串珠状溶洞区相邻桥墩差异沉降关键影响因素分析

罗海炼， 何生鹏， 田海涛， 夏子又

(1.中电建路桥集团有限公司， 北京 100048；2.西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都 610036)

0 引言

随着国内公路交通建设的快速发展，越来越多高速公路不可避免地穿过岩溶区域。在串珠状溶洞区，若桩侧溶洞较为发育、数量较多、几何尺寸存在差异，且不同区域下部桩基持力层埋置深度不同，则相邻桥墩下部桩长设计可能存在较大区别。桥墩施工成形后，上述因素容易引起相邻桥墩发生较大差异沉降，严重时甚至导致上部结构失稳[1]。

造成桥墩差异沉降的因素较为复杂，一些学者就其相关问题展开了研究。如张向东等[2-3]对近距离开挖基坑时既有桥梁相邻桥墩差异沉降相关影响因素开展了相关分析，明确了深基坑开挖引起桥墩位移的影响规律；邹波等[4-6]讨论了旧桥拓宽工程中新旧桥梁下部相邻桥墩差异沉降分布模式及沉降差异大小对上部结构受力影响程度，提出沉降差异新标准；冯玉林等[7-8]对于相邻桥墩不均匀沉降引起的桥位变形的安全性、平稳性进行分析，做出评估及处理。此外，复杂地质环境因素的作用也不可忽视。吴楠等[9-10]为探究软土地区下结构差异沉降发展特性，通过定期的沉降观测，明确软土地区桥墩差异沉降的发展规律；在岩溶分布地区，骆俊杰等[11]对岩溶区桩基设计的实例进行分析，阐述了岩溶发育各因素对桥梁桩基的影响，为岩溶地区城市桥梁桩基设计工作提供参考；黄俊杰等[12]考虑复杂岩溶地区地基承载特性，针对某既有线桥梁在上部荷载长期作用下桥墩产生沉降和倾斜的问题，分析进行加固处理后基础沉降量随桩长改变的规律；范明明等[13]等针对地基承载力不足引起的不均匀沉降问题，提出压桩、注浆加固等综合纠倾加固方法。但上述文献大多集中于设计阶段单桩基稳定性以及桥梁建成后纠倾加固措施研究，却忽略了单桩稳定性满足标准后上部相邻墩柱间差异沉降变形过大引起的危害。

本文考虑串珠状溶洞区域特殊地质条件，建立桩-土-溶洞一体化三维有限元模型，首先针对研究区域相邻桥墩下部桩侧溶洞大小、数量不一的特点，分析溶洞高度、宽度、数量对桩基沉降的影响规律，在此基础上进一步分析其对相邻桥墩差异沉降的影响；其次，针对相邻桥墩下部桩基设计参数差异的问题，重点分析桩长、桩径对桩基沉降量的影响，进而讨论其对相邻桥墩差异沉降的影响；最后，根据相关溶洞与桩基因素对相邻桥墩差异沉降影响结果进行分析，提出影响相邻桥墩差异沉降的关键因素，为串珠状溶洞区高速公路桥梁桩基设计与施工提供理论指导。

1 计算模型

1.1 工程概况

该公路工程位于广州地区，局部地段岩溶地质较为发育。沿线地质勘探结果表明，地表覆盖较厚，岩溶发育深度一般为 15.5～ 36.0 m不等，溶洞高度为2.0～ 8.0 m，宽度为2.0～ 9.0 m。岩层内部拥有丰富的季节性地下水补给，灰岩中发育一定规模的裂隙，为隐伏岩溶洞隙的发育创造良好条件，地下水沿着可溶岩的裂隙竖直渗透，形成大小、形状不一的孤立溶洞，同一竖直面上分布有1～3层溶洞。沿线地段桥梁下部桩基需穿透上覆软弱土层，嵌入持力岩层3～5倍桩径深度，如遇下部溶洞发育地区桩基需穿透溶洞，其长度一般设计为18.6～ 48.6 m，直径控制在1.2 m左右。

1.2 建立有限元模型

将研究区域土体视为均质、各向同性的弹塑性体，将桩基视为均质、各向同性的弹性体，且不存在破坏荷载。将岩溶内部充填物视为桩基沉降控制有利因素，因而分析时忽略其影响。根据规范[14]规定，相邻桥墩因不同沉降在纵断面上引起的附加折角不超过 2‰，应保证桥梁相邻桥墩差异沉降量控制在一定范围内，满足规范稳定性需求。为分析相邻桥墩差异沉降量，假设同一桥墩下群桩各桩基沉降量相同，不考虑群桩效应，用桩基沉降量表示桥墩沉降量。设一般地段(无溶洞区域)桥梁下部桥墩为桥墩A，同时设置溶洞区域桥墩为桥墩B，两者相邻，为桥墩B下部桩基设置不同工况计算其沉降量，相邻桥墩A、B间沉降差值为相邻桥墩差异沉降量。

建模时，桩顶荷载按上部7×25 m预制箱梁与桥面铺装自重均分至单个桥墩考虑。相邻桥墩沉降问题简化采用单桩沉降值进行分析，在此条件下对相邻桥墩差异沉降影响因素进行分析。桩基与土体影响范围为5～10倍的桩径，模型在桩端以下多取10 m岩层厚度。根据模型对称性的特点，为提高计算效率，选1/4模型进行模拟计算。ABAQUS软件提供了多种计算单元类型，本模型单元选用八节点线性减缩积分三维应力单元(C3D8)。模型进行单元网格划分时，为确保计算精度，对可能出现应力集中区域进行网格加密。模型边界条件定义为：土体外侧圆弧面设置法向约束，土体底部设置固定约束，土体与桩基径向切面施加固定约束，顶部为自由表面。

分析时，应根据不同研究工况，考虑溶洞数量、洞宽、洞高等条件进行建模，图1为考虑3个溶洞、6 m洞高、8 m洞宽的有限元分析模型。当溶洞数量少于3个时，溶洞数量依次从下往上减少。具体岩土层分布特征见图1。

图1 桩土作用模型

1.3 材料参数

有限元模型中，上覆黏土层采用摩尔-库伦模型进行模拟，并采用Drucker-Prager模型模拟桩周岩土，各岩土层及桩基材料参数如表1所示。

表1 材料力学参数模型名称弹性模量/MPa泊松比摩擦角/(°)膨胀角/(°)黏聚力/kPa上覆黏土110.3150.560桩周岩土20 0000.2543.64-桩基28 0000.2---

1.4 影响因素与分析工况

岩溶发育地区地质条件复杂，影响相邻桥墩差异沉降的因素众多。本文重点针对溶洞几何尺寸(高度、宽度、数量)与桩基设计尺寸(长度、直径)等影响因素进行分析，探明上述因素对相邻桥墩差异沉降的影响规律。桥墩A对应的桩基与溶洞相关计算参数如表2所示；根据研究区域的溶洞分布特征和桩基设计情况，不同计算工况下桥墩B对应的桩基及溶洞计算参数如表3所示。

表2 桥墩A下桩基及溶洞计算参数溶洞高度/m溶洞宽度/m溶洞数量/个桩基长度/m桩基直径/m68020.41.2

表3 桥墩B下桩基及溶洞计算工况工况溶洞高度/m溶洞宽度/m溶洞数量/个桩基长度/m桩基直径/m12、4、6、88147.41.2262、4、6、8147.41.23680、1、2、347.41.2468020.4、29.4、38.4、47.41.2568347.41.2、1.4、1.6、1.8

2 计算结果与分析

利用建立的有限元模型进行仿真计算，可得桥墩A沉降量为28.96 mm，同时计算不同工况下桥墩B的沉降量，其对应的沉降量差值即为相邻桥墩A、B间差异沉降量。

2.1 溶洞高度

研究溶洞高度对桥梁相邻桥墩差异沉降影响时，桥墩B下桩基及溶洞参数按表3工况1设置，溶洞高度考虑2、4、6、8 m 4种情况。

计算结果如图2所示，桥墩B沉降量随溶洞高度增加呈线性增大趋势。溶洞高度由2 m升至8m，由于桩周土体支撑作用减弱，桩基沉降加剧，桥墩B沉降量由55.10 mm增至57.39 mm，变化量为2.29 mm。其与相邻桥墩A间差异沉降值为26.14～28.43 mm，可见溶洞高度对相邻桥墩差异沉降存在一定影响。

图2 溶洞高度对相邻桥墩差异沉降影响

2.2 溶洞宽度

分析溶洞宽度对于桥梁相邻桥墩差异沉降影响时，桥墩B下桩基及溶洞计算参数根据表3工况2设置，溶洞宽度按2、4、6、8 m 4种情况考虑。

计算结果如图3所示，溶洞宽度由2 m增至8 m，桥墩B沉降量从56.49 mm增至56.67 mm，沉降变化量为0.18 mm，相邻桥墩差异沉降量由27.53 mm增至27.71 mm。随溶洞宽度增大，虽然两侧土体自身稳定性受到影响，土体下沉，桩周摩阻力降低，但桩基与周围土体间接触面积不变，对于相邻桥墩差异沉降影响较小。

图3 溶洞宽度对相邻桥墩差异沉降影响

2.3 溶洞数量

分析溶洞数量对于桥梁相邻桥墩差异沉降影响时，桥墩B下桩基及溶洞计算参数根据表3工况3设，置溶洞数量按0、1、2、3个4种情况考虑。

由图4数据可知，随着溶洞数量由0增加到3个，桥墩B沉降量由54.38 mm升至58.82 mm，沉降增大量为4.44 mm，增大趋势渐缓，与相邻桥墩A间差异沉降量从25.42 mm增至29.86 mm。随溶洞数量增加，桩周土体减少，桩侧摩阻力降低，侧向土体支撑作用减小，可见溶洞数量对于相邻桥墩差异沉降有一定影响。

图4 溶洞数量对相邻桥墩差异沉降影响

2.4 桩基长度

因溶洞分布差异相邻桥墩下桩长设计不同，就桩长单因素进行分析，避免其余因素影响，取无溶洞环境进行模拟，分析桩长变化下相邻桥墩差异沉降变化，桥墩B下桩基及溶洞计算参数按照表3工况4设置，桩长分别取20.4、29.4、38.4、47.4 m 4种情况。

计算结果如图5所示，桩长由20.4 m增至47.4 m，相应桥墩B沉降量由28.96 mm升至54.38 mm，与相邻桥墩A间差异沉降量由0 mm升至25.42 mm。随桩长增加，桩基承载能力增强，但在上部荷载作用下桩基自身压缩变形量随长度增加而增大，相邻桥墩差异沉降量增大，桩基长度变化对相邻桥墩差异沉降有较大影响。

图5 桩基长度对相邻桥墩差异沉降影响

2.5 桩基直径

分析桩径对于相邻桥墩差异沉降影响，桥墩B下桩基及溶洞计算参数如表3工况5设置，取直径为1.2、1.4、1.6、1.8 m 4种情况进行分析。

分析结果如图6所示，桩直由1.2 m增至1.8m，桥墩B沉降量由58.82 mm降至32.77mm，变化量为26.05 mm，与相邻桥墩A间差异沉降量由28.11 m降低至2.06 mm。随桩径增大，受力面积增加，在相同大小压力作用下，桩顶压强减小，桩基压缩变形量减小，增大桩径可有效降低相邻桥墩差异沉降。

图6 桩基直径对相邻桥墩差异沉降影响

3 结论

1)通过对比溶洞高度、溶洞宽度、溶洞数量等溶洞特性参数对相邻桥墩差异沉降量的影响，溶洞数量较其它因素影响更为显著；但溶洞数量由0增至3时，其最大变化量仅为4.44 mm，因而溶洞特性参数对相邻桥墩差异沉降的影响不大。

2)当两相邻桥墩中一桥墩下部桩长为20.4m，而另一桥墩下部桩长由20.4 m增至47.4 m，即增长27 m时，相邻桥墩差异沉降量增大25.42 mm，而当桩径由1.2 m增至1.8 m时相邻桥墩差异沉降最大变化26.05 mm。与溶洞几何特性相比，相邻桥墩差异沉降量受桩基相关设计参数影响更大。

3)处于串珠状溶洞区域的高速公路桥梁，其相邻桥墩易因溶洞分布不均匀导致下部桩长设计不同引起较大差异沉降；当此差异沉降量超过限度，可通过增大桩径减小相邻桥墩差异沉降，以维护桥梁结构稳定与安全。