岩溶地区超长桩基的竖向承载特性

李学友

中铁二局第四工程有限公司， 成都 610031

溶洞大幅度降低了地基的整体强度和稳定性，给铁路基础工程设计和施工带来较大难度。为确保铁路工程的安全，设计中偏向于采用超长桩基来解决岩溶地基中通行问题。近年来，国内外学者对岩溶地区桩基工作特性开展了一系列研究。黄祥国等［1］通过数值模拟分析了几种不同溶洞病害下竖直单桩的变形与受力情况，并对填充溶洞前后桩基的变形进行对比分析。张慧乐等［2］基于室内模型试验，对岩溶区嵌岩桩承载能力的影响因素进行了研究，在考虑岩溶区基桩嵌岩段岩层与顶板整体承载效应及溶洞形状对桩端极限承载力影响的基础上，分析了岩溶区嵌岩桩桩端极限破坏模式。赵明华等［3］通过建立极坐标系得出溶洞区嵌岩桩发生冲切破坏、冒顶破坏的限定条件和极限承载力计算公式。龚成中等［4］对岩溶地区桩基承载特性进行了分析，提出岩溶地区桩基承载力确定方法。刘金砺等［5-6］通过大型群桩试验，研究了不同竖向荷载下群桩效应、桩基沉降等工作性状。值得注意的是，既有文献多基于单桩和室内群桩模型试验开展研究，对于岩溶地区超长群桩的承载特性认识尚有不足，复杂岩溶地基中桩基工作特性与无岩溶时的区别还不明确。

本文以南玉铁路跨黎湛特大桥为背景，开展岩溶地区超长群桩基础承载特性研究。根据工程实际场地条件，采用有限元软件PLAXIS 2D建立数值计算模型，对比分析有无岩溶条件下地基中超长群桩荷载传递性状及桩基受力差异，所得结果可为类似桩基工程建设提供理论依据。

1 现场条件

桥址区位于广西壮族自治区兴业县东南侧，主要跨越324号国道（DK161 + 828）和黎湛铁路（DK162 +103）。高架桥桥位区溶洞较发育，沿垂直节理裂隙分布有串珠状中小型溶洞。桥址区属残丘洼地，较为平坦，地面高程9 ~ 26 m，相对高差47 m。地层主要为泥盆系榴江组砂岩、灰岩，在地表覆盖有较厚的第四系堆积物。地层岩性主要特征自上而下描述如下：①人工填土，主要分布于国道、简易通乡水泥路和土路的路基，厚1 ~ 5 m，含少量砂砾、圆砾土和建筑垃圾，稍湿，稍密 ~ 中密；②黏土，主要分布于地表，厚2.6 ~3.2 m，褐黄色为主，土质较均匀，软塑 ~ 硬塑，软塑；③砂岩，厚22.6 ~ 24.3 m，黄褐色为主，泥质粉砂结构，薄厚层状构造，硅质胶结，强风化，节理裂隙发育，岩芯呈角砾状，全风化；④灰岩，青灰色、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，岩芯多呈柱状，滴盐酸剧烈起泡，岩质坚硬，弱风化。场地地层分布见图1，岩土层物理力学性能指标见表1。

表1 岩土层物理力学性能指标

图1 地质剖面（单位：m）

桩基采用桩长106 m、桩径1.5 m的C30钢筋混凝土桩，桩间距3.36 m，施工工艺选用旋挖桩配合泥浆护壁。承台采用C35混凝土，尺寸为20 m（长） × 0.8 m（宽） × 3.5 m（高）。平面布置见图2。

图2 桩基平面布置（单位：cm）

为分析施工过程中桩基工作特性，承台施工完成后在其边缘设置沉降监测点，在桥梁墩台和上部结构施工过程中进行沉降追踪监测。

2 有限元模拟

2.1 模型建立及计算参数

地基采用15节点高精度三角形单元进行离散，考虑到桩周岩土体的受力需要进行精细化模拟，因此对桩周地基网格进行局部加密处理。计算过程中地基岩土体本构模型采用摩尔-库伦模型，其基本力学参数取值同表1。承台、桩与土之间的接触采用界面单元模拟，在每个界面均设置一个“虚拟厚度”，用来定义界面材料性质的假想尺寸，虚拟厚度因子默认值为0.1。在地基底面边界，限制其竖直和水平方向位移；在土体两侧边界，限制其水平方向位移。

取承台侧部投影①—⑥号桩建立模型。钢筋混凝土承台采用基于线弹性本构模型的实体单元模拟，桩身采用软件自带结构单元embedded pile模拟。承台及桩身混凝土物理力学参数取值见表2。

表2 承台及桩身混凝土物理力学参数

2.2 模型设置与加载工况

为对比分析有无溶洞地基中桩基的承载性能，分别建立相应的数值计算模型，见图3。模型水平方向尺寸为106 m，竖直方向取桩长的两倍，为212 m；模型溶洞形态按照现场实际情况设置。桩、承台结构与土体之间的相互作用通过界面强度折减因子Rinter模拟，将模拟结果与文献［7］对照，不断调整参数，反演得到摩擦因数为0.53。

图3 数值模型

地基模型在自重加载情况下生成初始地应力，对于有岩溶地基先将岩溶空腔部分的单元去除，然后对整个地基位移进行清零。为获得桩基在不同荷载情况下的工作特性，在承台顶分14级逐级施加静态均布荷载，单级荷载为500 kN。尽管该桩基设计荷载为3 500 kN，为深入探索桩基承载特性，本次加载最终荷载选择较大值7 000 kN。

2.3 计算结果与现场监测数据对比

为验证数值模拟参数取值的合理性，同时为桩基极限承载数值研究提供技术依据，提取桥墩施工不同阶段及架梁完成时沉降监测数据，将数值计算结果与监测值进行对比，见表3。可知，数值计算结果与现场监测结果较吻合，误差为0.08 ~ 0.4 mm，表明数值计算结果能较好反映现场桩基沉降及其变化趋势。

表3 施工过程中承台顶沉降

3 桩基承载特性分析

3.1 承台顶及桩沉降特征

承台顶荷载-沉降曲线见图4。可知：加载初期，桩顶部荷载-沉降近似呈线性“缓变型”关系，未出现显著的陡降点，这与软土中桩基的工作特性较为接近［8］。在相同荷载情况下，有溶洞地基承台顶沉降大于无溶洞地基。当加载到一定程度后，该曲线开始呈现非线性特征。无溶洞地基拐点为5 500 kN，有溶洞地基拐点为4 500 kN，后者比前者较早呈现非线性工作特征。若将荷载-沉降曲线非线性拐点处荷载作为容许承载力，则溶洞的存在使得桩基容许承载力降低了22.2%。

图4 承台顶荷载-沉降曲线

为进一步分析各基桩工作特性，提取荷载4 500、7 000 kN时两种地基中角桩（桩①）和中桩（桩③）桩顶、桩端处沉降数值（表4），在相同荷载下中桩桩顶沉降略小于角桩，有溶洞地基中桩身压缩量大于无溶洞地基。以桩顶荷载7 000 kN时角桩为例，无溶洞地基桩顶沉降4.84 mm，桩端处沉降4.58 mm，得出桩身压缩量为0.26 mm；有溶洞地基桩顶沉降6.72 mm，桩端沉降6.33 mm，得出桩身压缩量0.39 mm。表明当地基中存在缺陷时，桩身自身的压缩量将增大，工程设计时可适当提高桩身刚度。

表4 各基桩沉降

3.2 桩身轴力沿深度方向变化特征

超长桩基桩身轴力随深度变化曲线见图5。可知：随着荷载增大，各桩桩身轴力均呈现增长趋势，且角桩轴力（1号桩） > 边桩轴力（2号桩） > 中桩轴力（3号桩）。同时，在表层人工填土和黏土地层中，桩身轴力略有增加，这主要是由于表层土体在受力作用下产生比桩体更大的变形，从而给桩体施加了向下的附加应力。

图5 桩身轴力随深度变化曲线

对于无溶洞地基，随着深度增大桩身轴力逐渐减小。减小区段主要分为两段：第一段位于强风化砂岩层内，其减小幅度略小，主要是由于砂岩处于强风化状态，其桩侧摩阻力相对完整基岩较弱；第二段位于弱风化灰岩层中，该区段桩身轴力衰减幅度较大，表明该地基中灰岩对桩基提供主要承载力。灰岩区段桩身轴力随深度呈现典型的“碗弧状”分布，整个基桩表现出端承摩擦桩性状。

与无溶洞地基不同，有溶洞地基中桩身轴力呈现复杂的变化趋势，较典型现象是桩身轴力在溶洞区段出现局部增大，相同荷载下其桩底轴力约为无溶洞地基中桩底轴力的2倍，这主要是由于溶洞区域对于桩基提供的桩侧摩阻力相对有限，其承载需要桩端地基提供足够的端阻力。同时，桩体自身重力作用使得桩身轴力在溶洞悬空段出现增加。

3.3 桩侧摩阻力分布特征

桩侧摩阻力分布曲线见图6。可知：无溶洞地基中桩基左右两侧的摩阻力相差较小，中桩两侧的摩阻力基本吻合，边桩左侧摩阻力略大于右侧摩阻力，这主要是由于边桩左侧位于外侧，桩土之间位移相对桩右侧略大，能够调动更多的桩侧摩阻力抵抗上部荷载。与无溶洞地基相比，有溶洞地基中角桩和边桩的两侧侧摩阻力均不相同，角桩（1号桩）桩身上部侧摩阻力的变化幅度大于中桩（3号桩），而在桩端附近则呈现相反的规律，但其区域较小。此外，无溶洞地基中基桩桩侧仅在近地表附近出现小幅度的桩侧负摩阻力，负摩阻力最大值仅为-26 kPa，而有溶洞地基中负摩阻力最大值出现在地面以下25 m左右，其值为-80 kPa，后者是前者的3.08倍，且后者出现桩侧负摩阻力的区域要大于前者。

图6 有无溶洞地基中桩侧摩阻力分布曲线

无溶洞地基中中性点位于地面以下18 m左右，而有溶洞地基中性点比无岩溶地基中性点低2 m，且有溶洞地基中出现较大区段摩阻力为0的区域。尽管灰岩地基相对于软土地基能够提供更多的侧向约束和端部承载力，然而并非将桩端放在基岩上即可确保足够的安全性。当地基中存在溶洞时需要对溶洞进行特殊处理，以保证桩侧摩阻力的充分发挥和合理分布。

3.4 桩弯矩分布特征

角桩（1号桩）和中桩（3号桩）桩身弯矩分布见图7。可知：无溶洞地基中桩身弯矩较小，而有溶洞地基中桩身某些深度处出现了较大的弯矩值，其位置基本与溶洞分布位置一致。同时，角桩桩身弯矩比中桩略大，这主要是由于角桩附近的约束作用没有中桩附近大，中桩附近由于岩体的嵌固作用和周边桩体的约束作用，其桩周应力不均匀现象得到改善，因而呈现出略小的弯矩值。对于有溶洞地基，桩身弯矩最大值在边桩位于地面以下25 m左右，其值为63 kN·m，其后随着深度增加桩身弯矩逐渐减小，当深度达到地面以下85 m左右时弯矩为9.6 kN·m，表明浅层溶洞对于桩身弯矩影响较大，在工程设计中可据此优化桩基的配筋设计。

图7 有无溶洞桩身弯矩分布

3.5 地基变形形态与应力特征

地基变形分布与应力状态见图8、图9。可知：①当存在溶洞时，地基中应力的分布不均匀性增大，特别是存在串珠状溶洞时，不同溶洞之间应力分布更为复杂，直接影响到地基中桩基周围的应力分布，进而对桩基摩阻力产生影响。当桩顶荷载从4 500 kN增大到5 500 kN时，虽然地基中应力总数值没有增大，但是溶洞周围的应力增大，并且其不均匀性也随之增大。②当桩顶施加荷载时，地基中变形最大位置始终位于承台下部。有溶洞地基中位移较大区域的面积大于无溶洞地基，且前者是后者的1.6倍左右。当无溶洞时，地基中位移呈对称分布，其等值线呈盆状；当有溶洞时，地基中位移等值线在溶洞周围局部弯折。由于本研究中地基中溶洞分布并不对称，因此地基中溶洞附近变形和应力分布也不对称，这将加剧桩身轴力分布的不均匀性。③随着承台顶部荷载的施加，桩基向下部地基中进行应力的传递和扩散，并在溶洞之间形成较为明显的应力集中现象。这种现象一方面使得地基的沉降增大，另一方面使得溶洞周围的变形呈现不规则形状。

图8 无溶洞地基应力和位移分布（应力单位：Pa；位移单位：mm）

图9 有溶洞地基应力和位移分布（应力单位：Pa；位移单位：mm）

4 结论

1）岩溶发育时桩基的容许承载力比无溶洞地基中桩基削弱了22.2%。溶洞的存在一定程度上减弱了地基的刚度，同时造成了复杂的应力重分布现象。

2）有溶洞发育地基中桩身轴力除出现局部增大现象外，相同荷载下其桩底轴力约是无溶洞地基中桩底轴力的2倍，表明有溶洞地基为桩基提供的桩侧摩阻力相对有限，需桩端地基提供足够的端阻力。

3）当桩身穿过多个串珠状溶洞时，由于溶洞发育区没有地基约束，侧摩阻力为0，弯矩出现较大波动，局部呈现往复型曲线，且最外侧基桩弯矩最大，易发生破坏，必要时应对溶洞进行处理。

4）无溶洞时，地基中位移呈对称分布，其等值线呈盆状；有溶洞时，地基中位移等值线在溶洞周围局部弯折，这将加剧桩身轴力分布的不均匀性，进而可能导致桩基局部失效。