齊林

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海市 200070）

1 概述

在石灰?guī)r、白云巖、石膏等可溶性巖石地區(qū)中，由于地下水和地表水的活動，對這些巖石形成長期的溶蝕作用；而這些巖層的結(jié)構(gòu)面往往又是地下水活動的最好通道，結(jié)果沿結(jié)構(gòu)面，特別是軟弱結(jié)構(gòu)面的溶蝕最為嚴(yán)重，形成溶槽、溶水洞、塌陷、漏斗、暗河、溶洞等各種形式的巖溶，通稱為喀斯特現(xiàn)象。

巖溶現(xiàn)象的出現(xiàn)，是因滲入可溶性巖層的水中含有游離二氧化碳分子，當(dāng)其與巖層中的碳酸鈣或碳酸鎂起化學(xué)作用時(shí)，產(chǎn)生可溶解的重碳酸鹽，再經(jīng)水流的剝蝕和搬運(yùn)，形成了溶洞。因此溶洞的形成主要取決于巖層的可溶性、溶劑的性質(zhì)和溶劑的補(bǔ)給與循環(huán)道路。

巖溶的可溶性速度與巖石的性質(zhì)及其成分有關(guān)。在一般情況下，氯化鹽巖層可溶性速度最快，硫酸鹽巖層（如硬石膏）次之，碳酸鹽巖層（如石灰?guī)r）較慢。從巖石成分分析可知，巖性愈單純，巖溶發(fā)育速度愈快，反之愈慢。因此在氯酸鹽和硫酸鹽巖層上的建筑物，巖溶的病害發(fā)展很快，而在碳酸鹽巖層則相對比較穩(wěn)定。

溶劑的性質(zhì)主要是水中游離二氧化碳或硫酸根離子、氯離子、碳酸根離子的含量多少，含量愈高，溶蝕性愈大，即所有溶解的碳酸鹽類愈多。

水的補(bǔ)給與循環(huán)道路則與所在地區(qū)的降雨量、地下水的活動情況，以及巖層的層理、裂隙、斷層、褶皺等多種因素有關(guān)。

2 巖溶地區(qū)鉆孔樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在巖溶嚴(yán)重地區(qū)，樁基礎(chǔ)要穿過多層溶洞，設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合巖溶特點(diǎn)分別對待。針對巖溶地基的不同情況，在橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中可采用以下設(shè)計(jì)原則：

（1）置于巖溶地區(qū)溶槽或溶溝處的樁基礎(chǔ)，當(dāng)樁穿過溶槽、溶溝內(nèi)的填充土，支立于溶槽底面或溶溝底面的巖層上時(shí)，可按支立于一般巖層上的柱樁分析方法進(jìn)行樁的內(nèi)力分析。

（2）如果在溶洞處頂板很薄，而溶洞內(nèi)的底面很深，且洞內(nèi)填充土屬于密實(shí)穩(wěn)定，具有足夠強(qiáng)度，則樁底可穿過溶洞的頂板置于溶洞內(nèi)的填充土層內(nèi)，而不支于溶洞的底板上，此時(shí)可按摩擦樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，不考慮樁與溶洞頂板之間的摩阻作用，而僅將這種摩阻作用視作安全儲備。

（3）當(dāng)樁基穿過多層巖溶層而樁底支立于堅(jiān)固的巖層上時(shí)，應(yīng)不考慮多層巖溶層對樁壁起摩阻作用，因?yàn)槎鄬訋r溶層與樁壁之間的摩阻作用在本質(zhì)上不同于一般土與樁壁之間的摩阻作用。

（4）在同一基礎(chǔ)范圍內(nèi)溶深高差懸殊、各樁受力很不均勻，在加強(qiáng)樁頂箍筋及主筋后，還不能滿足短樁剪力要求時(shí)，則以鋼護(hù)筒調(diào)節(jié)短樁自由長度，來降低單樁的受力高峰值。

（5）對同一基礎(chǔ)的樁基，不應(yīng)同時(shí)采用摩擦樁和柱樁，不宜采用不同直徑、不同材料的樁。

（6）按柱樁設(shè)計(jì)時(shí)，在確定樁長時(shí)應(yīng)首先詳細(xì)全面地分析地層資料，根據(jù)相鄰樁的鉆孔，擬定各樁的樁底標(biāo)高，進(jìn)一步分析研究確定樁長。

（7）對樁身較長的基礎(chǔ)考慮到施工難度，鉆孔樁的孔徑不宜小于1.25 m，否則施工難度較大，出現(xiàn)卡鉆、埋鉆、漏漿等現(xiàn)象時(shí)難以處理。

3 不等長樁基受力分析

在大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，承臺-樁基礎(chǔ)被廣泛采用。當(dāng)墩（臺）位處地質(zhì)復(fù)雜、各根樁的持力層埋深較大時(shí)，就需要采用不等長樁基。樁基設(shè)計(jì)是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，合理準(zhǔn)確地計(jì)算樁基內(nèi)力關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。樁的計(jì)算通常借助于已推導(dǎo)出的公式和數(shù)表進(jìn)行查表計(jì)算，比較煩瑣。在工程實(shí)踐中，一般采用“m”法計(jì)算彈性樁基礎(chǔ)的內(nèi)力。根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10093—2017，以下簡稱《基規(guī)》）[1]，當(dāng)樁基周圍是數(shù)種不同的土層時(shí)，將地面或局部沖刷線以下hm=2（d+1）深度內(nèi)的各層土換算成一個(gè)m值，近似作為整個(gè)樁深度的地基土比例系數(shù)m進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。用“m”法計(jì)算多排樁基內(nèi)力和位移時(shí)，現(xiàn)有的公式和數(shù)表都是基于樁基長度一致的情況下導(dǎo)出的，用于不等長樁基的內(nèi)力計(jì)算顯然是不妥的。由于受公式和數(shù)表限制，用“m”法進(jìn)行樁基內(nèi)力計(jì)算時(shí)往往要對實(shí)際工程做許多簡化，從而影響計(jì)算結(jié)果的精度。用空間桿件有限元法來分析彈性樁基的內(nèi)力，不僅可以考慮復(fù)雜多變的地基土層情況，而且適用于各種形式的樁基結(jié)構(gòu)，其適用單位更廣，使用更方便，計(jì)算結(jié)構(gòu)更可靠。

下面介紹采用有限元法計(jì)算彈性樁基礎(chǔ)內(nèi)力的基本原理[2-3]。

3.1 基本假定

不管采用《基規(guī)》的“m”法，還是采用有限元對彈性樁基進(jìn)行內(nèi)力分析，其基本理論都是基于文克爾假定（樁身任一點(diǎn)的土抗力和該點(diǎn)的位移成正比）的彈性地基梁理論，兩種方法均遵守以下基本假定：

（1）將土作為彈性變形介質(zhì)，其地基系數(shù)在地面（或沖刷線）處為零，并隨深度成正比例增長。

（2）基礎(chǔ)與土之間的黏著力和摩阻力均不考慮。

（3）在水平力和豎直力作用下，任何深度處土的壓縮性均用地基系數(shù)表示。

3.2 基本原理

有限元法分析樁基礎(chǔ)內(nèi)力的基本原理是將連續(xù)的樁身劃分為有限個(gè)單元的離散體，將樁身側(cè)向位移引起的側(cè)向土抗力作為各單元節(jié)點(diǎn)處的反力（其值等于節(jié)點(diǎn)處樁身側(cè)向位移值與該點(diǎn)處土的地基比例系數(shù)之積），然后根據(jù)力的平衡和位移協(xié)調(diào)條件建立方程求解。這種方法可方便地用于樁側(cè)土地基比例系數(shù)隨深度而變化的各種情況，不需要求解復(fù)雜的樁身彈性撓曲方程，只要使用一般的有限元通用軟件即可解決問題。

3.3 數(shù)學(xué)模型

如圖1所示，將樁基視為支承在一系列水平彈簧上的彈性豎梁，樁底邊界條件根據(jù)具體的嵌巖情況而定，水平彈簧支承剛度Ki由下式計(jì)算：

式中：b1為樁基的計(jì)算寬度；m為地基土比例系數(shù)；Δsis、Δsix分別為i號節(jié)點(diǎn)處上下相鄰兩個(gè)單元的長度，對沒有被土覆蓋的單元，其長度不予計(jì)算。

圖1 彈性樁基計(jì)算模型

在有限元方法中，對承臺的模擬方法主要有三種：用板單元模擬；用實(shí)體單元模擬；將承臺分成多塊，用多個(gè)梁單元模擬。前兩種方法采用的單元與梁單元的節(jié)點(diǎn)自由度不相等，存在自由度耦合的問題。第三種方法為了模擬樁基與承臺的連接，每根樁頭的節(jié)點(diǎn)都需要4根橫梁單元來相連，這給承臺梁單元的劃分帶來了困難。

在對承臺-樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，用一根豎直的剛性梁模擬承臺，承臺底節(jié)點(diǎn)與樁頭節(jié)點(diǎn)以剛臂連接，經(jīng)證實(shí)，這樣的模擬方法簡單方便，計(jì)算結(jié)果正確合理。在計(jì)算時(shí)，將承臺的模擬分兩種情況進(jìn)行試算：模擬成剛性梁；按實(shí)際剛度模擬。兩種模擬方法的計(jì)算結(jié)果非常接近，說明對于橋梁結(jié)構(gòu)常用的大尺寸承臺，可以按實(shí)際剛度將其模擬為梁單元。

4 工程實(shí)例

某客運(yùn)專線特大橋全長14 279.420 m，主要跨越省道、高速公路、鐵路，跨徑以24 m、32 m簡支梁為主，重要工點(diǎn)處以（40+56+40）m連續(xù)梁、（48+2×80+52）m 連續(xù)梁、（76+160+76）m 連續(xù)梁拱跨越。由于該橋部分樁基位于巖溶地區(qū)，故需設(shè)計(jì)為不等長樁基。

（40+56+40）m連續(xù)梁跨越一斷層，主墩采用承臺-樁基礎(chǔ)。承臺尺寸為10.4 m×14.3 m×4 m，樁基布置為梅花形，共計(jì)11根樁，樁徑為1.5 m，均為嵌巖樁（見圖2）。

圖2 樁基布置圖（單位：cm）

由于各根樁基合適的持力層埋深不一致，故必須采用不等長樁基，樁基受力如圖3所示。其中，N0=2 166 kN，Q0=61 523 kN，M0=9 553.7 kN，以圖示方向?yàn)檎?/p>

圖3 樁基受力圖

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，樁基范圍內(nèi)的地基土主要有四種：②1硬塑黏土，基本承載力σ0=200 kPa；③1硬塑黏土，基本承載力σ0=250 kPa；⑥2強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r，基本承載力σ0=450 kPa；⑥3弱風(fēng)化石灰?guī)r，基本承載力σ0=1 000 kPa。各種土層的地基土比例系數(shù)分別為 10 000 kN/m4、15 000 kN/m4、40 000 kN/m4、80 000 kN/m4。

用空間桿件有限元法對該承臺-樁基結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，承臺作為單個(gè)梁單元，樁基單元長度取為0.1 m。建模時(shí)，先根據(jù)《基規(guī)》計(jì)算出樁基的計(jì)算長度b1，再由式（1）計(jì)算出各樁基節(jié)點(diǎn)處的土彈簧剛度Ki。各樁基的最大彎矩及樁頂水平位移見表1。

表1 內(nèi)力及位移計(jì)算結(jié)果

從表1可以發(fā)現(xiàn)不等長樁基具有以下主要受力特點(diǎn)：

（1）長度小的樁基承受的彎矩大；長度大的樁基承受的彎矩小。

（2）由于各根樁的剛度不一致，在水平力、豎向力和彎矩的共同作用下，長樁樁頂?shù)乃轿灰拼笥诙虡丁?/p>

（3）對于不等長樁基，樁身會產(chǎn)生較大扭矩。

5 結(jié)語

（1）分析了巖溶形成機(jī)理及樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)處理方法。

（2）用空間桿件有限元法來分析彈性樁基的內(nèi)力，不僅可以考慮復(fù)雜多變的地基土層情況，而且適用于各種形式的樁基結(jié)構(gòu)，其適用范圍廣，使用方便，計(jì)算結(jié)果可靠。

（3）不等長樁基和等長樁基在受力特點(diǎn)上存在較大差異，長度小的樁基承受的彎矩更大，各樁身還會出現(xiàn)較大扭矩，在實(shí)際工程中應(yīng)引起注意。