喀斯特地区溶洞特性对桩基承载力的影响

　　摘要：目前，岩溶地基中的应力分析一般都基于弹性理论。对于建筑物荷载分布不均一、岩体结构与性质差别较大的岩溶地基，可以利用有限单元分析岩体中的应力。本文就是采用有限单元的方法，着重讨论了岩溶地区桩基承载力的主要影响因素，包括溶洞体积的大小、顶板厚度以及岩性对桩基承载力的影响。分析结果表明：在主要影响因素中，溶洞高度大小对顶板稳定性影响较小，溶洞顶板跨度、顶板厚度影响较大。而围岩的性质最为明显。
　　关键词：溶洞特性；有限单元分析；极限承载力；岩溶桩基
　　岩溶又名喀斯特，是在以碳酸盐类为主的可溶性岩石分布地区，由于水，其中特别是地下水，对岩石以溶蚀为主的作用所形成的诸现象的综合。贵州属于典型的岩溶地区。随着国家对西部政策的倾斜，有越来越多的工程兴建在岩溶地区，由于岩溶的存在，就不可避免的存在溶洞和桩基承载力的问题。利用有限单元元分析的方法，对岩溶地区影响桩基承载力大小的因素进行分析，为工程实践提供科学有效的数据。
　　1数值模拟试验介绍
　　1．1分析方法及假设条件
　　岩溶地区桩基设计一般采用嵌岩桩基，以利用岩体的较高强度提高桩的承载水平，减少桩的沉降。表1为不同类型岩石的承载力参考值：
　　

　　由于物理力学性质有较大差别的岩石以及溶洞的存在，使得这种嵌岩桩之间，都有着自身的特点，所以在对单根桩的特性进行分析时，宜尽可能地多考虑一些因素。
　　影响岩溶地区嵌岩桩基承载特性的因素主要有：施工方法、岩石物理力学性能、桩身几何特性、时间因素等。在日常分析中，不可能对所有影响因素都进行分析，只能针对实际情况对计算模型进行简化，通过假设得到一般性结果。
　　进行的基本假设为：
　　（1）溶洞在自然状态下物理力学性质是稳定的；
　　（2）溶洞周围岩体为均匀的，各向材料性质相同；
　　（3）溶洞内按空洞进行分析，忽略洞内物质影响，不考虑溶蚀等化学效应；
　　（4）桩端载荷假设是静力荷载；
　　1．2计算模型的确定
　　不考虑桩侧桩与土和岩石之间的摩擦阻力，将桩作为嵌岩桩进行分析。考虑承载力最大情况，即桩顶荷载全部传递至桩端，且溶洞正好位于桩端的正下方。为了分析的结果不失一般性，根据分析问题的特点采用轴对称模型。
　

模型剖面图

　　将溶洞简化为位于桩底正下方的圆柱形溶洞，模型边界条件为：底部采用位移边界条件，即水平和垂直方向的位移均约束；侧面水平方向位移约束。采用8节点四边形等参单元，进行非线性静力分析。
　　1．3荷载及边界条件
　　模型边界条件按如下设置：不考虑上覆土层的影响，将岩体上表面取自由边界；下表面取固定位移边界，即x、y、二方向位移固定，左侧岩体边界面为对称边界，施加对称位移约束，即只有竖向位移y，水平位移x固定；右侧边界考虑位置较远处位移可以忽略，亦分别取x,y方向位移固定。
　　1．4围岩特性
　　为了使得分析结果更具有代表性，采用三种典型的岩体参数，分别代表非常坚硬岩体、中等强度岩体和软岩岩体。
　

溶洞围岩岩体材料的特性参数表

　　1．5桩的极限承载力的确定
　　由于当地基下存在溶洞时，岩体屈服破坏形式不仅与岩土性质、孔洞尺寸有关，而且与溶洞相对位置等都有关系。对于埋深较浅的溶洞，塑性区将扩展到溶洞顶板从而导致孔洞的坍塌破坏，因此这里通过塑性扩展区到达溶洞顶部时对应的桩端荷载为极限荷载；而对于埋深较大的溶洞，塑性区是否到达溶洞的顶部，还取决于孔洞的尺寸、深度以及岩性等，需综合考虑各种因素，我们不参与讨论。
　　2数值模拟结果及其分析
　　2．1溶洞高度对桩极限承载力的影响
　　这里首先讨论溶洞的高度对桩的极限承载力的影响。分析假定围岩的岩性参数、溶洞跨度不变，溶洞高度发生改变时，桩的极限承载力的变化规律。
　　计算时溶洞的计算跨度L取为4D(D为桩径，D=1.2m)，即为4．8m，溶洞高度分别取为0.5D、1D、1.5D、2D、2.5D及3D，围岩取软岩分析。根据以上方法，确定在不同溶洞高度条件下，桩的极限承载力结果见下表：
　　

不同溶洞高度条件下，桩的极限承载力

　　可以得到在此种条件下桩的极限承载力与溶洞高度的关系曲线。(见图2)

桩的极限承载力与溶洞高度的关系曲线
　　数据表明，条件一定时，当溶洞的高度从0.5D增加到3D时，桩基的极限承载力从1.8Mpa下降至1.757Mpa，桩基的极限承载力只有少许下降，如果取桩的极限承载力为1．8Mpa，则溶洞高度在0．5D—3．0D内变化时，桩的极限承载力的误差控制在在2.4％。可以得出结论，溶洞高度对桩基的极限承载力结果影响不大。因此在下面的分析中，溶洞高度均取1D来讨论，这样能减少计算分析的工作量，而且所得的结论对于各种不同的溶洞高度的误差也不会明显。
　　2．2溶洞顶板跨度对于桩的极限承载力的影响
　　当溶洞顶板厚度一定时，溶洞的高度对桩的极限承载力结果影响不大，但溶洞的跨度对桩的极限承载力的影响却非常大。分析时溶洞高度均取1D，溶洞顶板厚度的变化幅度在已有的经验值范围内考虑，取H=5m的情况分析。溶洞跨度分别取1D—5D，中等强度围岩情况下计算结果见下表3所示：
　　

不同溶洞跨度下，桩的极限承载力

　　
　　可以得到在此种条件下桩的极限承载力与溶洞高度的关系曲线。(见图3)

桩的极限承载力与溶洞高度的关系曲线
　　计算数据表明：当溶洞顶板厚度不变时，当溶洞的跨度从1D增加到5D时，桩基的极限承载力从28.7Mpa下降至21.1Mpa，桩基的极限承载力下降明显，如果取桩的极限承载力为28Mpa，则溶洞跨度在1D—5D内变化时，桩的极限承载力下降了27.1％。所以桩基的极限承载力将总是随着溶洞跨度的增加而减小。
　　2．3溶洞顶板厚度对于极限承载力的影响
　　图4为中等强度岩性条件下地基极限承载力与溶洞顶板厚度的关系曲线

中等强度岩性条件下地基极限承载力与溶洞顶板厚度的关系曲线
　　很明显，对于溶洞跨度与高度一定的条件下，随着溶洞顶板厚度的增加，地基的极限承载力也越来越大。
　　2．4岩性对于极限承载力的影响
　　目前主要依据地质强度指数，来估算在不同地质条件下的岩体极限承载力。地质强度越高，表示岩体极限承载力越高，通常当岩体强度指数大于25时，岩体的质量较好。见图5：

桩的极限承载力与溶洞高度关系曲线
　　当顶板厚度一定时，对于以上所述的三类岩体，即坚硬岩体、中等强度岩体和软岩岩体，它们的地质强度指数分别为75、50和30。从上图可以看出：地基极限承载力是随着地质强度的增大而急剧增加。
　　按照上述方法，当溶洞顶板跨度一定时，同样当地质强度指数从30增大到75时，地基极限承载力也得到了较大的增长。
　　3结论
　　由于岩溶地区桩的极限承载力影响因素众多，为计算准确，在计算中应当尽可能考虑各种因素对于桩的极限承载力的影响。在众多的影响因素中，我们着重分析了围岩特性以及溶洞的高度、跨度、顶板厚度的影响。首先针对一种围岩，分析在一定跨度和顶板厚度条件下，溶洞高度对桩的极限承载力的影响，然后选定溶洞某一特征值，分析其它因素的影响，数值模拟表明：
　　1．在岩溶地区，溶洞高度对桩的极限承载力影响较小，因此尽管溶洞实际高度各有不同，但其影响不大，这为以后进一步的计算提供了方便。
　　2．而溶洞顶板跨度、厚度对极限承载力影响较大。
　　3．在主要影响因素中，围岩强度对桩基极限承载力的影响最为明显，岩体强度越高，极限承载力就越大。
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