摘要：以广那高速公路K0+110大桥24-1号桩基出现的特大型岩溶空洞为例，针对岩溶空洞影响下的桩基安全性进行分析，提出采用“钢筋混凝土+浆砌片石”双层护壁的施工方法。利用有限元分析软件，建立桩-岩溶-岩土体相互作用模型，通过分析护壁前后桩基的桩顶沉降、竖向承载力、桩端承载力及桩侧摩阻力等参数，验证该施工方法的可行性，为类似工程提供借鉴经验。

关键词：桩基工程;承载力特性;数值模拟;特大型岩溶;双层护壁;

陈兆甲（陈兆明）

基金：福建省交通运输科技项目，项目编号2018Y032;

随着我国公路建设规模的日益扩大，公路桥梁不可避免地穿越地质条件复杂的岩溶地区。云南省地处中国西南部，地下水系丰富，岩溶发育程度高，岩质腐蚀严重。岩溶的分布位置及发育情况对桩基承载力有重要影响，同时在桥梁桩基施工过程中岩溶空洞亦会造成塌孔、漏浆等工程问题，严重影响岩溶发育区桥梁桩基的安全及施工进度[1,2]。目前，关于岩溶桩基施工技术境内外学者已做了大量的研究，龚成中等[3,4]利用有限元分析方法，探讨溶洞对桩基承载力的影响；董芸秀等[5]、冯忠居等[6,7]、姚宏生等[8]、方贻立等[9]提出综合考虑溶洞尺寸、位置、填充情况和地下水分布等因素下适合的溶洞处治方案，确保桩基成桩质量。此外，桩基施工时溶洞的处理方法也各有不同。冯庆元等[10]在桩基施工过程中，采用帷幕注浆、桩端加固注浆以及采用高压注浆对吉隆坡大马城北站基坑存在溶洞进行防水加固，达到了防水的效果；胡拥军[11]针对多安大桥桩基施工溶洞处理，介绍了“钢护筒+片石黏土回填”施工方法；迟立梅[12]以广东武江公路大桥18-4号桩和14-1号桩为例，提出了“钢护筒+片石黏土回填+注浆”综合处理法；陈熙国等[13]针对隧道仰拱空洞区内陡坡桩基施工难点进行分析，结合陡坡回填桩基“先回填后成桩”的施工特点，提出相应的桩基施工质量控制要点；石振明等[14]以吉安永和大桥桩基施工为例，综合考虑质量、安全、工期等多方面因素，提出了采用钢护筒跟进与溶洞回填的处理方案；姚进等[15]以乌江特大桥4.0m大直径岩溶桩基施工为例，提出了相应的施工工艺，确保施工的顺利进行；李军伍等[16]提出采取片石黏土回填、压注双液浆、灌砂压浆、灌低标号混凝土、护筒跟进等措施，有效地解决了岩溶带来的施工困难。

为确保岩溶发育区桥梁桩基安全与施工，结合广那高速公路桥梁桩基施工过程中出现的特大型岩溶空洞问题，利用Marc有限元分析软件，分析采用“钢筋混凝土+浆砌片石”双层护壁处理岩溶桩基后的承载力性能，验证该施工方法的可行性和安全性。

云南广那高速公路广南连接线主线右幅K0+110大桥全长635m,上部结构为先简支后连续预制T梁和现浇连续箱梁，下部构造为双柱墩、三柱墩、四柱墩，桩基为钻孔灌注桩。大桥桥型布置示意见图1。

K0+110大桥桥址区地形两岸高，中间低，波状起伏，两山夹持河谷、盆地。桥位区最高约1422m,最低约1380m,相对高差42m。地貌上具有多样性，既有构造、剥蚀作用形成的低中山地貌，又有山麓斜坡堆积形成的坡积裙及山前冲、洪积形成的河谷、盆地地貌。

图1K0+110大桥布置桥型示意

根据地质勘测与钻探资料，大桥轴线穿越地层较多，岩性主要为碳酸岩类和碎屑岩类，上层为粉质黏土、碎石，下层为灰岩。由于桥址区降雨量充沛，形成了该区较多的喀斯特地貌景观。地貌按成因类型可分为溶蚀、侵蚀地貌。根据已有研究表明，当地多次施工发生岩溶未提前探测清楚，导致在施工中遇溶洞区，增大施工难度，耽误施工工期。

K0+110大桥位于裸露型岩溶区，地表可见岩溶洼地发育。典型岩溶出现在24-1号桩位处，桩长15m,桩径1.6m。施工过程中，钻孔钻至距桩端设计标高3.6m处时，孔壁坍塌，桩左侧出现贯穿左幅的溶洞，溶洞高约10.3m,纵向长度约11.2m,宽度约8.2m。溶洞内充满大量岩溶水，造成24-1号孔发生漏浆，见图2。由于溶洞规模较大，现场采用钢护筒跟进(钢护筒高度1.5m×2)、回填法(主要回填片石黏土)等多种方式进行处理，但仍难以成孔，处理效果不佳，见图3。

图2挖孔时出现漏浆

图3现场施工处置措施

产生问题的主要原因：(1)特大型溶洞空洞区距24-1号孔位较近，当进行钻进施工时，孔周岩土体受到扰动，孔壁发生坍塌，造成孔内泥浆液面迅速降低；(2)随后采取钢护筒跟进法进行处理时，由于钢护筒跟进深度不够，下部溶洞段发生塌孔，难以成孔；(3)对溶洞段采用回填处理时，回填的片石黏土封堵漏浆孔，保证钻孔继续进尺，见图4(a),此时当孔内泥浆压力大于回填土产生的抗力时，回填土与泥浆之间未能保持平衡，回填土被冲开，钻孔发生漏浆，难以成孔，见图4(b)。

由于本工程溶洞属于特大型溶洞，并且溶洞内充斥着大量的岩溶水。为保证施工正常进行、降低施工难度、提高可操作性，待地下水位下降后，桩基成孔方式变更为人工挖孔，同时在溶洞段桩周采用“钢筋混凝土+浆砌片石”双层护壁进行处理。具体措施为：采取人工下孔砌筑孔洞的方法，孔洞护壁外侧采用60cm厚浆砌片石，护壁内侧采用100cm厚C30混凝土，设单层?16钢筋网片，网格间距20cm×20cm。为了验证该方法是否能够满足施工要求，采用数值模拟验证此方法的可靠性。

图4回填片石黏土处理溶洞

选取Marc有限元软件，对桩基采用竖向分级加载的方式进行模拟，见图5。

图5模型内部剖面

有限元模型中，桩径1.6m,桩长15m,地基为中风化灰岩。桩周地基土的计算范围为：沿x方向无溶洞侧土体范围取8D,即12.8m,有溶洞侧溶洞外壁至边界土体范围取10D,即16m;沿y方向桩到边界范围取13.5D,即21.6m;沿z方向桩端至边界岩层范围12D,即19.2m。边界条件设定为四周固定x和y方向位移，底面固定x、y、z方向位移。模型中桩、护壁采用线弹性本构模型；浆砌片石、岩土体采用弹塑性本构模型，依据Mohr-Coulomb屈服准则进行设计。根据现场实测数据及经验取值，数值模拟材料参数见表1。

通过对比现场地勘资料计算得到无岩溶时理论计算和数值模拟计算得到的桩基竖向极限承载力差异，以此验证数值模拟结果的可靠性。

桩基承载力[17]主要由两部分组成：桩侧摩阻力与桩端承载力，根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)[18]的经验公式法可得单桩极限承载力见式(1):

表1数值模拟材料参数

材料名称

弹性模量 E/kPa

泊松比 μ

黏聚力ckPa黏聚力ckΡa

内摩擦角 φ/(°)

容重γkN?m?3容重γkΝ?m-3

桩(混凝土)

3×107

0.20

—

—

25.0

护壁(混凝土)

2×107

0.20

—

—

25.0

浆砌片石

4.5×105

0.20

15

30

23.0

中风化灰岩

2.0×105

0.25

15

25

23.0

Qu=Qsk+Qpk=u∑i=1nqsikli+Apqpk?????????(1)Qu=Qsk+Qpk=u∑i=1nqsikli+Apqpk?????????(1)

式中：Qu为桩基极限承载力；Qsk、Qpk分别为总极限侧摩阻力标准值和总极限端阻力标准值；u为桩身周长；li为桩周各土层的厚度；qsik为与li对应的各岩土层与桩侧的极限侧摩阻力标准值；Ap为桩端截面面积；qpk为桩端承载力标准值。

数值模拟得到桩基P～S曲线，见图6。

图6无溶洞时桩基P～S曲线

由图6可知，P～S曲线呈缓变型，考虑到桥梁结构的重要性、对沉降的敏感性和对地基承载力的更高要求，极限承载力取40mm沉降时对应的荷载值[19,20],得到数值模拟计算的极限承载力为31.97MN,根据理论计算得出无溶洞时桩基极限承载力为31.65MN,相差0.32MN,误差仅为1.0%,说明数值模拟采用的本构模型与参数等具有可靠性，结果可信。

通过数值仿真技术模拟现场不同的施工方法：无护壁和增设护壁，见表2。

表2数值模拟方案

桩径Dm桩径Dm

桩长Lm桩长Lm

溶洞高度 H/m

溶洞跨度 L/m

处置方式

1.6

15

10

11×8

无护壁

“钢筋混凝土+浆砌 片石”双层护壁

从竖向承载力方面，分析无溶洞、有溶洞无护壁及采用“钢筋混凝土+浆砌片石”双层护壁3种工况下的荷载～沉降曲线，见图7。

图7溶洞处理后桩基P～S曲线

由图7可看出，随着桩顶荷载的增加，3种工况下，桩基P～S曲线变化规律基本相同，均表现为缓变型。当桩顶荷载小于20MN时，3种工况的荷载～沉降曲线荷载近似呈线性增长并且差别不大，当桩顶荷载大于20MN时，桩顶沉降曲线出现分叉，且呈现不同程度曲率。有溶洞无护壁曲率最大，无溶洞次之，有溶洞有护壁时最小。

设计时按无溶洞桩基考虑，此时极限承载力为31.97MN,桩顶沉降值为40mm。当有溶洞无护壁时，桩顶荷载加载到31.97MN,桩顶沉降达到57.23mm;采用双层护壁后，桩顶荷载加载到31.97MN时，桩顶沉降仅36.45mm。当出现溶洞并采用双层护壁处理后，桩基沉降值降低了36.3%,说明双层护壁法加固岩溶桩基能有效控制桩基变形量。

按沉降确定极限承载力时，无溶洞时桩基极限承载力是31.97MN,出现溶洞未做处理时桩基极限承载力为27.91MN,采用“钢筋混凝土+浆砌片石”双层护壁时，极限承载力为33.53MN,桩基极限承载力提高了20.1%。说明当桩侧出现特大型溶洞，桩侧岩层严重缺失，极限承载力降低，采用双层护壁加固桩周后，护壁增强桩侧摩阻力，桩基极限承载力提高。

对模型采用分级加载，当桩顶荷载为30MN时，桩身轴向受压承载力见图8。

图8桩顶荷载30MN下的桩身轴向受压承载力

由图8可以看出，当桩顶荷载相同时，3种工况下桩身轴向受压承载力均沿桩身深度方向逐渐衰减，在进入溶洞段后桩身轴向受压承载力衰减程度出现差异，衰减程度由大到小依次为：溶洞有护壁、无溶洞与有溶洞无护壁。说明当桩周无溶洞时，在桩顶荷载作用下，桩与桩周岩体发生相对位移产生桩侧摩阻力承担荷载，轴力沿桩身方向逐渐减小；当桩侧出现溶洞未做处理时，由于溶洞段桩侧岩体缺失，岩体强度降低，溶洞段桩侧摩阻力发挥程度降低，桩身轴向受压承载力减小程度也降低；当桩侧溶洞采用双层护壁法处理后，进入溶洞段由于桩侧采用钢筋混凝土与浆砌片石进行加固处理，桩侧加固体强度增大，此时在产生桩-岩体相对位移时产生的桩侧摩阻力增大，桩身轴向受压承载力衰减程度增大。由此可以看出，当桩基周围遇到溶洞时，对桩基采用双层护壁措施是合理的，能够保证桩基的安全性。

桩端承载力和桩侧摩阻力分配情况见图9。

由图9可以看出，桩侧摩阻力由大到小依次是：有溶洞有护壁、无溶洞、有溶洞无护壁。无溶洞时，桩侧岩层完整，桩侧摩阻力充分发挥；出现溶洞时，桩侧岩层缺失，桩侧摩阻力由24078kN减少到20539kN,其分配由75.3%降低到73.6%,桩端承载力由7893kN降低到7372kN,其分配由24.7%增加到26.4%;采用双层护壁后，护壁代替岩层提供桩侧摩阻力，桩侧摩阻力增加到27991kN,其分配增加到84.5%,桩端承载力降低到5540kN,其分配降低到16.5%。桩进行护壁处理后，桩侧摩阻力比有岩溶无护壁时增加了36.3%,桩端承载力比有岩溶无护壁时减少了24.9%。

通过分析数值模拟结果从桩基承载力、桩身轴向受压承载力、桩端承载力和桩侧摩阻力分配等方面说明了溶洞区双层护壁法的安全性和可靠性以及实际工程中的可行性，为类似工程的施工提供了借鉴。

图93种工况下桩端承载力和桩侧摩阻力

依托广那高速公路K0+110大桥实体工程，基于Marc有限元软件，建立了符合工程实际的有限元模型，分析了采用“钢筋混凝土+浆砌片石”双层护壁法处理桩侧特大溶洞时桩基承载力特性，结论如下。

(1)对桩基采取双层护壁的方法可以降低桩基的沉降(沉降较有溶洞无护壁时减少36.3%),提高桩基承载力(承载力较有溶洞无护壁时提高20.1%)。桩身轴向受压承载力沿桩身减小速度加快，增加了桩侧摩阻力的比重，保证了桩基的安全。

(2)在溶洞处对钻孔采用“钢筋混凝土+浆砌片石”双层护壁处理方法，处理后的桩基极限承载力较无岩溶时显著增加，桩基达到安全稳定的状态。由此可见对于桩基中出现的特大型溶洞，采取双层护壁处理是一种可靠的处治措施。

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