高祁， 張紅塵

(1.中交四航局第六工程有限公司， 廣東 珠海 519000； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 前言

巖溶分布廣泛，2017年11月3日中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局巖溶地質(zhì)研究所研究得出，全球巖溶地區(qū)面積約占陸地面積的12%，約為2 000萬(wàn)km2。在亞洲，中國(guó)是巖溶分布最廣泛的國(guó)家，巖溶區(qū)總面積約為344萬(wàn)km2，占中國(guó)陸地面積的35.8%，其中裸露面積約為90.7萬(wàn)km2，占陸地國(guó)土面積的9.5%，中國(guó)西南巖溶地區(qū)連片集中分布(貴州、云南、廣西、湖南、四川、重慶、湖北、廣東等省區(qū)市)，面積達(dá)75.5萬(wàn)km2。中國(guó)部分省(自治區(qū))巖溶分布情況見(jiàn)表1。

表1 中國(guó)部分省巖溶分布統(tǒng)計(jì)

湖南地區(qū)巖溶主要分布在湘西北、湘中與湘東南，其中湘西北數(shù)量最多、規(guī)模最大，且溶洞主要分布在湘江、資水、沅江與澧水流域的上游。地表出露位置高的斷裂( 帶) 附近、特定的斷裂帶結(jié)構(gòu)發(fā)育區(qū)和多組裂縫發(fā)育區(qū)往往是巖溶現(xiàn)象集中成帶分布區(qū)。

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)，巖溶地區(qū)必然建設(shè)樁基礎(chǔ)，基樁底部可能有溶洞、基樁可能貫穿溶洞、基樁旁側(cè)可能有溶洞，溶洞對(duì)基樁的影響引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。趙明華等結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬等方法，研究溶洞頂板厚度對(duì)樁端承載力的影響，并提出相應(yīng)的樁端承載力計(jì)算公式；劉洋等以超載系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，考慮水平地應(yīng)力對(duì)溶洞頂板承載力的影響，提出溶洞頂板的影響范圍；張智浩等基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，提出巖溶區(qū)嵌巖樁可能發(fā)生沖切破壞、冒落區(qū)塌落破壞、扇形塑性區(qū)破壞和撕裂破壞4類(lèi)破壞模式；Pells等依據(jù)工程特點(diǎn)，推導(dǎo)出巖溶地區(qū)橋梁樁基嵌巖深度計(jì)算公式；王忠福等對(duì)不同工藝大直徑深長(zhǎng)鉆孔灌注樁進(jìn)行豎向荷載現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明不同工藝下樁承擔(dān)荷載方式不同；黃明等采用數(shù)值方法分析串珠狀巖溶樁的樁基荷載傳遞規(guī)律與溶洞穩(wěn)定性，獲得不同巖層厚度與溶洞跨度比下的巖層破壞模式；劉莎等基于雙折線(xiàn)模型，建立穿過(guò)多層溶洞樁的荷載傳遞微分方程，采用數(shù)值模擬研究武漢市某串珠狀巖溶樁豎向承載特性，獲得相應(yīng)的破壞模式；龔平等采用自平衡法測(cè)試巖溶區(qū)汝(城)郴(州)高速公路赤石特大橋主塔下直徑φ3.1 m、長(zhǎng)度95 m的超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁承載力和樁身軸向應(yīng)力，認(rèn)為樁側(cè)存在溶溝溶洞時(shí)，充分發(fā)揮樁側(cè)摩阻力需要很大的樁土相對(duì)位移，計(jì)算樁的承載力時(shí)，樁側(cè)若是溶溝，其側(cè)摩阻力可以忽略不計(jì)或者考慮折減；張福友等依據(jù)巖溶地區(qū)特點(diǎn)，提出一種新型異形灌注樁模型，認(rèn)為新型異形灌注樁具有較強(qiáng)的承載能力。

綜上所述，巖溶樁基的現(xiàn)有研究主要集中于結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬分析持力層內(nèi)溶洞的穩(wěn)定性、基于室內(nèi)模型試驗(yàn)研究巖溶區(qū)嵌巖樁破壞模式、采用數(shù)值方法分析串珠狀巖溶樁的荷載傳遞規(guī)律、采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究巖溶樁承載力，貫穿多層溶洞灌注樁荷載傳遞規(guī)律的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究很少。該文開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究貫穿多層溶洞灌注樁荷載傳遞規(guī)律，為巖溶地區(qū)灌注樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)際巖溶區(qū)樁基工程中，淺表常有一定厚度的殘坡積層，碳酸鹽巖中發(fā)育1層或者多層溶洞，巖土界面和地表常常傾斜，如圖1所示。

圖1 巖溶區(qū)基樁示意圖

2.1 試驗(yàn)方案

參照?qǐng)D1設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)，試驗(yàn)在模型箱進(jìn)行。模型箱內(nèi)尺寸為750 mm(長(zhǎng))×350 mm(寬)×1 100 mm(高)，外骨架采用角鋼焊接而成，內(nèi)部四周由木板切割而成，模型布置如圖2所示。試驗(yàn)設(shè)置穿過(guò)3個(gè)等間距、等大小溶洞的模型樁，研究在樁頂施加多級(jí)豎向荷載下樁身的承載特性。樁身長(zhǎng)度1 000 mm，其中巖面下長(zhǎng)度為670 mm，土層內(nèi)樁身長(zhǎng)度為300 mm，露出土體表面樁身長(zhǎng)度為30 mm。土層表面與巖層表面均設(shè)置坡度為12°。為減小邊界效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)的影響，在灌注基巖前用凡士林涂抹模型箱壁并用聚乙烯薄膜覆蓋。

圖2 模型試驗(yàn)布置示意圖(單位：mm)

加載系統(tǒng)采用杠桿。用螺栓將一對(duì)角鋼固定在模型箱體頂面，杠桿一端(寬度為28 mm)與角鋼鉸接，杠桿保持水平且底面接觸樁頂?shù)臉睹?，掛鉤懸掛在杠桿另一端，掛鉤托盤(pán)上安裝標(biāo)準(zhǔn)砝碼。標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重量通過(guò)杠桿施加在樁帽上，再傳遞到樁頂，實(shí)現(xiàn)樁頂豎向恒定加載。

測(cè)讀系統(tǒng)采用百分表和應(yīng)變計(jì)。樁帽上安裝電子百分表，獲得樁頂沉降量。樁身應(yīng)變片連接TDS-540型應(yīng)變儀，獲得樁身軸力傳遞規(guī)律。

2.2 模型土與模型樁

上部土體采用紅黏土。在試驗(yàn)場(chǎng)地附近取材，經(jīng)曝曬、碾碎、采用5 mm篩網(wǎng)篩分、繼續(xù)曝曬，將土粒直徑控制在5 mm以?xún)?nèi)，含水率盡量維持0。

下部石灰?guī)r采用水泥石膏砂漿模擬。細(xì)砂、325號(hào)水泥、石膏、水的配合比為21∶7∶3∶5，用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢?，分批灌入模型箱?/p>

模型樁采用方形截面PVC管，內(nèi)壁粘貼應(yīng)變片。模型樁長(zhǎng)度為1 m，外壁邊長(zhǎng)為40 mm，內(nèi)壁邊長(zhǎng)為31 mm，壁厚為4.5 mm。制作時(shí)，將方形PVC管人工切成兩個(gè)半合管，在半合管內(nèi)壁對(duì)應(yīng)土-巖交界面、溶洞中部粘貼應(yīng)變片，其他位置適當(dāng)粘貼應(yīng)變片，將導(dǎo)線(xiàn)焊接在應(yīng)變片端部，用萬(wàn)用表測(cè)試應(yīng)變片的有效性，最后用環(huán)氧樹(shù)脂將兩個(gè)半合管黏結(jié)在一起。經(jīng)測(cè)試，PVC模型樁的彈性模量為3.3×106kPa，泊松比為0.38，重度為13.8 kN/m3。

模型樁貼片主要步驟：打磨并清洗樁身貼片面→涂抹薄層環(huán)氧樹(shù)脂→24 h后打磨環(huán)氧樹(shù)脂表面并進(jìn)行清洗→粘貼應(yīng)變片并連接好導(dǎo)線(xiàn)→對(duì)應(yīng)變片涂抹705膠→涂抹環(huán)氧樹(shù)脂。

溶洞內(nèi)模型樁與溶洞的制作：在溶洞內(nèi)模型樁四周對(duì)應(yīng)溶洞位置粘貼厚度為4.5 mm的PVC材質(zhì)貼片，模擬樁體擴(kuò)徑現(xiàn)象；用11 mm厚木板制作3個(gè)尺寸均為240 mm(長(zhǎng))×200 mm(寬)×100 mm(高)的空心木盒模擬溶洞；樁體擴(kuò)徑部位固定在3個(gè)方盒空腔內(nèi)，模擬模型樁貫穿3個(gè)串珠狀溶洞。制成的模型樁見(jiàn)圖3。

圖3 模型樁實(shí)物圖

樁帽設(shè)置：模型樁內(nèi)壁應(yīng)變片的導(dǎo)線(xiàn)較多，為避免導(dǎo)線(xiàn)被壓破，在樁頂設(shè)置預(yù)留空腔的樁帽，導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)空腔引出、砝碼荷載通過(guò)杠桿傳遞到樁帽和樁頂。

安裝時(shí)，將攪拌均勻的水泥石膏砂漿灌入模型箱70 mm，將模型樁支撐、固定、保持垂直，繼續(xù)灌注700 mm，養(yǎng)護(hù)24 h。修整頂面，使樁身露出330 mm、形成12°的光滑斜坡，繼續(xù)自然養(yǎng)護(hù)28 d。將紅黏土分3層填筑，每層填筑時(shí)，用5 kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼從相同高度落下相同次數(shù)夯實(shí)，確保壓實(shí)度一致。安裝后，紅黏土和水泥石膏砂漿的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型土參數(shù)

2.3 加載與測(cè)試

加載與測(cè)試參照J(rèn)GJ 106—2014《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》。設(shè)計(jì)10級(jí)加載，其中施壓鋼筋與掛鉤重量作為第1級(jí)荷載(經(jīng)計(jì)算，第1級(jí)荷載約等于掛鉤上懸掛5 kg砝碼)，之后在掛鉤上每級(jí)懸掛5 kg砝碼，懸掛9級(jí)后砝碼質(zhì)量為45 kg。采用慢速維持荷載法，每級(jí)加載5、15、30、45、60 min后記錄電子百分表的讀數(shù)并采集瞬時(shí)應(yīng)變，以后每30 min測(cè)讀1次。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為：60 min內(nèi)沉降不超過(guò)0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)2次。

3 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 樁頂荷載-沉降曲線(xiàn)

圖4為試測(cè)樁頂荷載-沉降曲線(xiàn)。根據(jù)杠桿比計(jì)算懸掛砝碼質(zhì)量與樁頂荷載的關(guān)系，懸掛5 kg砝碼等效于對(duì)樁頂施加200 N豎向荷載。

由圖4可知:樁頂荷載-沉降曲線(xiàn)整體近似為一條直線(xiàn)，樁頂沉降隨著懸掛砝碼質(zhì)量的增加不斷增加，最大沉降為0.275 mm。此規(guī)律符合樁頂荷載-沉降曲線(xiàn)規(guī)律，說(shuō)明此次試驗(yàn)的加載、位移測(cè)試系統(tǒng)可靠。

圖4 樁頂荷載-沉降曲線(xiàn)

3.2 樁身軸力傳遞規(guī)律

通過(guò)TDS-540測(cè)量并保存每級(jí)樁頂加載下樁身截面兩側(cè)應(yīng)變值，求和取平均后得出平均應(yīng)變值εi，通過(guò)式(1)得出每級(jí)加載下各測(cè)點(diǎn)的樁身軸力值：

F=εiEAi

(1)

式中：εi為樁身應(yīng)變；Ai為測(cè)點(diǎn)處樁身截面面積(m2)；E為樁彈性模量(Pa)，實(shí)測(cè)彈性模量E=3.3×106kPa。

3個(gè)溶洞高度均為100 mm，空腔內(nèi)僅在中心處粘貼應(yīng)變片，分別離樁頂460、640、820 mm，13組應(yīng)變片離樁頂?shù)木嚯x分別為55、180、305、355、385、460、535、565、640、715、745、820、895 mm。圖5為各級(jí)荷載下軸力隨深度傳遞規(guī)律。

圖5 各級(jí)荷載下軸力隨深度傳遞規(guī)律

由圖5可知：

(1) 土體和巖體中，整體線(xiàn)形上，樁身軸力沿深度衰減，符合樁身軸力傳遞的基本規(guī)律，也說(shuō)明測(cè)試方法正確、結(jié)果可靠。

(2) 土巖分界面對(duì)樁身軸力傳遞產(chǎn)生顯著的影響。樁身從土體進(jìn)入巖體前，樁身軸力增加，出現(xiàn)“超前”效應(yīng)。

(3) 溶洞對(duì)樁身軸力傳遞產(chǎn)生顯著的影響。一方面，樁身穿過(guò)溶洞時(shí)，軸力減小；另一方面，樁身穿過(guò)多層溶洞時(shí)，溶洞段樁身軸力隨溶洞位置的降低而減小。分析認(rèn)為，溶洞處模型樁周?chē)迟N的厚度為4.5 mm的PVC片承受了巖體的支承力，從而減小了樁身軸力。

3.3 樁身側(cè)摩阻力變化規(guī)律

根據(jù)應(yīng)變片數(shù)據(jù)，通過(guò)式(2)求得某一段長(zhǎng)度樁身側(cè)摩阻力平均值：

(2)

式中：qs為某段長(zhǎng)度樁身側(cè)摩阻力平均值(kPa)；ΔP為該段上、下截面軸力之差(kN)；ΔF為該段長(zhǎng)度樁側(cè)表面積(m2)。

選擇沿樁身長(zhǎng)度方向相鄰兩個(gè)應(yīng)變片的軸力值求ΔP，因?yàn)閼?yīng)變片本身具有一定長(zhǎng)度，所以選擇應(yīng)變片中點(diǎn)作為某段樁起點(diǎn)或終點(diǎn)，相鄰兩個(gè)應(yīng)變片中點(diǎn)之間的距離為某段樁的長(zhǎng)度。

圖6為模型樁在各級(jí)荷載下的側(cè)摩阻力-深度關(guān)系變化圖。

圖6 各級(jí)荷載下側(cè)摩阻力隨深度變化規(guī)律

由圖6可知:

(1) 樁身從土體進(jìn)入巖體前(z=180～305 mm)出現(xiàn)負(fù)摩阻力，實(shí)際屬于“超前”效應(yīng)。

(2) 樁身從溶洞進(jìn)入巖體前(z=460～535、640～715、820～895 mm)出現(xiàn)負(fù)摩阻力，客觀上不可能，實(shí)際上，溶洞內(nèi)樁身應(yīng)變相同。

3.4 工程啟示

巖溶地區(qū)樁基工程中，基樁穿過(guò)溶洞常常采用拋填片石法或者套管法。拋填片石法常常使樁徑擴(kuò)大。基于軸力傳遞規(guī)律，推理認(rèn)為：

(1) 樁頂豎向荷載作用下，溶洞段樁身一般不會(huì)率先破壞。

(2) 上層溶洞底板巖體的厚度和強(qiáng)度越大，樁身承載力顯著提高。

(3) 溶洞位置越低，對(duì)樁身承載力的不利影響越小。

4 結(jié)論

(1) 土巖分界面對(duì)樁身軸力傳遞產(chǎn)生顯著的影響。樁身從土體進(jìn)入巖體前，樁身軸力會(huì)增加，出現(xiàn)“超前”效應(yīng)。

(2) 溶洞對(duì)樁身軸力傳遞產(chǎn)生顯著的影響。樁身采用拋填片石法穿過(guò)溶洞時(shí)，樁身擴(kuò)徑，軸力減小；樁身穿過(guò)多層溶洞時(shí)，溶洞段樁身軸力隨溶洞位置的降低而減小。

(3) 樁頂在豎向荷載作用下，溶洞段樁身一般不會(huì)率先破壞。上層溶洞底板巖體的厚度和強(qiáng)度越大，樁身承載力顯著提高。溶洞位置越低，對(duì)樁身承載力的不利影響越小。