基于离散单元法的下伏溶洞上方桩基承载力研究

2023-11-08孙文坚丁小彬任续锋

公路交通技术 2023年5期

孙文坚, 丁小彬, 任续锋

(1.中铁十六局集团路桥工程有限公司, 北京 101500; 2.华南理工大学土木与交通学院, 广州 510641)

我国岩溶地貌分布面积高达130万km2,在实际工程施工中,岩溶地质条件极易引发渗漏、坍塌和沉降等问题,严重影响建筑工程的安全性和可靠性。众多学者采用数值模拟方法对桩基承载机理进行了大量研究,已取得较多成果。

蔡建斯等[1]利用软件FLAC3D对深圳市某东部区域可溶岩区域进行了数值建模和分析,得出该区域可能发生岩溶地面塌陷灾害的条件,并提出合理的防治建议。黎斌等[2]使用三维有限元法对桩基下伏溶洞的顶板应力进行了合理的模拟计算,并通过使用多元线性回归方法得出了桩底至上方溶洞顶板距离的临界值、溶洞径长、形态与单桩设计荷载之间的关系。赵明华等[3]根据岩溶区嵌岩桩的工程施工特点,建立了符合桩基工程特点的岩溶区嵌岩桩的力学模型,对顶板安全厚度进行了研究,并结合湖南省潭邵高速公路建设,对公式的适用范围、注意事项、影响因素以及合理的安全系数的选取等进行了讨论。陈岳川[4]以广东北部的岩溶地区作为工程依据,利用有限元软件Abaqus对实际工程中的高层建筑结构复合地基进行了建模分析,得到了应力、沉降和桩土应力比等结果,并验证了模拟方法的有效性。周斌[5]通过使用有限差分法软件FLAC3D模拟桩基溶洞模型,同时按照塑性区、变形区、剪应变区3个不同的区域进行了分析,并得出在不同地质概化模式下桩基下伏岩溶顶板极限承载力,同时也探究了不同形态下的溶洞顶板破坏的情况与准则。雷金山等[6]使用Midas—GTS有限元分析软件对广州桂城—南桂路区间地铁建设的围岩三维动态施工过程进行了数值模拟研究并设置了相似模型试验,研究了不同位置和尺寸的溶洞对隧道围岩稳定性和对支护构建的影响。黄祥国等[7]以武汉市雄楚大街桩基施工项目为工程背景,使用Ansys软件构建模型,分别分析溶洞被贯穿、桩底被包含、桩与溶洞隔离等3种不同病害下,桩基的变形与受力情况。邓尚强[8]运用Plaxis2D软件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。

目前,对桩基溶洞进行建模分析时采用的三维数值模型普遍存在计算效率较低的问题,因此为了提高计算效率,多数研究通常建立二维模型对桩基溶洞进行分析。为了对下伏溶洞时的桩基承载力进行定量分析,基于PFC2D颗粒流软件,本文对桩基下伏溶洞进行数值模拟研究。通过对细观参数的校准,针对径长、顶板厚度、溶洞形态与溶洞偏桩位移这4种影响因素,分别建立不同几何模型进行承载机理分析,为工程设计提供参考。

1 工程概况

本模型试验中,选择某下伏溶洞的地层土质参数作为参考,地层分布自上向下分别为:杂填土(plain)、粉质粘土2(clay2)、粗砂(sand)、粉质粘土1(可细分为clay2与clay1两层)、灰岩(rock)。各地层的参数信息如表1所示。表1中,R表示颗粒间的相互作用力,E表示颗粒的弹性模量,φ表示颗粒的内摩擦角,c表示压缩性系数。

表1 溶洞地层信息

2 离散元模型试验

2.1 颗粒模型的选用

PFC2D是通过颗粒间的接触来模拟颗粒间的相互作用,分别采用线性接触模型、接触粘结模型以及平行接触粘结模型模拟砂土层、粘土层、岩层3种不同的土层状态。

2.2 细观参数的校准

2.2.1 砂土细观参数的校准

线性模型包括kN、kS和fric这3个微观参数。其中,kN、kS分别为颗粒的法向刚度与切向刚度;fric为颗粒的摩擦系数。

在完全侧限条件下,垂直方向的附加应力与对应的应变增量之比便是相应土层的压缩模量。因此,侧限压缩试验能够用来确定土样的压缩模量。同时为了模拟完全侧限的边界条件,将模型约束墙的刚度设置为颗粒刚度的10倍,根据式(1)可知:

E1-2=Δσ1-2/Δε

(1)

式中:Δσ1-2指的是垂直方向的附加应力增量,其范围为100 kPa到200 kPa;Δε是指应变增量。

经过大量试算,可得砂层sand校准的颗粒细观参数,如表2所示。表2中,Poro表示孔隙率。

表2 线性模型微观参数标定值

2.2.2 粘土细观参数的校准

接触粘结模型包括kN、kS、fric、g、cb_tensile和cb_shear这6个微观参数。其中,kN、kS分别为颗粒的法向刚度与切向刚度;fric为颗粒的摩擦系数;g为粘结控制间隙;cb_tensile为粘结抗拉度(应力)、cb_shear为粘结剪切度(应力)。对于接触粘结模型而言,即对所选土的土样先进行单轴压缩试验,通过改变岩层的ten(粘结抗拉强度)值与coh(粘结抗剪强度)值和fric(颗粒间摩擦系数)值,从而标定出符合要求的cb模型参数;再进行三轴压缩试验确定土层的c、φ值,粘土层plain、clay1、clay2校准的颗粒细观参数如表3所示。

表3 接触粘结模型微观参数标定值

2.2.3 岩层细观参数的校准

平行接触模型包括emod、pb_emod、kratio、pb_kratio、pb_ten、pb_coh、fric和gap这8个微观参数。其中,emod、pb_emod分别为颗粒的有效模量和粘结有效模量;kratio、pb_kratio分别为线性刚度比和粘结刚度比;pb_ten、pb_coh分别为粘结法向刚度和粘结切向刚度;fric为颗粒间摩擦系数;pb_rad为胶结半径系数。

对于PB模型进行微观参数标定时,对所选的岩样进行单轴压缩试验,通过该试验得到的抗压强度与宏观性质上的抗压强度相吻合,则可认为标定得到的参数是符合要求的微观参数。岩层rock校准的颗粒细观参数如表4所示。

表4 平行粘结模型微观参数标定值

2.3 PFC2D模型的建立

将桩基溶洞模型简化为二维箱体内桩基下压孔洞的模型,可采用二维PFC2D进行模拟,模型的尺寸为6 000 mm×3 000 mm,采用wall模型来代替桩基。设置5种不同颗粒的微观参数后,根据实际地层分层情况,分别赋予模型中相应地层颗粒不同的微观参数,自上向下生成7层颗粒,共生成模型颗粒54 293个,分层生成溶洞桩基模型,如图1所示。

图1 土层分层状况数值模型

2.4 溶洞破坏模型介绍

溶洞顶板的破坏类型受多方面的影响,破坏形式一般有3种模型,如图2所示。

(a) 冲切破坏模型

2.4.1 冲切破坏模型

在溶洞顶板上部较厚的情况下,溶洞顶板的破坏形式为冲切破坏,破坏体为锥体,如图2(a)所示。

2.4.2 剪切破坏模型

在溶洞顶板上部较薄的情况下,溶洞顶板的破坏形式主要为剪切破坏,破坏时的冲切体为圆柱体,此时溶洞顶板的极限承载力较小,工程的工况相对较差,如图2(b)所示。

2.4.3 拉弯破坏模型

在桩基下伏溶洞时,不仅可能会发生剪切或冲切破坏,还可能会发生弯曲破坏,弯曲破坏的主因是顶板的抗弯能力较差,当溶洞顶板岩体无裂缝或者岩体的胶结状况较好时,可认为岩层相对完整,便容易发生弯曲破坏,此时可将顶板视为两端固定的梁板模型进行估算,可简化为固支圆板模型薄板小挠度问题,如图2(c)所示。

3 结果分析

通过改变下伏溶洞的径长、顶板厚度、溶洞形态与溶洞偏桩位移(即溶洞竖轴和桩基竖轴之间的水平距离)这4种不同影响因素,探究桩基承载力的变化,结果分析如下。

3.1 溶洞径长对桩基承载力影响

为探究溶洞径长对桩基竖向承载力的影响,设溶洞顶板厚度H=2 m,桩基桩径d=1 m,分别设置不同的溶洞径长D与桩径d的比值(D/d=4、5、6、7、8)进行离散元模拟。从桩顶向桩体按恒定的速度施加承载力,得到桩基下沉100 mm时的微观破坏模型,如图3所示。微观颗粒破坏图中,颗粒稀疏出现空洞区域表示该区域颗粒受拉破坏或受剪破坏,颗粒致密的主体结构区域表示该区域颗粒正常粘结。

由图3可以看出,在桩基下沉100 mm时桩基的底部与溶洞的四周均出现颗粒的拉坏,而在桩基的底部也会出现部分颗粒剪坏。在相同桩基下沉位移时,随着溶洞径长的增大,颗粒受拉、受剪破坏的破坏带面积增大。溶洞的径长越大,桩基的位移相对较大,溶洞径长对桩基承载力的影响如图4所示。

从图4可以看出,在相同荷载情况下,桩基承载力随着溶洞径长的增大而降低。在D/d为4时,桩基的承载力为32 123 kN;当D/d从4提高到5时,桩基的承载力为31 085 kN,减少了3.23%;当D/d从5增加到6时,桩基的承载力为25 135 kN,减少了19.14%;当D/d从6增加到7时,桩基的承载力为20 251 kN,减少了19.43%;当D/d从7增加到8时,桩基的承载力为19 112 kN,减少了5.62%。

根据文献[9-14]中不同的模拟方式来计算桩基承载力,如表5、图5所示。由于不同的试验方法取用的岩石性质、桩径的大小不同,因而选取D/d=4时的桩基承载力数值为基准,通过不同D/d值时的桩基承载力与基准承载力时的比值来探究溶洞径长对桩基极限承载力的影响。由图5可知,通过PFC2D模拟得到的桩基承载力比值折线图与其他已有研究得到的比值折线图基本吻合,表明采用PFC2D颗粒流软件来进行桩基下伏溶洞承载力分析可靠。

图5 不同研究的承载力比值对比

表5 溶洞径长现有研究方法对比

3.2 顶板厚度对桩基承载力影响

在研究溶洞顶板厚度对桩基承载机理的模拟中,分别建立溶洞径长D=4 m、5 m和6 m,桩径d=1 m时的桩基模型(即D/d=4、5和6),在这3种情况下,分别设置下伏圆形溶洞顶板厚度H与桩径d之比为1、2、3时的溶洞。从桩顶向桩体按恒定的速度施加承载力,得到桩基下沉100 mm时的模型微观破坏模型,如图6所示。

(a) D/d=4、H/d=1时颗粒破坏(b) D/d=4、H/d=2时颗粒破坏(c) D/d=4、H/d=3时颗粒破坏(d) D/d=5、H/d=1时颗粒破坏(e) D/d=5、H/d=2时颗粒破坏(f) D/d=5、H/d=3时颗粒破坏(g)D/d=6、H/d=1时颗粒破坏(h)D/d=6、H/d=2时颗粒破坏(i)D/d=6、H/d=3时颗粒破坏

从图6可见,在桩基下沉100 mm时,桩基底部与溶洞四周均出现颗粒拉坏,在桩基底部也会出现部分颗粒剪坏;在顶板厚度小于1倍桩径时,桩基顶板的破坏带为矩形,而随着顶板厚度的增大,破坏带逐渐变为梯形。这表明在顶板厚度过小时,顶板的破坏形式为剪切破坏,而随着顶板厚度的增大,破坏形式由剪切破坏向冲切破坏转变。

顶板厚度对桩基承载力的影响如图7所示。从图7可以看出,增大溶洞顶板厚度可一定程度上提高桩基极限承载力。

图7 溶洞顶板厚度对桩基承载力的影响

3.3 溶洞形态对桩基承载力影响

为研究溶洞形态对桩基竖向承载力的影响,对顶板厚度H=2 m,桩径d=1 m的桩基分别设置下伏不同形态的椭圆形溶洞,溶洞洞宽m分别为4 m、6 m、8 m,洞高n分别为4 m、6 m、8 m。从桩顶向桩体按恒定的速度施加承载力,得到桩基下沉100 mm时的微观破坏模型,如图8所示。

(a) m/d=4、n/d=4时颗粒破坏(b) m/d=4、n/d=6时颗粒破坏(c) m/d=4、n/d=8时颗粒破坏(d) m/d=6、n/d=4时颗粒破坏

从图8可以看出,颗粒的破坏位置与溶洞的形态有关,溶洞长轴处的颗粒更容易被拉坏,形成连贯的破坏带,溶洞短轴处的颗粒相对更难拉坏,这主要与长轴处的颗粒更加容易发生应力集中有关。

溶洞形态对桩基承载力的影响如图9所示。从图9可以看出,在相同桩基荷载情况下,桩基承载力随着溶洞的洞高、洞宽的增大而降低,同时也能得到溶洞洞高对桩基承载力的影响小于溶洞洞宽,主要原因是洞宽的增大会增大顶板的跨度,从而更易降低桩基的极限承载力,而洞高的增大却对顶板的厚度基本无影响,所以对桩基承载力影响相对较小。

(a) 溶洞洞高对桩基承载力的影响

3.4 溶洞偏桩位移对桩基承载力影响

设桩径为1 m,对顶板厚度/桩径(H/d)=2,溶洞径长/桩径(D/d)=4、5、6,下伏溶洞的偏桩位移/桩径(B/d)=1～7时的溶洞进行模拟,得到桩基下沉100 mm时的微观破坏模型,如图10所示。从图10可以看出,有偏桩位移时溶洞周围颗粒破坏与无偏桩位移时不同,颗粒的拉坏范围更加集中于溶洞的顶部;而在偏桩位移较小时,桩基底部颗粒破坏带会朝着溶洞的方向发展;随着桩基偏桩位移的增加,溶洞的颗粒拉坏数量会减少,同时会发现桩基底部的颗粒破坏带并不再向溶洞底部发展;当B/d≥6时,桩基底部颗粒破坏带不再朝溶洞方向发展,溶洞存在对桩基承载力基本无影响。