熊 軍

（中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400037）

0 引言

因?yàn)榇闋钊芏吹牡刭|(zhì)構(gòu)造的形式多種多樣，各個(gè)溶洞內(nèi)部間連通狀態(tài)比較復(fù)雜，在溶洞結(jié)構(gòu)形式的選取過程中無法兼顧各個(gè)要素。在該文的研究過程中選擇的串珠狀溶洞結(jié)構(gòu)是雙溶洞的結(jié)構(gòu)，研究人員關(guān)注的重點(diǎn)是豎向排布的雙溶洞之間的間距變化規(guī)律、豎直方向排布的雙溶洞的幾何尺寸的改變量對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的綜合穩(wěn)定特性的相關(guān)影響，主要可以分為2種情況：串珠狀溶洞的頂板位置設(shè)置樁基以及串珠狀溶洞的底部位置設(shè)置樁基，下面分別針對(duì)上述2種類型進(jìn)行詳細(xì)的研究。研究?jī)?nèi)容的重點(diǎn)是地震作用下樁基荷載作用于溶洞底部的穩(wěn)定性分析，分別考慮豎向排列雙溶洞的距離變化和尺寸變化對(duì)整體穩(wěn)定性的影響。

1 串珠狀溶洞間距變化對(duì)整體穩(wěn)定性影響

1.1 模型建立

簡(jiǎn)化模型所使用的相關(guān)材料的各種物理參數(shù)如下，模型中的串珠狀溶洞的相關(guān)參數(shù)為寬度值取7.5 m、高度值3.6 m，選取雙溶洞間的距離值分別是0.6 m、1.2 m、1.5 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、6 m、6.5 m幾組實(shí)施具體的分析。相關(guān)數(shù)字模型的網(wǎng)格的劃分、模型的單元類型、網(wǎng)格劃分技術(shù)以及無限元邊界條件實(shí)現(xiàn)方法均相同[1]。

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

1.2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

在溶洞底部位置設(shè)置樁基的前提下施加Mises類型的等效應(yīng)力，雙溶洞的間距數(shù)值是1.1 m，雙溶洞的間距數(shù)值是5 m?？梢?，在溶洞底部位置設(shè)置樁基的前提下，串珠狀溶洞的周圍同樣會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中的情況，不過在樁基的末端位置處應(yīng)力集中情況相對(duì)來講是最明顯的。從中能夠得出，隨著串珠狀雙溶洞減距離數(shù)值的加大，溶洞間的巖層內(nèi)部的應(yīng)力并沒有顯著增大，并且樁基的末端位置的巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布情況基本上保持一致，這樣的結(jié)果表明，在地震狀況發(fā)生的前提條件下，串珠狀溶洞間的巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于樁基的側(cè)面摩擦阻力相對(duì)較小，并沒有分擔(dān)樁基在豎直方向上的有效荷載，豎直方向的荷載通常被樁基的末端的巖石所承受。串珠狀溶洞底部設(shè)置樁基的狀況下的塑性應(yīng)變量，與串珠狀溶洞頂板部分設(shè)置樁基的狀況有所不同，該狀態(tài)下的塑性應(yīng)變區(qū)域在和樁基直接接觸位置的巖層內(nèi)生成一個(gè)分布狀態(tài)為連續(xù)型的區(qū)間[2]。

1.2.2 樁底移動(dòng)狀況研究

圖1 豎向位移云圖

圖1為串珠狀溶洞底部設(shè)置樁基的狀況下的豎直方向位移量的云圖，圖中的雙溶洞間距離數(shù)值為4.5 m。根據(jù)該圖能夠看出如下規(guī)律：串珠狀溶洞頂板區(qū)域及樁基末端的豎直方向的位移數(shù)值最大，影響位移的半徑約為3.1 m左右，在相關(guān)半徑影響的范圍之內(nèi)，自樁身朝兩側(cè)面拓展，巖層豎直方向的位移漸漸縮小。由此可見，與串珠狀溶洞頂部的巖體相比較，雙溶洞間的巖體發(fā)生的豎直方向的位移比較小，表明對(duì)于樁基的側(cè)向摩擦阻力效應(yīng)相對(duì)較小，然而上部串珠狀溶洞頂部巖體發(fā)生顯著的豎直方向的位移，其主要原因?yàn)榛A(chǔ)巖體的頂面是地震波加速度分量的加載表面，在地震波的作用下，相關(guān)位置將會(huì)產(chǎn)生顯著的位移。針對(duì)兩幅圖像進(jìn)行對(duì)比分析，能夠得出相關(guān)結(jié)論：串珠狀雙溶洞間的距離的變化，并不能讓溶洞間的巖體對(duì)樁基施加額外的側(cè)向摩擦阻力，豎直方向的荷載通常由樁基末端的巖層所承擔(dān)。串珠狀溶洞底部設(shè)置樁基的狀況下的水平方向的位移，在基巖頂部向下1 m左右的區(qū)域發(fā)生了水平方向的位移。PEMAG指的是塑性應(yīng)變量，Avg指的是平均值。

1.2.3 樁端豎向位移發(fā)展曲線

串珠狀溶洞底部設(shè)置樁基的狀況下的樁基末端豎直方向的位移演變曲線，相關(guān)研究人員選定樁基末端節(jié)點(diǎn)為初始觀測(cè)位置，地震過程完畢之后的該觀測(cè)位置的豎直方向的位移量是0.03686 m。當(dāng)靜力的荷載作用完畢之后，樁基末端豎直方向的位移曲線的發(fā)展方向明顯趨向收斂，位移變化的程度降低。在地震過程的加速度分量作用時(shí)間以內(nèi)，樁基末端豎直方向的位移不斷增加[3]。

1.2.4 樁端豎向位移變化率曲線

樁基末端豎直方向的位移變化率的特征曲線和地表處地震過程的加速度均方根分量的改變速率變化曲線（放大10倍）進(jìn)行對(duì)比，樁基底部豎直方向的位移改變率在第5.78 s的時(shí)間處發(fā)生大范圍的波動(dòng)，并且其變化率的極值發(fā)生在5.78 s的時(shí)間處，地面處地震的加速度均方根分量改變率極值發(fā)生在5.78 s的時(shí)間處，時(shí)間角度非常吻合，這和串珠狀溶洞頂板部分設(shè)置樁基的狀況相一致，表明地震波對(duì)于串珠狀溶洞底部設(shè)置樁基的狀況下的豎直方向的位移值有顯著的影響。樁端豎向位移發(fā)展曲線如圖2所示，m代表單位米，s代表時(shí)間單位秒。由對(duì)比可知，串珠狀溶洞底部設(shè)置樁基的狀況下，樁基末端豎直方向的位移的變化率比較平滑，只有在地震波的加速度分量到達(dá)峰值的情況下才會(huì)出現(xiàn)較大的變化，并且樁基位置出現(xiàn)一個(gè)反彈的狀況。然而串珠狀溶洞頂板部分設(shè)置樁基的狀況下，特征曲線發(fā)生了顯著的突變，然而并沒有發(fā)生樁基反彈的狀況。由此能夠得到相關(guān)結(jié)論：在地震波的影響下，串珠狀溶洞底部設(shè)置樁基的狀況下，因?yàn)閹r層的彈性效應(yīng)，有可能導(dǎo)致樁基出現(xiàn)瞬間的反向位移，然而當(dāng)串珠狀溶洞頂板部分設(shè)置樁基的狀況下，因?yàn)闃痘┒讼路饺芏吹慕Y(jié)構(gòu)減弱了地基部分的承載功能，導(dǎo)致溶洞的頂板可能出現(xiàn)塑性應(yīng)變，從而不能發(fā)生樁基的反彈狀況。

圖2 樁端豎向位移發(fā)展曲線

1.2.5 樁身在豎向的位移變化研究

地震影響下的加速度分量施加下樁身在豎向上發(fā)生的相關(guān)位移。在溶洞嵌巖部位向上的部分，樁身豎直方向位移表現(xiàn)為線性降低，在串珠狀溶洞嵌巖段的樁身位移改變的速率減少，表現(xiàn)為明顯的端承樁性質(zhì)。靜力影響之下樁身在豎向上發(fā)生的移動(dòng)量，在基巖表面向上的樁身區(qū)域，豎直方向的位移表現(xiàn)為線性降低，基巖表面向下的樁身區(qū)域，豎直方向的位移一樣表現(xiàn)為線性降低，不過變化速率對(duì)比基巖表面向上的部分較低，這種情況是因?yàn)榛鶐r對(duì)于樁基的側(cè)向摩擦阻力比紅黏土對(duì)于樁基的側(cè)向摩擦阻力值大而引起的。比較能夠得出當(dāng)?shù)卣鸩ǖ募铀俣确至坑绊懴聵渡淼呢Q直方向的位移演變并沒有被紅黏土及基巖的側(cè)向摩擦阻力的制約，然而靜力影響下樁身的豎直方向的位移的演變被紅黏土的基巖側(cè)向摩擦阻力的作用比較大，表明在水平方向的地震波的影響下，樁基和基巖間的側(cè)向摩擦阻力效應(yīng)不明顯，樁基是末端承載的樁體[4]。

1.2.6 雙溶洞之間巖層中點(diǎn)位置

雙溶洞之間巖層中點(diǎn)位置的樁身與巖體水平位移發(fā)展曲線比較，樁端與樁端巖體的水平位移發(fā)展曲線對(duì)比。在2個(gè)位置處的樁身和土體部分的水平方向位移的變化方式均比較相似，然而針對(duì)圖像進(jìn)行比較分析，可以得到在第7 s的位置處已經(jīng)發(fā)生樁體的位移多與巖層位移的情況，也就是說，雙溶洞間的巖體在相對(duì)比較早的時(shí)段就已經(jīng)發(fā)生了樁體和巖層分離的情況，這種情況下巖層已經(jīng)失去了抵抗剪切力的能力。然而一直持續(xù)到地震波加速度分量加載完畢之后才發(fā)生樁體和巖層分離的現(xiàn)象。由此能夠得出：在地震波的影響之下，巖層和樁體接觸部位已經(jīng)失去了抵抗剪切力的功能，對(duì)于樁基無側(cè)向摩擦阻力。除此以外，隨著埋藏深度的加大，樁體與巖層分離的狀況發(fā)生的時(shí)間段就越遲，樁體與巖層相對(duì)移動(dòng)量變化越小。樁基末端水平方向移動(dòng)量變化趨勢(shì)程度特征曲線和地面位置地震波加速度平方根變化程度特征曲線（加大12倍）的比較，樁基末端水平方向變化最大值和地面位置地震波加速度平方根變化程度最大值產(chǎn)生時(shí)間段完全對(duì)應(yīng)。串珠狀溶洞底部設(shè)置樁基的狀況和串珠狀溶洞頂板部分設(shè)置樁基的狀況相似，地震波對(duì)于樁基的水平位移影響巨大。

1.2.7 樁基末端豎直方向移動(dòng)量

圖3是樁基末端豎直方向移動(dòng)量隨雙溶洞間距的變化特征曲率，隨著雙溶洞間距的加大，樁基末端豎直方向移動(dòng)量逐部縮小，這種情況通常是因?yàn)殡p溶洞間巖體厚度加大，造成巖層側(cè)向摩擦力作用增大，因此樁基末端豎直方向移動(dòng)隨著雙溶洞間距的加大而降低。

2 溶洞外形尺寸改變對(duì)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的制約

2.1 建立溶洞數(shù)字模型

改進(jìn)溶洞數(shù)字模型材料物理力學(xué)參數(shù)，相關(guān)數(shù)字模型選取雙溶洞間距是3.5 m，選取雙溶洞的寬度及高度尺寸數(shù)值分別是：4.5 m和2.5 m、5.5 m和2 m、6.5 m和5 m、7.5 m和3 m，8.5 m和4.5 m、9.5 m和4 m、10.5 m、5.5 m幾類狀況進(jìn)行研究。溶洞數(shù)字模型的網(wǎng)格劃分模型的單元類型、網(wǎng)格劃分技術(shù)以及無限元邊界條件實(shí)現(xiàn)方法均相同。

圖3 樁端豎向位移

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

Mises等效應(yīng)力的溶洞寬度尺寸及高度尺寸分別為4.5 m和2.5 m，溶洞寬度尺寸及高度尺寸分別為10.5 m和5.5 m。通過比可得，隨著溶洞直徑的加大，相關(guān)應(yīng)力集中的范圍一直集中在溶洞的兩端和樁基末端區(qū)域，雙層溶洞間巖體沒有應(yīng)力集中的狀況發(fā)生。塑性應(yīng)變可見塑性區(qū)在上部溶洞頂部巖體內(nèi)形成1個(gè)連續(xù)的區(qū)域。

2.2.2 樁底位移分析

豎向位移云上部溶洞頂部巖體和樁端豎向位移取最大值，該半徑數(shù)值為3.5 m，在相關(guān)作業(yè)半徑以內(nèi)，沿著樁體向兩端延伸，巖層豎直方向移動(dòng)量逐步降低。通過比較可得溶洞直徑的加大對(duì)于豎直方向位移特定曲線的制約不明顯，所以省略對(duì)比研究的步驟。水平位移云在上部溶洞頂部巖體內(nèi)存在水平位移，這是由于施加水平地震時(shí)程加速度而產(chǎn)生。計(jì)算機(jī)仿真模擬獲得樁體豎直方向與水平移動(dòng)特性曲線，樁體豎直方向與水平移動(dòng)特征曲線及樁體軸向受力與變化趨勢(shì)相同[5]。

樁端豎向位移隨溶洞尺寸的變化曲線，隨著洞徑的增大，樁端豎向位移逐步加大。導(dǎo)致樁體底部移動(dòng)量在溶洞寬度數(shù)值＜7.5 m時(shí)表現(xiàn)為線性遞增的主要原因是：當(dāng)溶洞直徑比較小時(shí)，溶洞高度的增大對(duì)于巖體發(fā)揮側(cè)摩阻力的影響較大，溶洞高度數(shù)值越大，側(cè)向摩擦力所負(fù)擔(dān)的樁體載荷就越小，進(jìn)而導(dǎo)致樁基末端阻力及樁基底部移動(dòng)量的加大。樁端豎向位移如圖4所示。m代表單位米。

圖4 樁端豎向位移

3 結(jié)語

綜上所述，該文分析了地震影響下溶洞樁基結(jié)構(gòu)的綜合穩(wěn)定性，重點(diǎn)研究了為豎直方向排布雙溶洞間距改變及豎直方向排布改變對(duì)于主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：分別對(duì)地震作用下和靜力作用下的樁身豎向位移和軸力實(shí)施對(duì)比，樁基和巖體間的摩擦阻力消失。