件确定模型的尺寸[5]。在确定溶洞模拟范围后，将正方体进行网格化处理，此次所选的地层结构模型由若干个单元与节点集成构成，定义地层结构模型单元表示为m，地层结构模型节点表示为n，设定m 与n 的取值为30 541.0 个与34 587.0 个，为了确保建模的过程更加精准，计算结果更加准确与精密，可在确定其边界条件时，适当对网格结构进行加密处理，加密处理的对象包括桩基排布与溶洞空间布局。在模拟过程中，根据实际情况与计算需求，对模型底部结构进行约束，约束时可参照底部结构与四周结构的空间位置排布，进行边缘偏移，通过此种方式，实现对地表边界的位移设计，从而实现构建一个呈现自由化状态的边界，将此边界作为建模边界，实现对溶洞模拟过程中边界条件的设定。

1.3 高层建筑桩基溶洞模拟力学分析

完成对边界条件与相关参数的设计后，引进有限差分计算软件，对溶洞模拟力学模型进行构建研究，根据建模需求，使用有限差分中的莫尔—库伦塑性材料作为实体结构模型的构成材料，选择此材料作为建模材料可以保证在建模中对不同参数的及时调整。在此基础上，根据高层建筑桩基结构下层地质结构，进行岩体力学参数的获取[6]。此次所选的参数具体数值参照工程手册与试验资料。统计并整理建模中的需求数据，相关内容如表1 所示。

表1 高层建筑桩基下溶洞岩土层力学参数信息

将上述表1 中的数据代入有限差分软件，构建一个针对此地区的高层建筑桩基下溶洞结构模型。根据高层建筑桩基下溶洞中桩基的位置分布，进行模型中参数的调整与加载，在布置桩基的过程中，可以使用FLAC3D 中的自带结构进行单元模拟，对模拟结构进行一次收敛，当收敛结构与实测结果呈现一定的平衡性时，输出此时的模拟结果，将其作为溶洞最终模拟结果。当收敛结构无法与实测结果呈现匹配或不满足平衡条件时，可以在计算的同时进行桩基结构的调整，以此种方式，实现对结构的平衡化与优化处理。

1.4 高层建筑桩基溶洞施工要点

为确保岩溶发育地段钻孔灌注桩施工过程中不漏浆、不漏浆、不塌孔，确保桩孔顺利钻进、成桩，满足承载能力要求，施工时应根据检测到的地质条件判断溶洞地层、溶洞大小、溶洞充填情况。高层建筑桩基溶洞形态比较复杂，施工中还存在一些问题，需要采取一些治理措施。

（1）在处理小型溶洞时，可以采用注浆的方法。经过成洞处理后，穿过小型岩溶洞穴。如果洞穴中没有砾石或干砂等填充材料，则需要先填充后再灌浆。

（2）在充填空洞时，可选择合适的孔位，将砂石通过钢套浇注。浇注后的干砂需要用加压风机进行处理。其他孔洞也可作为减压方式，使充填更稳定。填土满足施工要求后，应进行灌浆处理。

（3）对于一些溶槽、溶沟和小裂缝，在打孔时可以放入碎石和粘土，甚至可以放一整袋水泥堵住护壁，确保泥浆不流失，使钻孔顺利通过岩溶区。

1.5 溶洞桩基设计

考虑到高层建筑地基承载力较高且对沉降要求高的特点，一般需要采用桩基础方案，主要的桩基选型及桩基特点如下所述。

（1）预应力管桩。预制桩具有单桩承载力高、桩身强度大、价格经济、施工速度快、可提前预制等特点，是一种较为成熟的基础形式。但在溶洞地区易出现无法钻穿溶洞至稳定持力层的情况，因此，在溶洞发育地区不建议采用。

（2）钻孔灌注桩。该桩型适用于大部分的场地，不受地质条件的限制，且可做大直径桩，单桩承载力可根据建筑需求调整，在国内的高层建筑中被广泛采用。但灌注桩基础施工周期较长、单位长度造价高、施工质量难以控制且桩底沉渣厚度难以控制，对周边的环境亦有污染。

（3）人工挖孔灌注桩。该桩型较钻孔灌注桩而言施工质量较好，施工速度快且后期建筑物沉降控制较好。但对地下水较丰富的区域，需提前进行降水处理，但对于上部荷载较大或单桩承载力较高的项目而言，该桩型桩长受限，无法提供较高的单桩承载力；在溶洞发育且地下水位较高的区域，施工危险性较大，亦具有一定的困难，溶洞发育地区应谨慎采用。

（4）冲孔灌注桩。该桩型在钻孔灌注桩的基础上发展而来，类似于钻孔灌注桩，但冲孔灌注桩可有效穿透各类地层，且施工速度较快，成孔适应性强，可至稳定的桩端持力层，在溶洞发育地区适用性也较好。

本文以江苏师范大学科文学院校园网现状为背景,尽可能立足于实际应用,以校园网的主要性能指标及采用的主要网络技术作为研究切入点,以网络仿真工具OPNET Modeler为研究平台,对校园网进行仿真研究．通过增加新业务,仿真得到衡量网络性能的一些主要评价指标,如网络时延、应用响应时间、吞吐量、链路利用率等,然后对仿真结果进行分析,找出影响校园网性能的“瓶颈”.在此基础上,针对现有校园网的不足,提出科文学院校园网的升级改造方案,并利用OPNET Modeler对方案进行仿真评估,为校园网的升级改造提供较为客观、可靠的定量依据,以保证校园网建设中决策的正确性,降低校园网投资的风险．

由于溶洞地区地质条件复杂，溶洞发育较明显，应根据现场地质情况选择合适的桩型。

2 对比实验

通过本文上述研究，在引入有限差分软件的基础上，提出一种针对高层建筑桩基下溶洞的模拟方法，为了验证该方法的实际应用效果，选择以某高层建筑施工项目为依托，已知该工程项目所在区域为岩溶区域，其区域内的地质特征按照地质的新旧依次为：填土层、含沙粘性土层、含碎石粘性土层、微风化大理岩层。

各个土层的相关参数记录表如表2所示。

表2 高层建筑桩基施工区域内各土层相关参数记录表

在明确该高层建筑桩基施工项目所在区域的地质条件后，分别利用本文提出的基于有限差分软件的模拟方法和基于BIM 的模拟方法对该项目下方溶洞的力学特征进行模拟。为了方便论述，将本文模拟方法设置为实验组，将另一种方法设置为对照组。结合两种模拟方法得到的模拟结果，对溶洞上方高层建筑桩基施工时顶板厚度进行预测，为了确保实验的客观性，在预测时均采用相同的预测函数进行预测，计算公式如下：

公式（1）中， 表示为溶洞上方顶板厚度预测结果； 表示为拟合系数； 表示为通过拟合系数修正后的顶板厚度。上述公式中， 的计算公式为：

公式（3）中， 表示为模拟后得出的力学参数； 表示为溶洞形态系数。完成对 和 的计算后，将其带入到上述公式当中，对溶洞上方顶板的厚度预测结果进行求解，并将结果记录如表3。

表3 实验组与对照组模拟结果的顶板厚度预测结果

表3 中溶洞上方顶板厚度的最低限值为高层建筑桩基施工中顶板厚度最小值，一旦顶板厚度小于这一数值标准，则会造成承载力过低，成桩困难，同时还会影响高层建筑施工的安全。从表3中记录的数据可以看出，基于实验组模拟结果得出的预测结果均超过顶板厚度的最低限值，而基于对照组模拟结果得到的预测结果均未达到顶板厚度的最低标准。

因此，通过上述实验得出的结果能够证明，本文提出的基于有限差分的模拟方法在实际应用中可以实现对溶洞力学性能的高精度模拟，输出的模拟结果更符合实际，能够为高层建筑桩基施工方案的制定提供更重要的数据依据。

3 结语

概而言之，基于溶洞上方建设施工的难度和危险性，本文在引入有限差分的基础上提出了一种全新的溶洞模拟方法，并结合实验实现了对该模拟方法可行性的验证。在开展高层建筑桩基施工时，若遇到需要在岩溶区域上方完成施工的情况，则可应用本文模拟方法对溶洞的力学性能进行模拟，从而确保制定的施工方案更加合理，保障高层建筑施工整体安全。