岩溶区穿越溶洞钻孔灌注桩竖向承载机理研究

岩溶区穿越溶洞钻孔灌注桩竖向承载机理研究

王建强1,刘慧芬1，2,吴朵2

1广东智云工程科技有限公司  广东佛山  528225

2 佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院广东佛山 528225

摘要：针对实际项目施工中出现的基桩下分布有溶洞发育的情况，研究了基桩穿越未经处理的溶洞和经注浆预处理的溶洞的单桩竖向承载特性问题。基于项目场地勘察资料数据和注浆法预处理溶洞后的现场单桩竖向抗压静载荷试验明确了溶洞发育状况、岩土体物理力学参数及试验情况，采用Abaqus有限元软件建立了数值分析模型。模型结果表明：数值模型注浆处理溶洞后的桩顶荷载沉降曲线计算结果与现场静载荷试验结果较为吻合，未处理溶洞对基桩的承载不利，且这种作用随着溶洞高度的增大变得显著，注浆处理溶洞能够显著改善基桩穿越溶洞的承载效果。实际工程施工中应重视此类基桩穿越溶洞的不利工况问题，避免实际承载力不满足设计要求。

关键词：岩溶；注浆；桩基础；承载性状；数值模拟

0 引言

桩基础以其承载力可靠、适应性广等优点在工程项目建设中被广泛利用。在岩溶发育地区进行桩基础施工时，需探明溶洞分布情况，并采取高压旋喷、挖填、强夯或注浆等措施对溶洞进行处理，否则将严重影响桩基的承载能力，造成重大事故。

目前，许多学者对岩溶区桩基础承载机理及破坏模式方面展开了研究，Polous等学者采用现场试验数据与理论相结合的方法分析了不同破坏模式下的嵌岩桩极限承载力[1~3]，并考虑嵌岩深度、桩长径比等因素的影响，探讨了桩端下伏溶洞的情况，得到了溶洞顶板稳定性的分析方法；邹新军等通过数值模拟和线性回归的方法探讨了溶洞顶板破坏模式及设计荷载与顶板安全厚度的关系[4,5]。柏华军[6]通过简化的溶洞顶板模型，提出了溶洞顶板持力层厚度公式，并给出了顶板安全厚度应为桩径的2.5~3.5。彭戈[7]结合实际工程，探讨了穿越多层溶洞的桥梁桩基的承载机制，并推导了考虑溶洞顶板厚度的桩基竖向承载力计算公式。杨博铭[8]基于Hoek-Brown破坏准则，对竖向荷载作用下桩端下伏矩形溶洞的稳定性进行了分析，同时提出了岩溶区桩基承载力的简化计算模型，结果表明理论与数值模型具有较高的吻合度。陈慧芸[9]采用离心机对串珠状溶洞下的桩基竖向承载特性进行了试验，结果表明下伏溶洞的厚径比对桩基的承载能力具有较大的影响，同时验证了邹新军[4,5]给出的顶板安全厚度结论。雷勇[10]针对下伏溶洞桥梁单排桩桩端岩层极限承载力展开了研究，提出了下伏溶洞桥梁单、双和三排桩桩端岩层极限承载力计算方法。目前针对桩端下伏溶洞的理论及试验研究较多，而对于穿越溶洞桩基的单桩承载研究较为缺乏。

本文依托于广州花都某项目，根据其溶洞注浆处理后的单桩竖向静载荷试验结果，通过有限元软件建立数值模型的方法，来探讨溶洞注浆处理前后对于穿越溶洞基桩的单桩承载特性，验证本项目工程溶洞注浆处理施工设计方案的合理性，为类似工程提供参考。

1 工程概况

广州市花都区某项目，总用地面积29457.34 m2，拟建商住楼11栋，一栋酒店主楼及裙楼，设地下室1~2层。详勘发现场地内有溶、土洞发育，经专家论证后基础采用钻孔灌注桩，桩端持力层为强（中微）风化石灰岩，设计为端承摩擦型桩，且溶洞必须经过处理后方能进行桩基础施工。

1.1 溶洞、土洞发育特征

场地地貌形态属冲击平原，地面已经回填完毕，地势较为平坦，地表未见岩石出露。地层为第四系冲积层和残积层，下伏为石炭系下统石凳子组石灰岩，由于场地基岩为可溶性灰岩，在地下水沿岩层裂隙及含有有炭质薄膜相对软弱岩层渗流过程中，使基岩缓慢溶蚀，随着地下水活动交替强烈，上覆土层崩落形成土洞。在勘察取样的106个钻孔中，18个钻孔存在土洞，23个钻孔存在溶洞，均为半充填和无充填，充填物为粉质黏土，局部含少量砂砾，揭露的溶洞洞体高度0.8~3.7 m。岩溶发育程度较为强烈，岩溶诱发地面塌陷风险较大。

1.2溶洞注浆法预处理原理及工艺

溶洞是地下水强烈作用可溶性岩石所形成，在溶洞发育地段，往往会连带出现土洞，对基础工程承载能力不良影响显著。溶洞注浆预处理是预防和解决基础施工不良的一种重要施工手段，其主要通过注浆材料填充溶、土洞空间和地下水渗流通道，在短时间内迅速凝固，与溶洞周围土体形成整体，并在溶、土洞及其周围阻断地下水的活动。在灌注桩基础施工注浆预处理溶洞中，还可以提高灌注桩在该段的侧摩阻力。

该项目采用双液双管注浆和灌注法灌注砂砾预处理溶洞，其中双液双管注浆主要有5个施工工序，分别为：①砂浆灌注孔施工：钻孔孔径一般为150 mm，钻孔至设计深度；②砂浆灌注：将小直径导管下至稳定岩面或土层，顶部端口固定于距离地面高度30~70 cm处，泵送砂浆压力根据施工过程和灌注量及时调整，灌注至设计压力灌注不进时停止注浆；③袖阀注浆孔施工：钻孔孔径一般为90 mm，钻孔至设计深度，成孔需保证孔洞稳定；④安装袖阀管：插入直径48 mm PVC管，端部注浆段应套堵头，下管至溶洞底后固定上部；⑤袖阀管双液注浆：按照设计配比向孔内注射水泥浆液和水玻璃溶液，采用间歇注浆的方式，分段注浆间歇时间为0.5~1 h，根据溶洞填充物性质调整注浆压力。经注浆处理溶洞后，灌注桩顺利完成施工。

2  模型建立

2.1 有限元模型建立

利用Abaqus软件建立穿越溶洞情况下的单桩有限元数值模型，桩径根据施工设计方案选用600 mm直径钻孔灌注桩，土层边界取12倍桩径，桩端土深度取15倍桩径[11]，减小边界效应的同时可达到理想的计算精度，同时考虑单桩模型的对称性质，以加快数值计算的效率，确定土层整体尺寸为15 m（长）×27 m（高），桩长为18 m，端部嵌入微风化石灰岩，模型网格如图2所示。土层底部为固定边界，土层四周限制其水平位移。网格实体单元均采用四结点双线性平面应变四边形CPE4R单元。

2.2 桩土相互作用模拟

将桩与土层接触类型分别定义为切向和法向，法向定义为硬接触，允许分离，切向即定义为库伦摩擦模型，切向摩擦力与法向接触的正压力相关，且摩擦力与法向正压力成正比，并参考M.F.Randolph建议的公式（1）定义摩擦因数，以确定各土层与桩接触面间的接触参数，设置桩与土层的接触方式为面—面接触，同时选择表面—表面的离散方法。

（1）

式中：φ为各土层的内摩擦角

图1桩—土接触有限元模型

2.3 模型参数选取

数值模型将场地主要土层简化为为五类，层厚取其平均值，由于摩尔—库伦本构模型在极限承载力分析中具有优越性，且参数取值准确方便，因此土体采用摩尔—库伦本构模型。参数取值参考场地勘察报告室内土工试验结果取值，如表1所示，其中，弹性模量的取值取为压缩模量的5倍。溶洞注浆材料依据现场试验结果取值，并采用摩尔—库伦本构模型模拟，密度为21 kN/m3，内摩擦角为35°，粘聚力为100 kPa，弹性模量为2500 MPa，泊松比为0.27。

表1 土层物理力学指标统计表

2.4 初始应力及加载

考虑场地初始地应力场，为确保数值结果的精确性，采用自动应力平衡分析步以生成场地初始地应力场，一般认为，平衡前后应力的数量级保持不变，而土体位移数量级达到10-4m以下的效果认为地应力平衡效果良好。本文模型地应力平衡效果如图2所示。

图2 地应力平衡结果云图

采用分级加载的方式，在桩顶表面分别施加等同于现场抗压静载荷试验工况的均布荷载，同时参考建筑基桩检测技术规范4.4.2条[12]，对于荷载位移陡降型曲线，取发生明显陡降的起始点对应的荷载值；对于缓变型曲线，取沉降等于40mm对应的荷载值，来确定桩的竖向抗压极限承载力。

2.5 模拟结果与现场载荷试验对比

项目场地在灌浆预处理溶洞后进行了钻孔灌注桩施工，在灌注桩成型后对现场的2#、17#、45#、68#号桩进行了非破坏性抗压承载力静载荷试验，该四根桩的桩长分别为15 m、18 m、23 m和17 m，桩端持力层均为微风化石灰岩，其中，17#号桩的桩长为18 m，本文所建立的穿越溶洞的钻孔灌注桩数值模型依据设计方案。

试验前预估该项目单桩承载力特征值为980 kN，因此项目静载荷试验确定初级加载荷载为320 kN，逐级加载160 kN，加载至单桩达到设计承载能力时即卸载，现场静载荷试验加载阶段桩顶荷载沉降Q-s结果曲线及数值模拟结果如图3所示。

图3 现场试验及数值模拟桩顶荷载沉降曲线

由于现场静载试验为非破坏性加载试验，因此仅有加载至单桩承载力设计值时桩顶沉降数据，由图3可知，现场桩顶荷载沉降曲线表现出缓变型特征，2#、17#、45#、68#号试验桩在加载至1120 kN时的总沉降为分别为21.27 mm、17.96 mm、16.55 mm、19.17 mm。数值模拟结果亦表现出缓变型特征，桩顶总沉降量达到43.40 mm时所对应的桩顶荷载值为2240 kN，同时对比现场试验结果可以发现，模拟结果与17#、45#、68#号桩的现场试验结果最为接近。

3  单桩穿越溶洞数值结果分析

3.1 沉降特性

图4为不同溶洞高度及溶洞是否经过注浆预处理的桩土相互作用模型位移沉降云图，如图4所示，在桩顶竖向荷载作用下，桩身沉降远大于桩周土层的沉降，且以桩身为中心，桩周两侧土层沉降与远离中心距离呈负相关。溶洞在未注浆处理时，溶洞周围土层均向溶洞内位移，且随着溶洞高度的增大而变得更加显著。在相同竖向荷载作用下，穿越溶洞的桩身沉降随溶洞高度的增大而增大；在相同的溶洞高度下，未注浆处理与注浆处理后的桩身沉降差异较大，溶洞经过注浆处理后能有效减小桩身的沉降，改善其承载特性。

a 溶洞高度1m（未注浆）          b 溶洞高度1m（注浆处理）

c 溶洞高度2m（未注浆）          d 溶洞高度2m（注浆处理）

e 溶洞高度3m（未注浆）          f 溶洞高度3m（注浆处理）

图4 位移沉降云图

3.2 桩身轴力及侧摩阻力分布

在溶洞高度为3 m时，桩顶沉降达到40 mm所对应的溶洞注浆处理和溶洞未注浆处理情况下的桩身轴力随深度分布情况如图5所示。

图5 桩身轴力分布曲线

图6 桩身侧摩阻力分布曲线

如图5所示，在桩顶沉降达到40 mm时，溶洞注浆处理后，桩身轴力沿深度方向整体呈现出减小的趋势，斜率随着深度增加而逐渐变大，说明此时靠近桩端附近的侧摩阻力和端阻力发挥作用，而桩身上部分的侧摩阻力发挥并不显著。结合图6桩身侧摩阻力随深度分布曲线图亦可发现，在深度达到桩端时，桩侧摩阻力达到最大值。

溶洞未注浆处理时，桩身轴力在溶洞上方呈现逐渐减小的趋势，但是在穿越溶洞段的桩身上，桩身轴力出现短暂的局部增大现象，由于此时溶洞顶板出现了相对于桩身向下运动的趋势，产生了负摩阻力，因此造成桩身此段的轴力突变，随后在接近桩端处迅速减小。结合图7可知，在溶洞段桩侧出现了负摩阻力，在桩端嵌岩部分摩阻力恢复了正值，并迅速增大，最终在桩端处出现最大值。

3.3 桩端阻力占比

表2统计了穿越溶洞的竖向极限承载力及端阻力占比数值模拟结果，从表2结果可知，在溶洞未进行注浆情况下，随着溶洞高度的增大，穿越溶洞基桩的单桩竖向极限承载力逐渐降低，而经过注浆处理后，其承载力均得到了显著提升，溶洞高度在1 m、2 m、3 m经过注浆处理后其竖向承载力分别提高了28.75%、68.75%，166.03%，说明注浆处理措施能够有效增强穿越溶洞基桩的单桩承载能力，溶洞高度越大，对其影响越大，实际施工中必须加强对溶洞的重视。

分析溶洞在未注浆和注浆处理下的端阻力占比情况可知，高度1 m、2 m、3 m的溶洞未注浆时，端阻力占竖向极限荷载的比值分别为55.17%、61.74%、72.59%，在注浆处理后，其端阻力占比减小到25.18%、25.07%、24.86%。由于溶洞未填充，桩身在溶洞段产生了负摩阻力，桩身上段侧阻力发挥并不显著，桩端嵌岩1 m处的侧摩阻力与桩端端阻力在此时最大限度发挥作用，根据Meyerhof在1978年所提出的理论，在竖向荷载作用下，桩端附近的土体有一个受压运动并向其邻近土体挤压的趋势，该挤压过程将使作用在桩身的法向应力变大，从而促进该部分桩侧摩阻力的发挥，但由于嵌岩深度仅为1 m，且嵌岩段上部的溶洞削弱了这种作用，因此造成了基桩表现出的端承型显著。而溶洞经过注浆处理后，随着荷载传递至桩端，桩端土层的压缩促进了靠近桩端桩身段的侧摩阻力得到充分发挥，且穿越溶洞段的桩身随着摩擦因素的增大，侧摩阻力随之增大，使极限承载增大，表现出摩擦端承型。

表2 极限承载力及端阻力占比表

4  结论

本文利用穿越溶洞的钻孔灌注桩基础施工案例和勘察资料，并参考现场单桩竖向静载荷试验，通过合理简化原则搭建了有限元数值模型，得到了以下结论：

(1) 项目采用注浆法预处理溶洞，通过现场静载荷试验结果检验，竖向极限承载力均满足设计要修，本文建立的数值模型与现场静载荷试验结果吻合度较好。

(2) 在溶洞未注浆处理时，桩顶竖向荷载作用将会引起溶洞附近出现一定的应力集中现象，同时溶洞的存在将会导致在该桩身段附近产生负摩阻力，不利于桩的承载，施工中应充分重视此类溶洞。

(3) 基桩穿越未经处理的溶洞高度越大，其承载力丧失越明显，溶洞注浆处理能够显著改善基桩的竖向承载性能，且这种增强作用随着经注浆处理溶洞高度的变大而大幅度提升。

参考文献

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