岩溶顶板与桩基作用机理稳定性分析及研究

陈小科

（中铁二十一局集团有限公司，重庆 402160）

0 引言

我国地势地形呈现多样化，其中不乏存在一些特殊的地貌，岩溶地貌就是分布于我国各地的可溶性岩石地区的一种特殊地貌，由于这种地貌条件的特殊性，致使相当多的隐患由此而生，若直接进行基础面修建会导致各种质量及安全隐患的出现，洞穴顶板塌陷便是其中一种，致使修筑在其上部的铁路建筑物沉降；岩溶地区季节性冒水，渗入地基基础引起地基沉降、翻浆或管涌；突发性地下涌水，冲毁铁路建筑物；落水洞、竖井、漏斗、溶洞、溶蚀洼地和暗河会让选线不当导致严重的后果；当岩溶水开采区上覆土层厚度小于30m，则产生岩溶性沉降的几率更大。加上溶洞不稳定，容易出现坍塌，但是坍塌位置不确定，桩孔涌水、桩孔坍塌均会造成非常大危害。所以，为确保岩溶体上访修建的建筑基础及整体结构质量，在施工建设期间有必要针对溶洞实施全面性的分析与处理，了解其构造特征及其对建筑物产生的危害等，以做好准备，避免损失。另外，为了保证各种构筑物的安全性，我们要具体分析桩体的承载力。

所以近些年在我国许多学者与科研人员的共同努力下，针对溶洞顶板的研究分析已经取得了可喜的成就，部分标准只是按照基础之下的土体厚度来评价地基结构，并不具备较高的科学性，所以刘之葵[1]考虑了多方面因素提出了适合确定桂林岩溶区地基承载力的方法。何春林[2]采用有限元分析方法，假设桩端承受全部力，且正位于溶洞正上方，则可以用圆柱体洞穴来代替溶洞，圆柱体直径为D。王华牢[3]利用有限元数值模拟等方式，针对嵌岩桩纵向承载力的影响因素，以及桩基几何形状等展开研究，主要分析多种条件和环境下，不同工况针对桩基总想承载力的影响效果，从而提出了岩溶区需要考虑的有关系数。以工程实例为背景，王中文[4]采用有限元软件Plaxis3D,对钻孔灌注桩孔壁稳定性的影响因素进行分析，并取得成果。结合工程实例，姚明成[5]等详细阐述了工程施工中的成桩方法以及质量管理措施。刘立校结合大规模桥梁桩基础施工遇到的常见地质情况,对相关施工方案进行优化并取得了有效的成果。通过对钻孔灌注桩的施工工艺进行详细的总结和综述,金涛总结了了几项施工质量控制措施,并取得了良好的成果。王立锋以某桥梁工程工程概况为例,简述了钻孔灌注桩施工技术的施工流程,重点对该技术的施工流程、质量控制措施进行了总结,通过对施工效果的对比,证实了钻孔灌注桩技术应用与经济价值。何波对岩溶地区的工程概况、岩溶地区桩基础施工所遇到的问题、岩溶地区建筑施工中常用的施工方案进行研究和探析。为了提升桥梁建筑桩基础的质量，蒋智凌从桥梁桩基特殊溶洞处理技术方面进行分析,提出了相应的应对策略，减少了工程中的损失。岩溶地区的桥梁桩基桩端物力模型可以作为周边支撑板在荷载下的受力模型，现有的板壳力学理论下，通常会将厚度和最小横向尺寸比在1/4 之下的板作为薄板，建立相对较为完备的理论基础，用于解决工程实践中的一些问题。

1 岩溶顶板与桩基作用系统简化模型

1.1 岩溶桩基模型基本假设

因为溶洞顶板可能会受到多种内外条件的影响，所以其稳定性的形成因素较为复杂，为了能够为之后的研究提供便利，一般会将溶洞顶板与桩基当成一个整体进行分析。由于溶洞形态多样，致使统一分析，所以我们将其模拟为不同的力学模型后，在进行合理的分析讨论。岩溶顶板力学模型的基本假设如下:

1 桩基作用面下，若顶板表面没有较大起伏而且不存在损坏情况，那么则可以忽略成拱效应，并将顶板当作梁板进行受力情况的分析，全部的分析都将弹性分析作为主要依据。

2 若桩基两端嵌入岩层内部（不考虑嵌岩深度），则将其看作端承桩，并忽略上部桩周围土带来的侧摩阻力和地应力；

3 当桩径宽度远小于板面最低尺寸的宽度情况下，桩径周边应力影响力也会进一步缩小，因此能够将桩基的纵向荷载作为集中荷载，繁殖则将其作为板面中的均布荷载，主要影响直径为桩径的d 圆中，如果是悬臂板，那么会作用与悬臂的端部位置。

1.2 岩溶桩基作用体系模型简化

如果桩端岩层力学特性满足薄板理论，那么可以将其转变为固支圆板模型或简支矩形板模型。如果并不能满足薄板理论，则可以将其转变为固支梁模型或悬臂梁模型以及宽梁模型等。

2 溶洞顶板与桩基作用系统模型受力分析

2.1 薄板力学模型相关公式

我们一般将岩溶顶板与桩基作用系统视为空间力学问题，一般情况下我们使用弹性力学的边际条件来实现力学计算。但因为桩基荷载影响之下，岩体大多为硬度较大的灰岩，这种灰岩虽然硬度较高，但在纵向弯矩的影响下，形变承受能力却非常低，所以若顶板出现了一定量的纵向挠度形变情况下，灰岩可能会出现严重的破坏现象。对此需要将溶洞顶板和桩基力学模型作为小挠度问题。薄板小挠度弯曲理论一般需要具备以下几种计算中的假定条件：①垂直于中面方向的正应变可以忽略。②应力分量导致的变形可以忽略。③薄板中面内的各点都没有平行于中面的位移。

如果板的厚度远超于薄板的挠度，认为中面内应变为零，由此可以得出小挠度弯曲的基本微分方程：

其中：w — 挠曲线方程；h — 顶板厚度；μ — 泊松比；E — 弹性模量；

D — 薄板的弯曲刚度；D=Eh312(1−μ2)D=Eh312(1−μ2)

将所有物理量都看作是挠度w 的函数，且认为薄膜力为零，则薄板弯矩、扭矩和剪力的表达式如下：

沿厚度按线形分布的弯曲应力的表达式如下：

将公式（2.2）和（2.4）中的公因子消去，得：

最大弯曲应力是：

对于与Qx 和Qy 对应的剪应力τxz 和τyz，可以认为沿厚度方向按抛物线规律分布，最大值为：

综上所述，由微分方程（2.1）能够计算出薄板小挠度问题在便捷下的具体挠度值w，之后可以将其代入到上述公式（3.2）和（2.3）之中，就能顺利解除薄板弯矩、剪力等信息，之后利用公式（2.6）以及（2.7）来掌握薄板最高弯曲应力及最大剪应力等信息。对前面的力学模型进行简化后，在不同的条件下我们得到了不同的应力分部规律，然后对简化后得到的十个力学模型进行受力分析。

3 溶洞顶板稳定性影响因素

根据建设工程项目的现场条件来看，荣鼎顶板稳定性的主要决定性因素可以划分内外两种形式，具体的影响因素如下：①岩石构造②岩石物理力学性质③溶洞形态对稳定性的影响④地下水的活动对溶洞顶板稳定性的影响⑤外加荷载的影响

4 稳定性评价方法

定性法、半定量法和定量法是目前稳定性评价的主要方法，根据不同的情况要选择不同的不同的方法进行评价。定性评价法没有定量的标准，所以较为适宜寻常建设工程之中，包含影响综合分析法等手段，常见的半定量评价法通常会将工程经验或类比分析等方式作为依据，构建一个计算模型来掌握溶洞顶板稳定需要的厚度水平。比如顶板厚跨比法和散体理论法等，定量评价则是在具体的勘探信息以及岩体物力特性信息的支持下可以选择的一种评价手段，常见的定量评价法是稳定系数法。

5 结论

（1）简要介绍了岩溶地区桥梁桩基工程中，溶洞顶板稳定性影响因素，通过分析得出了本课题研究工作的意义。

（2）溶洞形态多样，在进行力学分析时，将其作用系统进行合理的简化，然后再转化为相应的有代表性的力学模型进行分析讨论。

（3）对于岩溶顶板与桩基作用简化模型计算时，考虑梁模型对岩溶桩基的真实受力状况做了比较大的简化，因此采用弹性力学中的薄板理论进行分析更可靠。

（4）根据工程建设实践经验认为，影响溶洞顶板稳定性的因素分为内在、外在两个因素。

（5）根据评价溶洞顶板稳定性各自的适用范围，分为定性法、半定量法和定量法。