岩溶地基加固前后超长桩基承载效果研究

李龙起 赵玉印 李学友

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059;2.中铁二局集团四公司,成都 610031;3.西南交通大学 土木工程学院,成都 610031)

岩溶是酸性水对可溶性岩石(如碳酸盐岩、石膏等)进行以化学溶蚀作用为主,流水冲蚀和崩塌等机械作用为辅所形成的独特地质现象.岩溶地质广泛分布于我国南方地区.随着我国基建事业的飞速发展,铁路、公路等交通设施在建设过程中不可避免地穿越岩溶发育区.特别是在上述地区修建高速铁路时,常采用桥梁跨越形式,地基中岩溶空洞的存在对桥梁基础的设计和施工提出巨大挑战.

目前国内外学者对岩溶区桩基承载特性开展了初步研究.MENETREY、赵明华等[1-2]研究了岩溶区桩基冲切破坏的几种典型破坏模式,并基于公式推导指出安全厚度一般取2～3 倍桩径较为合理.黎斌等[3]采用有限元数值分析探讨了桩基下伏溶洞顶板应力分布情况,给出了桩底距溶洞顶板安全距离为溶洞宽度的70%左右.除了探讨桩底的破坏模式和安全距离,部分学者还研究了单桩桩侧或桩底存在溶洞时桩基的受力和变形特性.但其关注点主要在侧摩阻力的折减及可能的冲切变形破坏模式,对于复杂情况下岩溶空洞桩基的工作情况并不深入.为此,部分学者尝试采用研究串珠状复杂岩溶空洞区桩基的工作性状.邓尚强[4]运用Plaxis2D 建立了单桩岩溶地基模型,分析了地基中存在串珠状溶洞时,单桩的受力变形性状及桩周岩土体的应力分布特征.李金良等[5]和黄明等[6]分析桩基下穿串珠状溶洞的荷载传递影响规律时,探讨了桩基与地基中串珠状溶洞的协同作用过程.上述工作拓展了岩溶区桩基的研究范围和深度.然而,其研究范围主要集中在较为简单的工况[7-10],尚存在以下问题有待解决:1)对于串珠状岩溶空洞区超长群桩的工作性能认识不足;2)缺乏不同加固方案对于桩基工作特性影响的评估.

本研究基于Plaxis3D 三维有限元数值方法建立了包含岩溶空洞的地层模型,进而对比分析溶洞加固前后桩基的沉降、受力等承载特性,并探讨了不同位置处桩基的桩身的轴力以及地基变形规律.研究成果可为今后岩溶区的桩基设计及加固提供技术参考.

1 工程概况

南玉铁路跨黎湛特大桥桥址位于兴业县东南侧,线路跨越国道324和黎湛铁路.桥址区附近地形属平坦残丘洼地,地面高程99～146 m,相对高差47 m.地层岩性自上而下分布如下:①人工填土(Q4ml6):厚约1～5 m,部分夹有碎石,含少量砂砾、圆砾土和建筑垃圾.稍密-中密,Ⅱ级普通土.②黏土(Q4al1):厚度2.6～3.2 m,呈褐黄色,颗粒成分以黏粒为主,土质较均匀,形态呈软塑-硬塑状,Ⅱ级普通土.③砂岩(D3lSs):厚度约22.6～24.3 m,呈黄褐色,泥质粉砂结构,薄厚层构造,硅质胶结,强风化,节理裂隙发育,岩芯呈角砾状.④灰岩(D3lLs):厚度90～130 m,呈青灰、灰白色,矿物成分以方解石为主,隐晶质结构,中厚层状构造,节理裂隙较发育,岩芯岩质坚硬,弱风化,滴盐酸剧烈起泡.前期地质勘探查明地面以下灰岩层中沿竖直方向串珠状溶洞较为发育,溶洞宽20～30 m,高4～12 m,形态近似呈矩形.各地层的物理力学指标根据室内试验获得,见表1.

表1 地层物理力学参数

地层断面如图1所示.

图1 地层剖面图(单位:m)

桩基采用长98 m、直径1.5 m 的C30钢筋混凝土钻孔灌注桩,桩间距3.4 m.承台长20 m,宽0.8 m,高3.5 m,平面布置如图2所示.

图2 桩基平面布置示意图(单位:mm)

2 有限元数值模拟

1)地基

地基采用15节点Gaussian高精度四面体单元进行离散,并对桩周地基网格进行局部加密处理,共使用8969个单元.该设置可灵活划分网格,同时在有限单元数量上保持较高的计算精度和可靠性.地基上覆土体和下部基岩分别采用摩尔-库仑、霍克-布朗模本构型.此外,在桩与土之间设置基于vermeer本构的接触单元模拟土-结相互作用,接触系数为0.53.在模型底面边界施加竖直和水平向位移约束,在地基两侧边界施加水平向约束.

现场勘察表明,地基中存在串珠状溶洞时往往分布较不规则[8],若以单个工点的具体溶洞分布作为分析对象,其研究成果往往难以指导其它工程.因此,现行的研究往往将溶洞简化为简单拓扑模型.本研究参照该经验将近似矩形溶洞简化为矩形,其基本尺寸为28 m×28 m×8 m(长×宽×高).地基中自上而下设置3个溶洞:1号溶洞主要探讨桩周地基中溶洞对其承载的影响,2号溶洞主要探讨桩端地基溶洞对其承载的影响,3号溶洞主要探讨桩端下卧地基溶洞对其承载的影响.

2)承台和桩基础

承台采用基于线弹性本构模型的实体单元.桩基采用embedded pile单元,该结构单元可考虑桩基横向间距,且建模简单,能以较小的计算成本考虑桩基的空间效应.承台和桩共采用3200个单元.承台及桩基的物理参数均为容重γ=25 k N/m3,弹性模量E=31.5 GPa,泊松比μ=0.18.

3)模型设置与加载工况

为对比分析溶洞加固前后桩基的承载性能,分别建立相应数值计算模型.模型尺寸为200 m×200 m×200 m(长×宽×高).溶洞工况见表2,其中工况1～3主要探讨溶洞高度不同对桩基承载的影响,工况4～8是基于工况2 开展的拓展研究,主要对比填充方案、填充材料不同对于桩基承载的影响.地层和桩基数值计算采用的物理力学参数基于表1,填充方案见表2,溶洞填充材料参数见表3.最终建立的数值模型如图3所示.

表2 溶洞基本状况

表3 溶洞填充材料物理力学参数

图3 数值模型示意图(单位:m)

为进一步探讨桩基的承载特性,在承台顶以单级荷载300 k N 的方式逐级施加静态均布荷载,加载等级为14级.

3 结果分析

3.1 加固前后桩基荷载-沉降特征

图4为不同加固工况下桩基荷载-沉降曲线.地基加固后桩基的承载力得到了显著提高,其中以全填充型地基中桩基承载力最为显著.未填充(工况1～3)和局部填充地基(工况4、5)中桩基荷载沉降曲线呈陡降型趋势,而全填充地基(工况6～8)中桩基荷载-沉降曲线呈缓变型,未出现显著的陡降段.对比工况1～3可知,随着岩溶空洞高度从4 m 依次增加到12 m,桩基的承载力从80 MN 逐渐减低至60 MN,其承载力降低了25%.其原因首先是溶洞高度增加使得桩侧约束减弱,进一步形成桩身悬空段的屈曲,其次是溶洞高度增加降低了桩侧的摩阻力.

图4 承台顶部荷载-沉降曲线

在相同的填充材料下,填充方案对桩基承载特性的影响较大.全填充的方案效果优于局部填充,填充条件受限的情况下,上部溶洞填充(方案4)效果略优于中部填充(方案5).在溶洞全填充的情况下,水泥砂浆和素混凝土的填充效果显著优于泥浆填充效果,以桩顶荷载160 MN 为例,前两者的沉降比后者降低10～14 mm.

3.2 加固前后桩身轴力分布特征

图5为上部荷载为40 MN 时不同溶洞高度状况下基桩轴力分布曲线.其中角桩指1号桩,中桩指3号桩.

图5 不同溶洞高度状况下基桩轴力分布

随着深度增大,桩身轴力逐渐减小,其中以下部岩层中的桩身轴力衰减最快,说明岩层提供的桩侧摩阻力较大.同时可知,对于无填充溶洞的地基而言,溶洞的高度对于桩身轴力的分布影响较大,一方面表现在溶洞附近轴力不变的区域增大,另一方面表现为中桩和角桩轴力差异的变化,尤其在1号溶洞区上方最为显著.值得注意的是1号溶洞上方存在一个显著的轴力增加区,该区域主要是由于溶洞上方岩体松动下沉对于桩基产生的附加应力引起.由图5可知,该区域的轴力随着溶洞高度的增加而增大,进而导致溶洞中工况3桩身轴力达到工况1桩身轴力的3倍左右.

桩顶附近的角桩轴力大于中桩轴力,说明角桩的承载力发挥先于中桩.然而随着深度的增加,存在一个临近深度,超出该深度时,中桩的轴力逐渐大于角桩的轴力.但总体说来,中桩轴力大于角桩轴力的区域相对较小,因此角桩仍是承载的主体.这与张文学等[8-10]的研究是一致的.

图6对比了上部荷载为40 MN 时,不同填充溶洞方案下的桩基轴力分布.对于3种工况而言,除工况4在1号、2号溶洞之间的角桩和中桩轴力略有差异之外,工况5和6在桩身下部轴力较为接近.这主要是由于工况4的2号溶洞并未采取填充从而导致上部岩体产生塑性变形进而对不同位置处桩体产生不均匀附加荷载.对于工况5而言,由于1号溶洞的存在,导致溶洞区附近的轴力分布形态与工况4和6显著不同.这种应力突然增大的情况有可能导致局部应力集中现象,进而对桩基的承载造成不利影响.说明在承载初期,相对于下部溶洞而言,上部溶洞的存在对桩体受力更为不利.同时可知,全填充(工况6)条件下桩身的轴力分布变化更为平顺,更有利于桩周地基中承载力的发挥.

图6 不同溶洞填充方案下基桩轴力分布

图7为上部荷载40 MN 时不同填充材料对于桩身轴力分布的影响.

图7 不同溶洞填充材料下基桩轴力分布

素混凝土加固方案(工况6)桩身轴力在浅层地基衰减最快,体现了下部岩溶加固强化了地基的稳定性,进而形成较为有利的应力分布,并给桩身提供较大侧摩阻力.水泥砂浆加固方案(工况7)中桩身轴力在浅层略大于素混凝土加固方案,但在地基深层处,桩身轴力与素混凝土加固时桩身轴力较为接近,说明采用这两种加固方案均有利于桩身的受力.从经济方面考虑,推荐采用素混凝土方案.与前两种方案相比,泥浆加固方案(工况8)在溶洞2号处的桩身轴力分布趋势与前两种方案不同,这主要是由于泥浆加固提供的侧摩阻力较小,且其变形模量较大,无法给桩身提供较多的阻抗所致.

3.3 加固前后地基应力及变形特征

溶洞的存在改变了地基中应力的分布形态,进而对桩基摩阻力产生较大影响.由此可知,认识加固前后地基中应力的分布形态较为重要,将其与对应的地基变形特征进行综合分析,可较好地揭示桩基的承载机理.为重点分析加固前后地基中的应力分布及对应的变形特征,选取工况2 和6 作为基础进行对比分析.

图8分别为不同加载条件下地基中应力及位移分布特征.

对于未加固地基而言,应力场总体呈现岩溶洞区和桩周应力集中的现象,体现在溶洞侧部的应力显著大于溶洞顶部和底部区域.溶洞顶部和底部的应力小于周围地区的应力,这主要是由于串珠状溶洞使得桩基传来的荷载在地基中进行非均匀的传递和扩散,并进而形成“应力拱”现象.“应力拱”区域的地基应力通过拱效应转移至周边区域,一方面造成了地基中应力增大,另一方面进一步促进了应力不均匀现象的发生.这种综合作用导致了未加固地基中桩基的承载特性较加固地基早出现非线性特征,进而出现破坏的可能性.与无加固地基相比,加固后地基中的应力分布较为连续,说明加固之后可以调动更大范围的岩土体承载桩基结构传来的荷载,因而受力更为合理.

对比分析加固前后的地基沉降云图可知,未加固地基中沉降云图在溶洞附近呈现圈封闭状态,位移等值线在3号溶洞周围两侧各自封闭.加固后地基中位移云图呈现梨状分布,等值线较为连续.这种位移等值线的连续与否反映了地基中变形的均匀性状况,并进而影响承台顶部的沉降数值.

4 结论

本文以南玉铁路沿线岩溶地基中超长桩基建设为工程原型,采用三维有限元软件对比分析了不同工况下桩基的工作特性和地基的沉降特点,得出如下主要结论:

1)无加固和部分加固岩溶地基中桩基荷载-沉降曲线呈陡降型,全加固地基中桩基荷载-沉降曲线呈缓变型.

2)岩溶空洞高度对于超长桩基承载力影响较大,随着高度从4 m 依次增加到12 m,超长桩基的承载力降低约25%.

3)相对于部分填充方案,采用素混凝土的全填充加固方案效果最优.如条件有限时,尽量加固上层溶洞,可在一定程度上降低超长桩基沉降.

4)串珠状溶洞较易在地基中形成应力拱效应,并进而影响超长桩基的受力.该效应加剧了地基中应力分布的不均匀性,并进而导致在溶洞周围出现位移等值线局部圈闭的现象.这种力学机制是导致溶洞未加固地基中超长桩基沉降大于加固地基超长桩基沉降的诱因.