谭琪
湖南核工业建设有限公司 湖南长沙 410000
The influence of lateral karst cave on the limit condition of pile diameter of no less than 3-5d
摘要：岩溶地区桩基的勘查深度影响着后续桩基的稳定性，国内外对岩溶复杂地质区域的桩基勘察，一般采用3~5d桩径的概化模式，然而这种模式通常与实际现场有区别。本文分析了桩基底端侧面（3~5d）范围内存在溶洞时，对桩基稳定性的影响。通过计算桩基底端侧面溶洞顶板的安全厚度，圈定桩基底端侧面溶洞走向方向的移动影响范围，结合溶洞对桩基稳定性分析的数值模拟计算结果。得出：当桩基底端侧面（3~5d）范围内存在溶洞时，建议在施工勘察阶段设计勘察钻孔深度应大于3~5d桩径，甚至要达到侧向溶洞底板的最低限度。
关键词：侧向溶洞，桩基勘察，稳定性
Abstract: The exploration depth of pile foundation in karst area affects the stability of subsequent pile foundation. Generally, the 3-5d pile diameter generalization model is adopted for the exploration of pile foundation in karst complex geological area at home and abroad. However, this model is usually different from the actual site. In this paper, the influence of karst caves on the stability of pile foundation is analyzed when there are karst caves in the range of 3-5d at the bottom of pile foundation. By calculating the safety thickness of the roof of the side cave at the bottom of the pile foundation, the influence range of the movement of the direction of the side cave at the bottom of the pile foundation was delineated, and the numerical simulation results of the stability analysis of the pile foundation were combined with the numerical simulation results of the cave. It is suggested that when there is a karst cave in the side of the bottom of pile foundation (3-5d), the depth of the drill hole should be greater than 3-5d of the pile diameter in the construction and investigation stage, and even reach the minimum limit of the bottom plate of the karst cave.
Keywords: lateral karst cave, pile foundation survey, stability
1 前言
据地质资料统计，我国是岩溶发育区域，目前我国碳酸盐岩裸露分布区面积约130km2，埋藏分布区面积约70km2。对于岩溶地质发育的区域，由于岩溶的地质形态相对较复杂，对溶洞的分布位置及分布状态很难采用简单的方法调查清楚[1-4]。因此在这些区域进行开发，往往是地质灾害多发区域，嵌岩桩具有抗变形能力强，承载力较大，能适用于这种普遍复杂的地质环境，在岩溶区的工程建设中得到了广泛应用。然而，在岩溶区域采用嵌岩桩来支撑建筑物，首先必须弄清楚岩溶的分布情况，岩溶顶板层厚度的稳定性，进而确定嵌岩桩植入深度，因此进行可靠的地质勘探尤其重要。对岩溶区地质区桩基勘察深度的设计，目前大都依据，《岩土工程勘察规范》（GB50021-2009版）的4.9条规定：一般性勘探孔的深度应达到预计桩长以下3~5d（d为桩径），且不得小于3m，对大直径桩不得小于5m的要求[5]。但随着近几年我国经济的高速发展，越来越多的高大建筑需要开发建设，岩溶地质区域的施工勘查任务越来越艰巨，在桩基施工前进行的施工地质勘察，合理确定勘探孔孔深显得尤其重要。在实际工作中这种3~5d概化模式与绝大多数现场实际情况是有区别的，特别是岩溶地区勘探深度的确定，应建立在了解岩溶区基本形态及参数的基础上，而不是简单的3~5d所能确定的。因此在岩溶区域的地质勘察，必须查清岩体的完整性，确定桩端底板的稳定性。目前国内对溶洞桩基的稳定性研究，主要采用经典的结构力学计算原理与数值模拟研究，对位于溶洞上方的桩基稳定性研究较成熟，但对桩基底端侧面（3~5d）范围内存在溶洞的情况，对桩基的稳定性影响研究较少。
往往由于对桩基侧向溶洞附近的勘察孔设计深度认识不足，在工程中发生不可挽救的损失。例如国内发生的一项著名的某特大桥事故案例，就是因为对桩基附近侧向溶洞的勘察深度不够，导致了无可挽回的损失。该特大桥的建设项目设计桩径为2.2m。在施工图勘察阶段，设计单位依照规范的要求，设计桩的勘察深度为进入基岩4d桩径，勘察单位按照勘察设计进行勘察，得出该地区为岩溶不发育地质区。然而施工单位按照勘察资料进行桩基施工后，发现20根桩中有9根桩之间存在溶洞，该大桥附跨主体早已完成，仅余4、5号墩间的主跨，停工至今已经8年余，停工原因未进一步跟进[6]。类似由于地质资料勘察不到位，导致工程暂停或者停工的案例很多，为了验证侧向溶洞影响对桩基勘察深度不小于3~5d桩径和5m限制条件，本文根据某岩溶区地质资料，采用理论计算与有限元数值模拟方法结合，分析某岩溶区勘探孔的在溶洞侧面距离预计桩长3~5d的稳定性问题，确定了侧向溶洞3~5d范围桩基是否在溶洞的移动影响范围之内，从而进一步分析桩基距离侧向溶洞3~5d距离时是否应穿过溶洞，为桩基地质勘察工作提供理论方面的技术指导。
2 工程概况
衡阳市常宁市某工程。拟建楼为1#栋~5#栋，均为28F，剪力墙结构，初步设计基础形式为冲孔桩或人工挖孔灌注桩基础，基础持力层为中风化石灰岩。
勘察为地基基础超前钻。目的是查明基岩持力层影响范围内是否存在软弱夹层、溶蚀裂隙及溶洞等不良地质作用，桩端基岩的完整性。根据设计和建设方要求，对场地的444根桩位置（地下室部分为承台）进行了超前钻。钻孔孔深及要求均按照设计方提供的“超前钻说明”进行施工，保证基础连续完整中风化炭质灰岩厚度不小于5m。本文研究选取7-7勘探剖面图作为研究对象，分析研究桩基底端侧面（3~5d）范围内溶洞对桩基勘察深度的影响，以确定桩基探察深度是否满足要求。该项目设计桩直径为1.2m，在桩基桩基底端右侧约5d桩径（6m）距离处发现一个溶洞，该溶洞的跨度为17.5m，溶洞高度为23.5m，本次勘察孔依次揭露的岩层有素填土、粉质粘土层，并按照《勘察设计规范》要求进入基岩5d直径，勘察剖面图如下：
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图2-1勘察剖面图
3侧向溶洞顶板安全厚度理论计算
3.1计算原理
本文主要采用抗弯验算、抗剪验算法的结构力学分析方法，进行侧向溶洞顶板的安全厚度核算，以此来分析侧向溶洞对桩基的稳定性。
由于岩溶分布在灰岩中，溶洞埋深的岩性较为完整，溶洞的两侧基础岩层完整，岩层抗压强度较高，且溶洞的跨度较大，溶洞顶板主要表现为抗压破坏，因此溶洞可以按照梁板受力结构，计算溶洞顶板的厚度（H），计算得出溶洞的顶板厚度（H）再乘以相应的安全系数，即为溶洞顶板的安全厚度。
根据《岩溶地区建筑地基基础技术标准》（GB/T 51238-2018），按照抗弯强度验算，需满足下列关系式[7]：
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一般情况下，岩体的工程质量分类为Ⅰ或Ⅱ岩体时，溶洞顶板厚度可以按照固定梁端的结构模式计算；当溶洞顶板岩体工程质量分类为Ⅲ或Ⅳ岩体级别时，溶洞的顶板厚度可以按照简支梁的结构模式进行计算。本文研究中侧向溶洞顶板岩体质量等级分类为Ⅲ类岩体，故按照简支梁的计算结构模型计算。另外溶洞顶板的上覆岩层按均布荷载计算，桩基作为集中荷载计算，桩基上部建构物采用集中荷载作用在桩基顶部，集中荷载取值为5000km/m，其中作用在溶洞顶的力采用45°进行分力折算。岩体的抗压、抗剪强度参数参照表5-1。
3.2计算结果分析
溶洞的区域岩层性质及岩石力学参数见表5-1，根据近似结构力学分析法，顶板抗弯、抗剪验算计算得出岩溶的安全顶板厚度抗弯验算最小值为4.9m，抗剪验算最小值为3.9m。
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根据近似结构力学分析法的计算结果，选取1.5的安全系数，计算得出溶洞顶板的安全厚度为7.35m（5.85m），综合得出溶洞的安全顶板厚度为7.35m。
根据现场调查该溶洞跨度为17.5m，覆盖岩层厚度约38.6m，取1.5的安全系数，则桩基深度小于溶洞顶板的安全厚度，表明桩基位于溶洞的影响范围内，设计桩基深度应加长，从而推测出勘察孔深度应大于3~5d桩径。
4根据移动角圈定侧向溶洞移动影响范围
根据国内外矿山的实践经验，分析采空区对地表建筑物影响，主要采用移动角确定坑内外岩移范围，从而确定采空区对地表建筑物是否产生影响。
溶洞具有与采空区相同的形态，且对地表建构物的影响作用具有相同的表现形式。因此本文参考《三下开采规程》中的地下矿山采空区移动角的经验公式，确定溶洞对相邻桩基的影响。根据本次勘探出溶洞的大小，石灰岩的岩石力学特性及溶洞工程地质条件，按照保守角度取沿走向方向的移动角δ为70°，表土层及第四系岩土层的移动角γ为45°，计算得溶洞地质剖面图上岩层移动范围如图4-1所示。
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图4-1 溶洞移动影响范围图
由图4-1，可知拟建的桩基位于溶洞地表移动范围之内。因此，溶洞对相邻3~5d范围内的桩基有一定的影响，从而推测出在临近溶洞区域的桩基深度应大于3~5d桩径，甚至应深入溶洞的最低位置。
5 桩基稳定性有限元数值分析计算
5.1 理论基础及相关参数设定
根据岩溶的地层参数，确定有限元数值模拟的岩体力学参数见表5-1。计算过程岩石采用摩尔-库伦（(Mohr-Coulomb)屈服准则，该屈服准则的控制方程为：
（5-1）
最大拉应力屈服准则函数为：
（5-2）
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模型边界条件为：底部采用位移边界条件，即水平和垂直方向的位移均约束；侧面水平方向位移约束。 采用8节点四边形等参单元。计算模型见图5-1
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5.3数值模拟计算结果分析
图5-2~图5-3为侧向溶洞附近桩基的稳定性数值模拟计算结果，图5-2为桩基位移云图，从位移沉降图可以看出，整个模型发生的最大位移沉降为24.9mm，在溶洞顶板侧面靠近桩基一侧发生了最大沉降位移为14.9mm。依据《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011），对于框架结构的桩基沉降限值标准，中、低压缩性土为0.002L[8]，工程中桩基间距一般为8~10m，故桩基位移限值为16~20mm。本次数值模拟计算得出该项目桩基位移大于规范规定的限值，桩基处于不稳定状态。
从塑性区云图可以看出，在在溶洞的两侧及软弱地层发生了较大的塑性区变形，这是由于溶洞及软弱地层的岩性条件较差，桩基上部的压力荷载挤压软弱地层与溶洞区，使该区域岩石发生了受压的剪切破坏。
综合数值模拟计算结果，对于侧向溶洞附近存在的桩基，桩基的设计深度为基岩3~5d范围时，桩基的地基沉降大于规范要求，且桩基处于受剪切破坏的溶洞侧面，溶洞的塑性区范围将影响桩基。因此本文研究得出，在侧向溶洞等复杂地质环境区域，桩基深入基岩应大于5d桩径，故在桩基勘察阶段，应加深桩基的勘察深度。
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图5-2竖直方向位移云图 图5-3塑性区云图
6结论
本文采用经典结构力学确定溶洞顶板的安全厚度、移动角圈定的溶洞移动影响范围、桩基稳定性有限元数值模拟等分析手段，确定侧向溶洞3~5d桩径范围内的桩基稳定性，通过以上分析得出：
（1）根据近似结构力学分析计算方法，计算得出溶洞最小安全顶板厚度为7.35，桩基位于溶洞安全顶板范围以内，表明设计桩基深度应加长，从而推测出在勘察阶段，设计勘察孔深度应大于3~5d桩径。
（2）参考《三下开采规程》中的地下矿山采空区移动角的经验公式，确定溶洞走向方向移动角基岩层取值70°，表土层取值45°，圈定了溶洞的移动影响范围，计算得出桩基位于溶洞移动影响范围内，表明桩基深度应加长，进而推测出桩基勘察深度应大于5d桩径，才能确保桩基的稳定性。
（3）采用有限元数值模拟计算，分析了侧向溶洞3~5d范围之内的桩基进行了稳定性分析，分析结果表明桩基的位移沉降大于规范的20mm限值；桩基处于溶洞塑性区破坏影响范围以上。应确保桩基的稳定，设计桩基深入基岩长度应大于5d桩径。
综合以上分析得出：当桩基底端侧面（3~5d）范围内存在溶洞时，建议在施工勘察阶段设计勘察钻孔深度应大于3~5d桩径，甚至要达到侧向溶洞底板的最低限度。
参考文献(References)：
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[5]GB50021-2009，岩土工程勘察规范 [S]
[6]覃有军. 关于岩土工程勘察灰岩地区的浅层岩溶形态特征和对桩基勘察深度影响[J].地质勘测,2013,(6):272-273
[7]GB5007-2011，建筑地基基础设计规范[S]
[8]GB/T 51238-2018，岩溶地区建筑地基基础技术标准[S]