岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响分析及安全控制技术

' TheinfluenceofconstructionofbridgepileofhighwayfoundationinthekarstareaonadjacentexistingrailwayroadbedandsecuritycontroltechnologyADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：FuChangkaiSupervisor：Prof.FengZhongjuChang’anUniversity,Xi’an,China 摘要由于岩溶区地质条件复杂，使得公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响较大，因此，有必要对岩溶区桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基的影响展开研究。本文以肇花高速公路建设项目为依托工程，通过对京广铁路附近岩溶发育区域桥梁桩基施工进行现场监测，并结合有限元数值模拟，提出了相应的岩溶区桥梁桩基设计与施工安全控制技术。主要成果如下：1.通过现场实测资料得出：（1）邻近肇花高速公路桩基施工区域的京广铁路路基未发生显著的深层水平位移和地表沉降变形，可判定桩基施工期间，京广铁路路基稳定，桩基施工并未显著威胁其稳定性；（2）地下水位未发生显著变化，不足以产生显著的水力梯度威胁岩溶地区岩土体的稳定性。2.通过有限元数值模拟计算得出：（1）在桩孔与路基距离一定情况下，随着泥浆相对密度的增大，路基最大水平位移和沉降均呈减小的趋势，两者均在超过相对密度1.35后趋于稳定；（2）随着溶洞尺寸的增加，路基最大水平位移和沉降成明显增加趋势，且溶洞尺寸越大，增加幅度越快；（3）在溶洞尺寸及桩孔和路基距离一定的情况下，溶洞离地面的距离越近对路基的影响越大，溶洞处于桩孔上部位置时对路基影响要远远大于在桩孔底部的位置；（4）桩孔与路基的距离越近，影响相对越大，当大于6~8m（约3~4倍桩径D）时，桩基施工对邻近路基的影响很小，处于稳定阶段。3.数值模拟计算结果与现场监测结果反映的规律相一致，验证了数值模拟计算的可靠性，可为相似岩溶区桥梁桩基施工建设工程提供一定的参考性，避免凭经验方法估计对邻近构筑物的影响。4.为减小桩基施工对邻近既有铁路路基的影响，提出了相应的岩溶区桥梁桩基设计与施工安全控制技术，填补了现行岩溶区桥梁桩基设计与施工存在的难点。关键词：岩土工程；公路桥梁；桩基施工；既有铁路路基；现场监测；数值模拟；安全控制技术I AbstractThecomplexityofkarstgeologicalconditionsmakesconstructionofpilefoundationofbridgehaveagreateffectonstabilityoftheadjacentrailwaybed.Therefore,itisnecessarytolaunchsomeresearchthatconstructionofpilefoundationofbridgemakeeffectonstabilityoftheadjacentrailwaybed.TheprojectmadethefieldmonitoringforpilefoundationconstructioninthekarstregionnearthebridgeofBeijing-GuangzhourailwayaccordingtoZhaoHuaexpresswayconstruction,combiningwithfiniteelementnumericalsimulation,and,thesafetycontroltechnologyofdesignandconstructionofbridgepilefoundationinkarstareaisstudied.Themainresultsareasfollows:1.Themeasureddataobtainedbyfield:(1)Beijing-Guangzhourailwaybedintheareaofconstructionofpilefoundationinthekarstareahadnodeephorizontaldisplacementanddeephorizontaldisplacement.Beijing-Guangzhourailwaysubgradewasstableduringthetimeofconstructionofpilefoundationofbridge;(2)Nosignificantchangesoccurredinundergroundwaterlevel,andproducingnosignificanthydraulicgradientthreateningthestabilityoftherock.Andthegreaterthesizeofcave,theincreasefasterinamplitude2.Thecalculationthroughthefiniteelementnumericalsimulation:(1)withtheincreasingintherelativedensityoftheslurry,themaximumhorizontaldisplacementandsettlementofsubgradeshowedadecreasingtrendundercertaincircumstancesbetweenpileholeandroadbeddistance.Bothofthemaretobegentlefrombehindtherelativedensity1.35;(2)withtheincreasingofthesizeofthecave,themaximumhorizontaldisplacementandsettlementofsubgradeshowedanincreasingtrend.Andthegreaterthesizeofcave,theincreasefasterinamplitude(3)Thefluenceofpileholecaveintheupperpositionhaveagreateffectonthesubgradethaninthepileholebottompositionundercertaincircumstancesbetweenpileholeandroadbeddistance;(4)Thecloserthedistancebetweenthepileholeandtheroadbedis,therelativelylargertheimpactis.Whenthedistanceismorethan6~8m（about3~4D）,theinfluenceofpilefoundationconstructionontheadjacentembankmentgraduallytendstobebalance,andtheimpactisrelativelysmall.3.Theresultsofnumericalsimulationandfieldmonitoringresultsreflectthesamelaw.Consequently,provingthereliabilityofthenumericalsimulationcalculation,andcouldIII providescertainreferenceforbridgepilefoundationinkarstarea,avoidingtoestimatetheinfluenceofadjacentstructuresbyempiricalmethods.4.Thesafetycontroltechnologyofdesignandconstructionofbridgepilefoundationinkarstareaisstudied,inordertoreducingtheinfluenceonadjacenttotheexistingrailwaysubgrade,fillingthedifficultiesofcurrentdesignandconstructionofpilefoundationinkarstarea.Keywords:geotechnicalengineering;highwaybridge;pilefoundationconstruction;existingrailwaysubgrade;fieldmonitoring;numericalsimulation;safetycontroltechnologyIV 目录第一章绪论..............................................................................................................................11.1目的和意义..................................................................................................................11.2国内外研究现状..........................................................................................................21.2.1岩溶区桩基施工安全监测研究现状................................................................21.2.2岩溶区桩基施工对邻近既有构筑物的影响研究现状....................................41.2.3岩溶区跨线桥梁桩基设计与施工安全控制技术研究现状............................61.3主要研究内容及研究思路..........................................................................................9第二章肇花高速公路岩溶区公路桥梁桩基施工环境特点................................................112.1概述............................................................................................................................112.2岩溶发育机理及特征................................................................................................112.2.1岩溶地形地貌..................................................................................................112.2.2岩溶发育的基本条件......................................................................................122.2.3岩溶发育的基本规律......................................................................................132.3肇花高速公路工程概况............................................................................................142.4京广铁路附近区域工程水文地质条件....................................................................152.4.1工程地质条件..................................................................................................152.4.2水文条件..........................................................................................................162.5小结............................................................................................................................17第三章岩溶区公路桥梁桩基施工现场监测结果与分析....................................................183.1概述............................................................................................................................183.2监测方案....................................................................................................................183.2.1监测对象及测点布设......................................................................................183.2.2监测方法及要求..............................................................................................193.3监测成果分析............................................................................................................233.3.1路基深层水平位移监测成果分析..................................................................233.3.2沉降监测成果分析..........................................................................................293.3.3地下水位监测成果分析..................................................................................303.4小结............................................................................................................................32第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析........33V 4.1概述............................................................................................................................334.2有限元计算模型........................................................................................................334.2.1几何模型与单元划分......................................................................................334.2.2本构模型..........................................................................................................354.2.3边界条件..........................................................................................................374.3计算参数与计算方案................................................................................................384.3.1参数选取..........................................................................................................384.3.2计算方案..........................................................................................................394.4计算成果分析............................................................................................................404.4.1泥浆相对密度变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响..............................404.4.2溶洞尺寸变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响......................................494.4.3溶洞位置变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响......................................544.4.4桩孔与路基距离变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响..........................584.5数值模拟计算结果与现场监测结果对比分析........................................................644.6小结............................................................................................................................66第五章岩溶区公路桥梁桩基设计与施工安全控制技术....................................................685.1概述............................................................................................................................685.2岩溶区地质勘查要求与方法....................................................................................685.3岩溶区地基处理原则与方法....................................................................................695.4岩溶区桥梁桩基设计安全控制技术........................................................................715.5岩溶区桥梁桩基施工安全控制技术........................................................................735.6小结............................................................................................................................75结论及建议..............................................................................................................................76主要结论...........................................................................................................................76进一步建议.......................................................................................................................77参考文献..................................................................................................................................78攻读硕士学位期间取得的研究成果......................................................................................83致谢..........................................................................................................................................84VI 第一章绪论第一章绪论1.1目的和意义岩溶在我国分布特别广泛，遍布全国各地，几乎占据国土面积的三分之一。岩溶发育将会大幅度降低岩石的稳定性和强度，在岩溶区施工活动产生的震动和附加荷载作用下，易引发岩溶塌陷、岩溶涌水等地质灾害，致使岩土体开裂、突然陷落及不均匀沉降等一系列不可预估的问题。岩溶塌陷一方面造成工程建设难度显著增大，另一方面也会对邻近既有建筑、道路、桥梁等构筑物的安全与稳定构成威胁，给人们的生命及财产造成巨大的损失。我国高速公路路网进一步加密，岩溶区新建高速公路跨越既有铁路线的情况屡见不鲜。由于铁路线承担交通功能强、交通量大，跨越既有铁路线的跨线桥施工必须在不中断交通的情况下进行，既要保证既有铁路线交通畅通与行车安全，还要顾及跨线桥的施工安全及施工质量，因此施工难度较大，出现的问题较多，且风险等级很高。岩溶区跨越既有铁路线的公路桥梁施工无法回避以下两个技术与安全难题：（1）岩溶区桥梁桩基施工存在的施工质量及施工安全问题；（2）桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性的影响及其安全问题。上述问题因地形条件、地质条件、邻近环境、施工工艺等因素的影响，产生的安全问题复杂多变。既有铁路路线车流量大、运营速度高，跨线桥施工时间性强，如果跨线桥施工工艺不合理从而引发施工灾害，将导致交通中断，甚至造成重大行车和人身伤亡事故，后果不堪设想。在肇花高速公路的建设中，狮岭高架桥跨越京广铁路，该区段岩溶发育强烈，桥梁桩基础施工极易出现塌孔、漏浆及地表大面积沉陷，对既有铁路路基稳定性的影响及程度、安全隐患、安全评价指标等问题值得研究。本文结合肇花高速公路狮岭高架桥跨越京广铁路建设工程，对岩溶地区桥梁桩基施工给京广铁路路基带来的影响开展研究，在广泛调研的基础上，通过现场监测、数值分析、理论分析等手段，着重解决岩溶区桥梁桩基施工对既有铁路路基稳定性的影响、穿越既有铁路的岩溶区公路桥梁安全施工的工程技术等方面的问题。研究成果可更大限度地保证穿越既有铁路的岩溶区公路桥梁施工的安全与既有铁路的安全运营，能大大减少桥梁工程的建设费用和后期养护费用，降低公路与铁路交叉的相互影响，一定程度上预1 长安大学硕士学位论文警和防范公路与铁路交叉相互作用存在的安全隐患，具有显著的社会效益、经济效益及技术效益。1.2国内外研究现状1.2.1岩溶区桩基施工安全监测研究现状田宁[1]以成灌高铁运营期路基监测作为工程实际，对高速铁路运营期路基沉降进行了相应的监测，通过研究对比分析选择了最佳监测方案，同时分析了影响测量精度的主要因素，通过现场监测成果得出了沉降在其运营期间的变形规律，并依此为背景，研究了高铁路基的计算平台。贺胡国[2]采用了多种元器件对武广铁路客运专线进行了路基沉降变形的监测，同时，又详细介绍了各种监测元件的使用方法及原理，并进行了相互对比分析。认为最好的监测方法为适用广且成本低的沉降板法，另外在实际路基监测时，应考虑路基高度和宽度、路基填料类型以及路基边坡的影响。杜文举[3]对路基沉降监测进行了分析研究，认为在进行路基沉降监测时应考虑到路基表面、基础底面、路堤、过渡段的沉降监测，如有需要还需对它们进行水平位移的监测以及土工格栅的应力和应变监测等，布置原则为以路基中心为重点，包括路基面、基底和路堤的沉降，软土地基路堤地段还要进行水平位移监测，路基施工时出现问题常在于此。赵洪勇[4]对沉降板法、铁环分层沉降仪法、沉降水杯法以及剖面沉降仪法四种监测方法进行了对比分析，通过分析分为：由于沉降板法成本低且适用广的原因，常常被大量的应用；铁环分层沉降仪法适用性比较局限，只能用于某些特定的场合；水杯法操作比较复杂，但是由于自身成本低的原因也常常被应用到各种施工场合；剖面沉降仪法精度高，成本也相对较高，在科研项目上应用较多。焦广彦[5]对客运专线沉降监测方案进行了研讨，分析了各种监测网的建立及测量技术，并详细介绍了路基沉降监测的精度、频度以及内容，可以为实际工程郑西客运专线的沉降监测起到一定的理论指导和技术支持。邱恩喜[6]针对铁路路基开发了由GAN总线、传感器以及数据采集与分析软件系统等组成的沉降预警系统，并提出了能够准确监测路基变形趋势的压力传感器监测方法，另外，又开发了基沉降预警系统软件，可实时对路基任意时刻、任意监测点进行监测并进2 第一章绪论行数据分析。王智磊[7]基于地下水位变化对滑坡预测时序进行了分析，由于地下水位变化会导致滑坡推力的变化，通过建立实测滑坡位移变化加速度的向量自回归模型，可判定地下水位对滑坡体表面位移的影响及滞后时间。张杰[8]对铁路桥梁地下水位监测预警进行了研究，并详细介绍了J2EE平台下的Web开发的系统构架。另外，对水位的预警等级进行了划分，建立了地下水位的监测预警数据库。陈仁朋，许伟，汤旅军等[9]对地下水位的监测进行了详细研究，通过自制测试探头，实现了地下水位的自动监测方法，并在实际工程中进行了测试，认为TDR测试探头能够比较准确的反映地下水位的变化，与传统监测相比，表现出经济、快捷的优势，且能适应比较恶劣的环境。雷扬、郑刚等[10]研究了基坑开挖对邻近桩基的影响，通过现有的测斜监测技术对基坑开挖对邻近桩基产生的影响进行现场监测，并与三维有限元数值模计算结果进行对比分析，认为基坑开挖将会对邻近桩基产生较大的影响。丁勇春[11]对软土地区深基坑施工引起的变形及控制开展了研究，建立了基坑周边构筑物的整体概况模型，计算分析了基坑施工引起的变形对周边高价基础的影响，并制定相应的现场监测方案。通过数值模拟的计算结果与现场监测结果进行对比分析，验证了数值模拟计算结果的可靠性，可为相关工程提供理论依据和技术方面的支持。娄国充等[12]通过现有的沉降监测技术对路基沉降进行现场监测，并与沉降理论计算结果进行对比分析，分析了既有铁路、公路沉降变形控制指标，提出了公路的平整度控制标准以及隧道施工引起的不均勾沉降控制原则。郅友成[13]对既有铁路旁基坑开挖对高填方路堤稳定性的影响开展了研究，分析了后建工程施工对已有高填方路堤的影响，结合工程实际，通过对基坑开挖对周围土体变形的现场监测以及数值模拟计算结果对比分析。受公路桥梁桩基施工的影响，岩溶区土洞、溶洞易发生垮塌，引起岩土体变形，进而影响到邻近既有铁路路基的稳定，继而可能会给铁路运营带来一定的安全隐患。为评价京广铁路路基在肇花高速公路桥梁桩基施工期的稳定性、分析岩溶区桩基施工对京广铁路路基稳定性的影响，对紧邻的京广铁路路基进行深层水平位移监测、沉降监测及地下水位监测，由于对铁路路基的影响监测资料较少，因此，通过参考相似工程的监测方案以及监测技术应用到本文中，主要包括深层水平位移监测、沉降监测以及地下水位监3 长安大学硕士学位论文测。1.2.2岩溶区桩基施工对邻近既有构筑物的影响研究现状冯忠居教授[14~17]在桥梁桩基施工方面做了大量研究，其中主要包括：桩基施工过程中的一些不利状况，施工对周围环境影响的安全评价，桥梁结构自身的安全评价以及施工现场监测的详细研究。温世游、陈云敏等[18]通过对钻孔灌注桩变形机理进行研究分析，建立了泥浆护壁钻孔灌注桩变形机理的分析模型，把钻孔灌注桩的形成分为两个过程，一是桩孔开挖过程，另一过程则是混凝土灌入过程。另外，又提出了影像法的采用，考虑由此产生的竖向应力修正，把桩身分解成独立的球孔腔扩张或收缩效应之和。刘之葵等[19]通过野外调查，运用岩土力学理论、弹塑性理论、地下水动力学理论、极限平衡理论以及土工试验等研究手段和方法，对土洞和溶洞的稳定性、地基沉降变形等方面进行了系统研究。曹艳梅、夏禾、王昆鹏等[20]研究了紧邻既有铁路桥梁桩基础施工对行车的影响，并建立了桥墩-桥梁上部结构数值模拟计算模型、地基土层-桩基础-承台-桥墩三维空间数值计算模型以及车辆桥梁动力相互作用模型，对桥梁桩基础施工对行车的影响进行数值模拟计算分析，并将计算结果与规范进行对比分析，作出了相应的评价。杨立功等[21]对施工过程的钻孔灌注桩竖向承载性状开展了研究，对钻孔灌注桩施工过程进行了一些假定和简化，应用有限元分析软件ABAQUS模拟钻孔灌注桩的施工过程，对桩周土体应力变化和不同工况下的竖向承载形状进行了计算分析。李成柱、周志芳[22]通过对岩溶区桩基施工对地面沉降的影响开展了详细研究，并归纳总结了国内外各种数值计算模型，其中主要包括：理论法、半理论法以及经验法等，并对各种方法作出了相应的研究分析，阐述了每种模型的特点、优点以及不足之处。另外，指出了地表沉降模型以后的发展研究方向，研究结果可为相似工程提供理论依据和技术支持。马白虎[23]对桥梁桩基施工对周围环境的影响，特别是地表塌陷的灾害开展了研究，分析了桥梁桩基施工对地面影响的机理，详细介绍了岩溶区桥梁桩基设计与施工的安全策略。王清海[24]对铁路路基岩溶地面塌陷问题开展了研究，目的是建立合理的地面塌陷计算模型，并对其进行分类和抽象研究。通过对其基本模型和塌陷的机理进行总结，提出了塌陷的物质特征、运移与塌陷动力特征以及运移与塌陷通道特征三个方面的基本因4 第一章绪论素，并建立了地面塌陷动态预测的思路和方法。Ward和Measor&Williams[25]通过实验研究了桥梁桩基础施工对邻近隧道衬砌变形的影响，并提出桩基础施工可使隧道产生整体沉降，同时可使得距离桩基最近的隧道局部衬砌向内侧收敛。ChapmanT.,NicholsonD.&LubyD.[26]通过对桩基础施工给邻近隧道的影响进行了详细的探讨，认为隧道如果距非挤土桩很近时，桩基施工容易造成其发生变形和坍塌。孙映霞、张智浩、张慧乐[27]以大连海上体育休闲广场为实际工程背景，通过不同的典型力学模型分析影响参数对岩溶区桩基稳定性的影响。其中，关键无量纲量通过量纲分析方法被提取出来，溶洞稳定性指标可以用数值方法提取，通过提出的参数分析其对洞稳定性的影响程度。灰关联分析方法可以使各影响因素之间建立相应的关联，确定各个影响因素的主次关系，可为岩溶区桩基施工提供相应的理论依据和技术支持。SchroederF.C.,PottsD.M.&AddenbrookeT.I.[28]通过对二维和三维有限元模型模拟计算出来的结果对比分析，发现两种模型计算出来的结果相差较小，因此可以使用二维模型来计算排桩的影响，且新建桩基础的施工与荷载附加影响可以用隧道的整体变形描述。闫静雅、张子新、黄宏伟等[29]通过平面有限元软件计算分析了排桩荷载对邻近既有隧道应力与变形的影响，得出了桩间距、桩与隧道间距等因素对既有隧道的影响变化规律，同时指出在隧道一侧施加排桩荷载时，隧道的变形主要是竖向沉降，水平方向相对很小，而隧道所受弯矩会偏向排桩方向。赵明阶等[30]对有溶洞存在的全断面隧道开挖进行了三维数值模拟计算分析，结果表明：在开挖过程当中，开挖前和开挖瞬间产生的位移最大，且开挖之前与开挖瞬间前半断面的位移变化均与溶洞尺寸成正比，而开挖瞬间后半断面位移变化却与溶洞尺寸成反比。GarlangerJ.E.[31]详细介绍了岩溶塌陷区域的工程地质调查方法，结合工程实际提出了相应的基础设计原则和方法。PerrierH,SimonM和LacroixM.[32]对土工织物处理靠近路基的溶洞塌陷开展了比较深入的研究，认为土工织物形成网状结构可以有效的防止岩溶区路基的溶洞塌陷。AbdullaW.A.和GoodingsD.J.[33]详细介绍了位于岩溶地区石灰岩上的弱胶结沙层塌陷的发生与发展状况，并根据工程实际情况提出了相应的预测模型。陈明晓[34]研究分析了岩溶覆盖层塌陷的主要原因，并采用半定量的方法对桥梁桩基5 长安大学硕士学位论文下存在溶洞塌陷风险进行了预测分析。王建秀，杨立中等[35,36]通过研究分析铁路岩溶塌陷机理，建立了四种相应的宏观概念模型。陈华建[37]通过对冲孔灌注桩施工对既有桥梁桩基的动力影响分析研究，建立了其相应的三维模型，研究和分析桩基施工过程中冲击荷载距离、大小和深度、不同水平方向的冲击荷载以及土层分布等因素对邻近桩基变形的影响，可为相似工程提供理论依据和技术支持。李智彦、丁振明等[38]分析研究了钻孔灌注桩施工对邻近桩基的影响，通过有限元数值模拟计算分析了钻孔灌注桩施工过程，并对各个施工工序下周围土体的受力与变形特性进行了分析。岩溶区桥梁桩基施工对周围环境的影响较大，包括周围的公共设施、民用建筑以及附近交通等，由于岩溶区桩基施工对周围不同的设施影响机理基本相似，因此，本文查阅多种资料来研究桩基施工对京广铁路路基的影响机理。1.2.3岩溶区跨线桥梁桩基设计与施工安全控制技术研究现状冯忠居教授[39~49]在钻孔灌注桩、冲孔灌注桩及振动下沉桩的施工技术方面做了大量的工作，并结合不同的地质情况，进行了大直径桥梁桩基承载力计算以及地质状况对桥梁桩基承载力的影响综合研究，此外，根据多个研究项目，总结了不同状况下的桥梁桩基的设计与施工技术，为以后大量的桥梁桩基工程提供了详细的理论依据和技术支持。Qubain,Seksinsky和Li[50]结合工程实际，详细介绍了桥梁桩基设计在复杂的岩溶区域应注意的问题，并提出岩溶区域桥梁桩基设计的类型分为三种，分别为带空洞和漂石的、无空洞陡峭的、巨穴型的，并且提出了在不同的地基类型下相应的桥梁桩基设计方法。覃文元[51]结合湖南常吉高速公路工程实际，详细阐述了在极为复杂岩溶地质条件下桥梁桩基穿越多层溶洞和尺寸较大的溶洞施工处理办法，并针对不同的施工类型及地形条件提出了不同的措施。冯卫东[52]结合京福国道主干线跨陇海铁路特大桥的实际工程地质情况，并根据溶洞的位置、规模以及类型提出了相应的处治办法，在岩溶发育强烈的地方需进行注浆处理后再开始成孔，保证岩溶区桥梁桩基的施工质量。白鸿国、张春芳[53]结合京珠高速公路实际，详细介绍了钢护筒跟进、地基注浆、冲填片石、碎石和黏土等措施，并分析研究了钻孔灌注桩穿越溶洞的施工技术。6 第一章绪论刘梦泽[54]结合菏日复线温凉河特大桥工程实际，以其桩基施工为研究对象，详细介绍了岩溶区域桩基施工易出现的坍孔、漏浆、卡钻等问题，并结合相应问题提出了相应的处理措施。樊燕燕、李子奇[55]结合芦洪市特大桥工程实际，以桩基施工为研究对象，详细探讨了岩溶发育地区采用压力注浆处理技术对地基进行加固，然后进行钻孔灌注桩施工。黄龙飞、常再青、赵西锋[56]通过归纳总结了岩溶区桥梁桩基础的施工特点以及施工技术，得出以下结论：桥梁桩基础在岩溶地区采用钻孔灌注桩施工法，需采用回填粘土、片石、钢护筒跟进等方法配合施工，才能达到安全施工的目的。李军伍、魏志鹏[57]以工程实际为背景，认为顺利成孔是岩溶地区桥梁桩基施工的关键步骤，在桩基施工的成孔过程中保证不漏浆且满足其承载力要求，另外可采取回填片石、灌砂压浆、钢护筒跟进等措施解决岩溶区施工带来的困难。黄勇、徐谦[58]结合广和大桥工程实际，以桥梁桩基施工质量为研究对象，总结了控制施工质量的一些措施：首先应结合实际工程地质勘查资料选择合适的施工方法和钻机；施工期间时刻注意孔内泥浆的变化，如果一旦漏浆，立马采取相应措施补救；采用正循环的方法进行清孔；保证混凝土浇筑质量；需用超声波检测方法来检查桩身质量，用小应变结合抽芯检查桩底的质量。黄志河[59]通过理论与实际相结合的方法研究了建设工程质量的控制过程和原则，并以现场作业系统质量控制的过程、依据、程序、方法和手段。总结了冲孔灌注桩的技术以及常见的质量事故，分析了其原因，研究了相应的处理对策，从而可以保证桥梁桩基安全施工，可大大减少质量事故的发生。殷坤宇[60]结合某高速公路建设工程，在充分考虑地形地质条件对施工技术影响的基础上，对陡坡桩基施工标准化技术进行综合模糊评价，并提出适用于山区陡坡地段的桩基施工工艺、桩基质量控制标准和施工事故防治措施。巩春领[61]采用人工神经网络的概率分析方法和定量与定性相结合的层次分析法，解决了计算量较大与数值计算和随机模拟耦合的难题，并通过当量理论分析了桥梁在施工阶段存在的风险，并提供了相应指标，从多方位对桥梁风险进行了安全评价。张杰[62]总结了桥梁施工的风险评估模型，提出了确定风险源概率、识别以及损失的研究方法，并通过分析建立相应的风险源动态数据库；结合工程实际，在桥梁施工期间，使人工智能技术与UD-FEM-NN-SORM综合分析法相结合对其进行安全风险的评估，得出该方法准确又快的结论。7 长安大学硕士学位论文谢海涛[63]通过专家调查与“风险分解”相结合的识别方法，研究分析了桥梁在施工过程中桩基施工钻孔施工的风险，提出了相应的风险等级和处理风险的策略，大大减小的施工风险。薛延信[64]结合目前桥梁施工的风险源数据库，研究分析了桥梁工程施工期间风险识别技术和风险应对方法，提出了风险因素模糊层次分析法，同时研究了大型桥梁施工风险的评价标准，并建立相应区域的标准评价等级。孟庆浩[65]结合漓江二桥和漓江三桥工程实际，以桩基施工为研究对象，提出了溶洞中钢管跟进的措施，解决了溶洞相互串通区域地表易出现塌陷的问题，在取碴时，吸泥机头要始终保持在钢管下口以上0.5m至1.0m。罗碧荣、祝朝旺、沈常春[66]结合甘家湾大桥工程实际，以其4号、5号墩桩基施工为研究对象，在施工过程当中由于桩孔穿越溶洞，造成漏浆，孔壁坍塌。为解决此问题，决定对4号墩周围进行灌浆处理，堵塞其他地下水，利用钢管桩解决其嵌岩深度问题，而5号墩桩基采用的是利用钢管桩补强进行出来。孙增奎、何琼[67]结合广东省某高速公路工程实际，以桩基施工成孔过程为研究对象，分析了洞上覆土层泡水时间过长，导致覆盖层大范围塌孔，地表大面积塌陷的问题，最后采用了注浆加固覆盖层进行预处理，取得了很好的效果。刘金良、谢军、李岩[68]结合武广客运专线五一水库特大桥、老屋杨特大桥工程实际，以岩溶区桩基施工为研究对象，提出了岩溶区施工当中存在的主要问题，其中包括漏浆、塌孔以及偏孔等问题，并针对不同的问题提出了相应的处理措施。庞春梅[69]通过数值模拟计算与理论计算分析相结合的方法，研究分析了新建跨线桥桥基荷载对邻近既有高速铁路产生的附加影响，并针对相应问题提出了相应的处治关键技术，最好通过研究表明，采用隔离桩技术进行桩基防护可以取得很好的效果。张建祥[70]针对岩溶区桩基施工过程中引起的地面塌陷进行了研究，提出冲（钻）孔桩施工过程中采用导管护壁、优质粘土造浆等措施，挖孔桩施工过程中可采用间隔分散施工等方法。殷美、任康进[71]结合武汉市某公路工程实际，以桩基施工钻孔为研究对象，分析了冲击振动成孔引起覆盖层砂土液化、漏失，引起路面塌陷的事故，并对岩溶塌陷形成的条件、塌陷的机制进行了深究，提出了止水、灌浆、护壁等措施防止地面塌陷。董文[72]通过对岩溶发育地区铁路路基的特征进行研究，详细总结了岩溶对路基可能带来的危害，并针对不同岩溶发育特征，提出了相应的加固处理措施。8 第一章绪论张艳奇[73]对岩溶地区桩基础施工技术进行了详细的研究，通过力学理论对基桩下伏溶洞的稳定性进行了计算分析，并结合实际工程地质勘查资料以及参考文献资料，对岩溶区桥梁桩基施工出现的问题进行了系统的归纳和总结，并针对不同的问题提出了相应的工程施工建议。1.3主要研究内容及研究思路论文在总结已有研究成果及其存在问题的基础上，以肇花高速公路为依托，选取具有代表性的监测对象并布设相应的监测点，通过监测结果分析岩溶区跨线桥梁施工对既有铁路路基及运营的影响；通过数值模拟分析技术，构建三维数值计算模型，确定合理的边界条件，模拟岩溶地区桩基施工期间铁路路基的变形趋势，评价桩基施工对紧邻铁路路基的稳定性影响，主要研究内容如下：1.结合肇花高速公路桥梁桩基施工现场环境特点，对既有京广铁路附近区域进行深层水平位移监测、沉降监测以及地下水位监测，通过现场监测数据成果分析桥梁桩基施工期间对邻近既有铁路路基的影响。2.通过有限元数值模拟软件计算并分析了岩溶区穿越溶洞桥梁桩基在不同泥浆相对密度、不同溶洞尺寸、不同溶洞位置以及桩孔与路基距离变化条件下铁路路基的变形趋势，评价桩基施工对邻近既有铁路路基的稳定性影响。3.对数值模拟计算的结果与现场监测结果在深层水平位移和路基沉降方面做对比分析，判定数值模拟计算理论与现场监测有无差距，验证数值模拟计算理论的可靠性。4.对肇花高速公路岩溶区桥梁桩基与京广铁路路基的相互关系及工程问题调研的基础上，通过现场监测和数值模拟计算理论的分析，提出了相应的岩溶地区地质勘查技术、岩溶区地基处理技术以及岩溶区桥梁桩基设计与安全控制技术。本论文拟采用的研究思路如图1-1所示。9 长安大学硕士学位论文岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响分析及安全控制技术桩基施工安全监测对周围构筑物的影响国内外研究现状设计安全控制技术施工安全控制技术岩溶发育机理及特征桥梁桩基施工环境特点现场工程地质条件施工现场监测方案施工现场监测与分析监测成果分析计算模型与计算参数模数值图1模拟-1研究思路计算与分析不同工况计算成果地质勘查要求与方法桩基设计安全控制设计与施工安全控制技术地基处理原则与方法桩基施工安全控制结论与建议图1-1研究思路10 第二章肇花高速公路岩溶区桥梁桩基施工环境特点第二章肇花高速公路岩溶区公路桥梁桩基施工环境特点2.1概述肇花高速公路与既有京广铁路交叉于第10合同段狮岭立交区域（见图2-1），附近地质状况复杂，岩溶发育强烈，桥梁桩基施工极易造成塌孔、地面沉降等一系列问题，继而可能会给邻近京广铁路带来极大的安全隐患。本章对岩溶区的地质特征（岩溶地形地貌特征、岩溶发育的基本条件以及岩溶发育的基本规律进行）进行了详细的介绍，并提供了比较详细的肇花高速公路工程概况以及京广铁路附近区域水文地质条件。京广铁路肇花高速公路图2-1肇花高速公路跨越京广铁路示意图2.2岩溶发育机理及特征在岩溶地区进行工程施工，首先必须掌握岩溶的地形地貌，岩溶发育的基本规律以及分布状况等，同时还要充分了解不同岩溶作用的特点，以便在不同的地质条件下选择不同的桩基类型及施工方案等，确保桩基施工质量、施工安全及周围环境的安全。2.2.1岩溶地形地貌1.地表形态（1）溶沟、溶槽和石芽、石林由地表水流顺着坡地，沿节理溶蚀或是冲蚀形成的槽状凹地，称为溶沟或溶槽；溶沟或溶槽在地表水的进一步作用下继续发展，沟槽里的石脊受到水流长期侵蚀会形成锥形柱体，称为石芽；石芽林立即称石林。（2）漏斗、落水洞、竖井11 长安大学硕士学位论文在水的长期作用下，岩溶地质塌陷形成的碗碟状的地貌，称为漏斗；如果地表水与地下水连通，则会对岩层进行机械侵蚀，长久以来形成的地下暗河或者是溶洞通道，称为落水洞；如果地表水不是从地表流入的通道则称为竖井。（3）溶蚀洼地、坡立谷在长期的水流侵蚀作用下，将形成较大面积的盆状洼地，称为溶蚀洼地；如果面积比较大，且四周陡峭的封闭式洼地称为坡立谷。1.地下形态（1）溶蚀裂隙可溶性岩石在地表水长期冲蚀作用下出现的裂隙，称为溶蚀裂隙。（2）溶洞、暗河、钟乳石、石笋地下水对岩石长期的冲蚀、潜蚀等作用形成的地下洞穴，称为溶洞。溶洞的大小相差悬殊，形态千变万化，洞内一般有CaCO3沉淀；含有CaCO3的水从洞顶滴下来在洞内发生沉淀，久而久之，在洞顶自上而下形成的长条悬挂物，称为钟乳石；洞底自下而上形成的竹笋状突起，称为石笋。由于上下进一步沉淀的结果，钟乳石和石笋连接起来成为“顶天立地”的柱体，称为石柱。如果在形成的溶洞内有较大量的水流形成类似河流，称为暗河。如果是岩溶地区，还必须进一步认识和掌握岩溶发育分布规律，才能合理的选择建筑场地，布置建筑物，防治岩溶现象的危害。2.2.2岩溶发育的基本条件岩溶的发育必需包括两个条件，其中一个是可溶岩的存在，另外一个则是能够溶解可溶性岩的水存在，只有两个条件同时存在才会形成一系列的岩溶地质地貌特征。（1）可溶性岩层存在碳酸盐岩、硫酸盐岩和卤化物岩是常见的可溶岩。最为常见的是碳酸盐岩，其主要成分由碳酸（CaCO3）为主的石灰岩和以碳酸镁（MgCO3）为主的白云岩所组成，碳酸盐岩的成分分类可参见表2-1。硫酸盐岩主要有石膏（双水硫酸钙CaSO4·2H2O）、硬石膏（硫酸钙CaSO4）、钙芒硝（CaSO4·Na2SO4）、芒硝（CaSO4·10H2O）等。卤化物岩的主要成分是钾盐（KCl）和岩盐（NaCl又称钠盐）；广义的钾盐又有杂卤石（K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O）、钾盐镁矾（KCl·MgCl2·6H2O）等所组成。12 第二章肇花高速公路岩溶区桥梁桩基施工环境特点表2-1碳酸盐岩成分分类表含量（%）岩石名称CaO：MgO（%）方解石白云石（CaCO3·MgCO3）（CaCO3）石灰岩95~1005~0>50.1含白云质石灰岩75~9525~59.1>50.1白云质石灰岩50~7550~254~9.1石灰质白云岩25~5075~502.2~4含灰质白云岩5~2595~751.5~2.2白云岩0~5100~951.4~1.5当以上可溶性岩受水作用的时就可能出现溶蚀现象，一般情况下，石灰岩以溶解为主，白云岩则主要是通过渗透-溶蚀-分解-淋滤-崩解作用发生破坏。（2）地质构造与地层结构岩体结构、构造和岩层产状、接触关系、断裂、节理、软弱夹层、层厚、褶皱、裂隙以及风化程度等地质特征决定了岩溶的发育规模和程度的不同。通常情况下，背斜构造会比向斜构造岩溶发育强；向斜构造的两翼会比其核部的岩溶发育强，背斜构造的核部会比其两翼岩溶发育强。（3）地下水活动岩溶发育必须要有具有侵蚀性的、处于不断流动状态的地下水活动，这样水增大溶解碳酸改的能力，使岩溶发育较快。当富含CO2大气降水和地表渗人地下后，不断替换原有水质，保持地下水的侵蚀力，加速岩溶的发展。（4）地形地形的起伏影响着地下水的补给量与流速。陡峭的坡地，地下水的补给量少，地表径流大，岩溶的地表形态较发育；平缓地带，地下水补给量多，流速稍缓，但侵蚀作用强烈，有利于岩溶的发育。（5）潮湿气候在降水丰富、气候潮湿地区，由于地下水得到地表水经常的补给，自然给岩溶的发育创造的良好的条件。2.2.3岩溶发育的基本规律13 长安大学硕士学位论文一般情况下，质纯层厚的石灰岩中，岩溶发育形态齐全，规模较大；含泥质或其他杂质（镁、硅、铝等）及薄层的岩层，岩层发育较弱。在岩盐、石膏中岩溶发育较快；石灰岩、白云岩、大理岩、泥灰岩中依次发育较慢。（1）在岩石裸露的斜坡地带，地表径流大，主要为表面侵蚀，发育形成的地质容貌主要为溶沟、溶槽以及石芽等；如果在地形平缓地带，地表水主要以渗透作用为主，发育形成的地质容貌主要为溶洞、竖井、漏斗、落水洞等。（2）在节理裂隙的交叉处或密集带，以及沿断裂带岩溶显著发育。一般情况岩溶在正断层处发育强烈，逆断层处发育较弱；褶皱轴部一般发育强烈；在单斜地层区域，岩溶的发育一般为顺层面；在不对称褶曲中，陡的一翼交缓的一翼发育；陡倾的岩层地带一般发育较为强烈，缓倾的岩层发育相对较弱；特别还有在岩层接触面的位置较容易发育；水流流向与岩层层面平行的易发育，垂直的不易发育。（3）当不同岩性的倾斜层呈互层或同一岩性地层中有平行断裂存在时，岩溶形态在平面上则呈带状分布，成层性决定于岩性、新构造运动和水文地质条件。在岩溶地区的竖向上，原在某一平面的高程已形成某级溶洞或暗河，如地区强烈上升，岩溶水的侵蚀基准面相对下降，水的下切作用增强，这时岩溶以竖向发育为主，形成垂直溶洞。若地壳处于相对稳定阶段，岩溶则以水平方向发育为主，形成高程不同的另一级水平溶洞。这样，岩溶的分布具有成层性，地壳升降几次，就形成几级水平溶洞。（4）在岩溶发育地区，由于岩土体自重的作用经常会发生地面塌陷、地基变形、建筑物破坏等一系列问题；另外由于地下水的作用，建筑场地或地基有时会发现涌水、淹没等突然事故。因此，在设计与施工前，必须进行详细的地质勘查。2.3肇花高速公路工程概况广东省黄岗至花山公路是《国家高速公路网规划》中珠江三角洲地区环线（G94）的组成部分，也是广东省“十一五”跨“十二五”期间规划实施的重点项目之一。路线起自肇庆四会市东城区张洞村，与江肇高速公路相接，经肇庆市高新技术开发区，佛山市三水区的芦苞镇、大塘镇，广州市花都区的赤泥镇、狮岭镇，止于花都区花山镇，与机场北延线及在建的广乐高速公路相接，全长63.577公里，同步建设连接线长5.049公里，项目建设总工期（自开工之日起）为三年。全线采用双向六车道高速公路标准建设，设计行车速度120km/h，整体式路基宽34.5米。肇花高速公路K24+800~K55+000段全程主要由K30+190.3S114跨线桥，K34+853碧14 第二章肇花高速公路岩溶区桥梁桩基施工环境特点桂园高架桥及狮岭高架桥组成。狮岭高架桥与山前大道基本共线，总长14.36km。该桥起点处采用分幅沿山前大道两侧高架桥，然后全幅沿山前大道中央分隔带高架，先后跨越多条地方道路以及京广铁路、肇花高速公路、芙蓉大道、国道G107，并下穿武广客运专线。工程区段附近地质状况复杂、岩溶发育，周边建筑物密集，环境复杂，如狮岭高架桥与两侧房屋、商铺的距离较近。2.4京广铁路附近区域工程水文地质条件2.4.1工程地质条件（1）工程场地条件京广铁路附近区域的溶洞和土洞分布较广，总见洞率达30.5％，以溶洞为主（占87％），土洞个数仅占13％。溶洞中又以全填充溶洞为主（占62％），半填充和空洞只分别占18％和20％，而且岩溶发育及分布随机性、不均匀，部分路段砂层较厚且局部存在大洪涌沟，基岩埋藏较深且变化大，局部岩溶发育，桩基施工时可能引起地面塌陷。部分路段地层岩土性第四系覆盖层总厚度不大，且为自稳能力较差的松散～稍密状粗砂，并且粗砂直接分布于灰岩之上，因此桩基施工往往极易扰动上覆土体及地下水，打破岩溶区的地下水动态平衡，易触发地面的塌陷。（2）地质条件京广铁路区域附近主要地质层以素填土、中砂、粉质粘土、中风化灰岩、全风化粉砂岩、微风化灰岩为主，其中素填土成因时代为Qme，呈灰黄杂色，主要由粘性土、碎石和粗砂组成，稍压实。中砂成因时代为Qa1+p14，呈浅黄色、灰白色；表现松散，稍密，饱和；主要成分为石英质，颗粒不均匀，含少量粘粒和多量粗砂。粉质粘土成因时代为Qe1，呈灰白色、黄褐色；表现可塑、硬塑；粘性一般，为粉砂岩风化残积土，遇水易软化。中风化灰岩成因时代为C1ds，表现青灰色；岩芯呈柱状、短柱状为主，为中夹微风化灰岩。全风化粉砂岩成因时代C1ds，呈黄褐色、青灰色；为夹层，手捏易散，采芯率较低，遇水易软化。微风化灰岩成因时代C1ds，呈青灰色；其中桩基钻孔岩芯呈柱状、短柱状为主，局部块状，大于10cm以上岩芯约达到80%以上。（3）桩基及桩位地质勘查资料肇花高速公路狮岭高架桥跨越京广铁路段，地质条件复杂，岩溶发育，部分区域地下溶洞多达2层及以上，详细桩基和地质资料见表2-1。15 长安大学硕士学位论文表2-1桩基及地质勘查资料设计桩径设计桩顶墩台号桩位设计桩性调整后桩长(m)地质条件D(m)标高(m)上覆土层主要以素填土、中砂、粉质粘土为主，7~8m处存在土洞，洞高2.8m，其下部1#1.8嵌岩桩24.9033.10主要以强风化和中风化砂岩为主，25m处存在溶洞，洞高3.8m,桩底为入微风化灰岩。右幅115#上覆土层主要以素填土、中砂、粉质粘土为主桩底入微风化灰岩，11m处存在土洞，洞高0.9m，其下部主2#1.8嵌岩桩24.9034.10要以强风化和中风化砂岩为主，26m处存在溶洞，洞高2.2m,，桩底为入微风化灰岩。上覆土层主要以素填土、1#1.8摩擦桩24.9060.00中砂、粉质粘土为主，桩底为强风化粉砂岩。左幅116#上覆土层主要以素填土、2#1.8摩擦桩24.9060.00中砂、粉质粘土为主，二层溶洞，桩底入微风化灰岩桩底为强、中风化粉砂岩。上覆土层主要以素填土、1#1.8摩擦桩24.0058.00中砂、粉质粘土为主，桩底为强、中风化粉砂岩。右幅116#上覆土层主要以素填土、2#1.8摩擦桩24.0058.00中砂、粉质粘土为主，桩底为强、中风化粉砂岩。上覆土层主要以素填土、中砂、粉质粘土为主，9m处存在土洞，洞高2.1m，其下部主1#1.8嵌岩桩25.8061.70要以强风化和中风化砂岩为主，46m处存在溶洞，洞高5.8m,桩底为入微风化灰岩。左幅117#上覆土层主要以素填土、中砂、粉质粘土为主，15m处存在土洞，洞高2.1m，其下部主2#1.8嵌岩桩25.8051.00要以强风化和中风化砂岩为主，32m处存在溶洞，洞高3.9m,桩底为入微风化灰岩。2.4.2水文条件（1）地下水位16 第二章肇花高速公路岩溶区桥梁桩基施工环境特点据钻孔揭露，狮岭立交京广铁路附区域地下水水位埋藏较浅，水位居地面距离大多为2~4m。每年4~9月份为广东的雨季，降水比较丰富，因此水位会明显抬高，冬季来说相对较低。（2）地下水赋存类型按地下水的赋存方式可划分为三种类型，分别为赋存于松散人工填土中的上层滞水、第四系松散层中的孔隙水及赋存于基底岩石中的断层带裂隙水。上层滞水主要赋存于松散的人工填土中，孔隙水主要赋存于细砂层中，为潜水，含水层厚度约1.5~5.2m，富水程度一般，为桩基施工期后的主要渗水层之一。受断层影响，中～微风化岩体节理裂隙较发育，地下水赋存于断层带中及基岩裂隙中，受裂隙发育不均的影响，地下水分布极不均匀（3）地下水的补给与排泄勘察范围地处南亚热带，属亚热带季风性气候。蒸发量小于降水量，地下水的补给来源主要为大气降水，在每年的雨水季节4~9月份补给量较大，10月~次年3月对地下水补给量较少。地层条件是地下水赋存的条件和基础。根据钻探揭露，场地内的地下水主要为上层滞水、孔隙潜水及基岩裂隙水。上层滞水、孔隙水的补给主要靠大气降水和人工生活用水，补给量受大气降水的影响明显，基岩裂隙水主要靠侧向迳流补给和第四系孔隙水的越流补给。2.5小结由于岩溶区特殊的地质特征，使得桥梁桩基施工出现的问题颇多，继而给周边环境带来潜在的威胁，特别是对于中国最重要的一条南北方向铁路干线-京广铁路，一旦出现问题，则会造成巨大的损失和人员伤亡。因此，桥梁桩基施工前，需要进行详细的地质勘探，充分了解京广铁路附近区域的地质特征，结合岩溶地形地貌、发育规律，因地制宜的选择岩溶区桥梁桩基设计与施工的安全措施，尽最大可能的保证桥梁桩基施工及周围环境的安全。17 长安大学硕士学位论文第三章岩溶区公路桥梁桩基施工现场监测结果与分析3.1概述受公路桥梁桩基施工的影响，岩溶区土洞、溶洞易发生垮塌，引起岩土体变形，进而影响到邻近既有铁路路基的稳定，继而可能会给铁路运营带来一定的安全隐患。为评价京广铁路路基在肇花高速公路桥梁桩基施工期的稳定性、分析岩溶区桩基施工对京广铁路路基稳定性的影响，对紧邻的京广铁路路基进行深层水平位移监测、沉降监测及地下水位监测，并根据相应的监测预警标准，将监测数据与预警值比较，评价桩基施工对京广铁路路基稳定性的影响。3.2监测方案3.2.1监测对象及测点布设1.监测对象及监测项目监测对象为肇花高速公路狮岭高架桥K40+750~K42+300段所跨越的岩溶区京广铁路路基，监测项目为路基深层水平位移监测、沉降监测及地下水位监测。2.监测点布设在京广铁路附近两侧共布置4个深层水平位移孔、8个沉降监测点以及4个地下水位孔，其中4个深层水平位移孔编号为CX-1～CX-4，8个沉降监测点，编号为1#~8#，4个地下水位孔编号为SW-1~SW-4，监测点布设见图3-1，其中京广铁路附近桩基施工现场图片见图3-2。京广铁路沉降监测点测斜孔桥梁桩基水位孔116-11#5#117-1肇花高速CX-1CX-3SW-3SW-1公路走向116-22#6#117-2山前大道山前大道115-13#7#116-1肇花高速SW-2CX-2CX-4SW-4公路走向115-24#8#116-2ZDSW-1测斜孔桩基础水位孔沉降监测点图3-1京广铁路附近监测点布设示意图18 第三章岩溶区公路桥梁桩基施工现场监测结果与分析（a）（b）（c）（d）图3-2京广铁路附近桩基施工图3.2.2监测方法及要求1.监测方法（1）路基深层水平位移监测方法既有路基深层水平位移监测采用钻孔测斜仪配合测斜管，每个测点钻孔深度为30m，保证钻孔至岩面以下不少于3m，钻孔偏斜率≤1%，测斜管的一组导槽平行于路线走向，另一组导槽垂直于路线走向。分别测定平行路线走向和垂直路线走向的深部位移，合成为矢量位移，测斜管工作原理如下：测斜仪沿着测斜管里面的导槽实现提升或沉降，测斜仪里面的探头有个加速度计，这个加速度计会算出每一深度处的倾斜角度，将会有一个电压信号输出，然后将通过函数关系转换成以导槽方向为基准的实际水平位移。如图3-3所示，加速度计敏感轴在水平面内时，矢量g在敏感轴上的投影为零，加速度计输出为零，当加速度计敏感轴与水平面存在一个倾角θ时，加速度计输出一个电压信号。19 长安大学硕士学位论文AKK（3.1）+0gsin式中：K0—加速度计偏值；K—加速度计灵敏度；g—重力加速度。为了消除K0的影响，可以将探头调转180°，在该点进行第二次测量。AKK（3.2）-0gsin上面3.1式与3.2式相减可以把K0消去，得到AA2Kgsin，通过3.1式与3.2式相加可以抵消加速度计产生的倾角投影值，剩余的水平位移的大小，则为实际情况的2倍。水平位移通过累计起来，从测孔底部始绘成曲线，第一次测量为初始值，后期的测量与第一做差则得到后期的土体变形，即水平位移。累计位移位移导L轮原间基距准线测斜管图3-3测斜原理图在正式监测前，提前5天将测斜管安装完毕，并在3～5天内重复测量2次，取得初始值。如果两次结果对比差值较小，则说明测斜孔已处于稳定状态，可以开始后期监测工作。监测时从孔底开始，自下而上沿测斜管导槽滑移，每0.5m读取一次数据，与初始值进行比较，二者之差即为路基深层水平位移。根据孔口、孔内位移量及位移速率，分析路基土体变形规律、稳定状况，深层水平位移现场监测图见图3-4。20 第三章岩溶区公路桥梁桩基施工现场监测结果与分析（a）（b）图3-4深层水平位移现场监测图（2）沉降监测方法沉降监测采用水准测量法进行监测，采用水准仪配合水准尺进行地表沉降监测，即通过测量各监测点在不同监测期的高程变化，解算地表在桥梁桩基施工阶段及施工后1个月内累计沉降量及沉降速率，评价其桩基附近区域稳定性。结合本工程的重要性和敏感性，并综合考虑监测工作的经济性和可操作性，沉降监测精度等级选定为二等变形监测等级，垂直位移测量中误差≤0.15mm。为保证数据的可靠性，利用邻近的施工高程控制点，每半个月对临时基准点进行复核，及时修正数据。其中现场沉降监测图见图3-5。图3-5沉降现场监测图（3）地下水位监测方法地下水位监测分别采用人工采集和自动化采集两种方法，人工采集地下水位采用电触式悬锤钢尺水位计，自动化采集地下水位采用振弦式压力水位计+自动化采集模块。通过测定水位管内水位变化，并结合深层水平位移监测数据，分析桩基施工对地下水力平衡的影响，以评价桩基施工期对既有路基稳定性影响，地下水位现场监测见图3-6。21 长安大学硕士学位论文（a）（b）图3-6地下水位现场监测图2.监测评价控制标准（1）路基监测评价控制标准肇花高速公路建设项目与山前大道共线路段、京广铁路两侧，每隔一定距离布设一个测斜孔，以监测肇花高速公路建设项目施工过程中，京广铁路路基深层水平位移变化情况，进而分析肇花高速公路施工对既有铁路路基的影响，其监测过程中评价控制标准为：肇花高速公路建设项目桩基施工期间，路基深层水平位移监测预警值定为测斜管管口水平位移量每天≤5mm，路基深层水平位移监测预警值分级见表3-1。表3-1路基监测预警值预警等级预警值三级预警值3mm/d二级预警值4mm/d一级预警值5mm/d（2）地下水位监测评价控制标准地下水位变化引致的水力梯度变化是引起岩溶塌陷的因素之一，地下水位的变化又跟降雨量及气候有关。广东地区一般由降水及气候引起的地下水位变化范围在1m~1.5m间。地下水位预警值采用水位变化率与水位变化双指标控制。地下水位监测预警值分级见表3-2。22 第三章岩溶区公路桥梁桩基施工现场监测结果与分析表3-2地下水位监测预警值预警等级汛期预警值非汛期预警值三级预警值0.6m/d0.3m/d二级预警值0.8m/d0.4m/d一级预警值1m/d0.5m/d（3）地表沉降标准则参照《建筑变形测量规范》(JGJ8-2007)，初步确定其允许变形值。对于邻近桩基施工区域的构筑物物，根据构筑物的结构形式，结合建筑物重要等级进行确定。3.监测频率路基深层水平位移、沉降和地下水位监测工作在桩基施工前取得初值，桩基施工中每日监测1次，施工结束1个月后监测1次。桩基施工前、施工中及施工完成后每阶段的具体监测频率见表3-3。表3-3监测频率监测频率路基深层水平位移施工阶段自动化采集备注沉降地下水位人工采集地下水位施工前2次5次取得原始数据施工中1次/天48次/天桩基施工按1个月计算桩基施工完成后1次5次施工完成1个月后停止监测3.3监测成果分析肇花高速公路岩溶区紧邻京广铁路桩基施工监测工作从2014年2月24日开始，截止于2014年4月25日，深层水平位移监测、沉降观测及地下水位监测共计量测35次（施工期34次、工后1次），自动化地下水位监测孔共计量2928次（自2月24日至4月25日，历时61天，每天监测48次，每半小时一次）。3.3.1路基深层水平位移监测成果分析根据数据的完整性和有效性，取4个深层水平位移监测孔进行分析，编号为CX-1~CX-4，2014.2.24～2014.4.25监测期间，各孔共计量测35次（施工期34次、工后123 长安大学硕士学位论文次），CX-1、CX-2、CX-3、CX-4的孔口累计水平位移-时间变化规律、孔口水平位移速率-时间变化规律以及深层水平位移变化规律如图3-7～图3-10所示。图3-7a)CX-1孔孔口累计水平位移-时间变化规律图3-7b)CX-1孔孔口水平位移速率-时间变化规律图3-7c)CX-1孔深层水平位移-时间变化规律24 第三章岩溶区公路桥梁桩基施工现场监测结果与分析图3-8a)CX-2孔孔口累计水平位移-时间变化规律图3-8b)CX-2孔孔口水平位移速率-时间变化规律图3-8c)CX-2孔深层水平位移-时间变化规律25 长安大学硕士学位论文图3-9a)CX-3孔孔口累计水平位移-时间变化规律图3-9b)CX-3孔孔口水平位移速率-时间变化规律（c）CX-3图3-9c)CX-3孔深层水平位移-时间变化规律26 第三章岩溶区公路桥梁桩基施工现场监测结果与分析图3-10a)CX-4孔孔口累计水平位移-时间变化规律图3-10b)CX-4孔孔口水平位移速率-时间变化规律图3-10c)CX-4孔深层水平位移-时间变化规律27 长安大学硕士学位论文如图3-1所示，京广铁路路附近两侧各布置2个深层水平位移监测孔（测斜孔），其中，CX-1位于左幅116#-1与116#-2之间，CX-2位于右幅115#-1与115#-2之间，CX-3位于左幅117#-1与117#-2之间，CX-4位于右幅116#-1与116#-2之间，即总共4个测斜孔，编号CX-1～CX-4，各监测孔详细信息见表3-4。表3-4京广铁路深层水平位移监测孔信息表监测次数最大累计位移最大位移速率监测孔号监测时间(次)（mm）（mm/d）CX-12014.2.24-2014.4.253511.960.97CX-22014.2.24-2014.4.253518.301.35CX-32014.2.24-2014.4.253517.871.99CX-42014.2.24-2014.4.25358.651.321.CX-1~CX-4详细监测结果分析1）CX-1孔在2014年2月24日至2014年4月25日监测期间共计测量35次，其孔口水平位移-时间变化规律、孔口水平位移速率-时间变化规律和深层水平位移-时间变化规律见图3-7a)、3-7b)、3-7c)；该孔最大累计位移为11.96mm，孔口最大位移速率出现在2014年3月1日，为0.97mm，小于3mm/d（三级预警值）。2）CX-2孔在2014年2月24日至2014年4月25日监测期间共计测量35次，其孔口水平位移-时间变化规律、孔口水平位移速率-时间变化规律和深层水平位移-时间变化规律见图3-8a)、3-8b)、3-8c)；该孔最大累计位移为18.30mm，孔口最大位移速率出现在2014年2月24日，为1.35mm，小于3mm/d。3）CX-3孔在2014年2月24日至2014年4月25日监测期间共计测量35次，其孔口水平位移-时间变化规律、孔口水平位移速率-时间变化规律和深层水平位移-时间变化规律见图3-9a)、3-9b)、3-9c)；该孔最大累计位移为17.87mm，孔口最大位移速率出现在2014年2月24日，为1.99mm，小于3mm/d。4）CX-4孔在2014年2月24日至2014年4月25日监测期间共计测量35次，其孔口水平位移-时间变化规律、孔口水平位移速率-时间变化规律和深层水平位移-时间变化规律见图3-10a)、3-10b)、3-10c)；该孔最大累计位移为8.65mm，孔口最大位移速率出现在2014年2月24日，为1.32mm，小于3mm/d。28 第三章岩溶区公路桥梁桩基施工现场监测结果与分析2.桩基施工期间单日最大孔口位移变化均在预警值范围之内，监测期间没有出现较大的变化，另外，桩基施工结束1个月后，CX-1~CX-4四孔孔口累计位移与施工结束当日监测数据比较，基本未增加，可判断京广铁路地基岩土体稳定。3.由图3-7~图3-10可见，CX-1~CX-4孔累计位移变化-时间曲线形态具有一定的差异，CX-1从孔底至孔口位移变化量增加比较均匀，且位移主要发生在测斜孔上部，测斜孔下部变化比较小；CX-2从孔底至孔口的位移变化量主要发生在孔深3~5m与7~8m处，CX-3深层水平位移主要发生在孔深7~8m以及孔深4m至孔口处；，CX-4与CX-1深层水平位移变化相似。CX-1与CX-4测斜孔底为强、中风化粉砂岩，不存在溶洞，地质条件良好，而CX-2和CX-3测斜孔含有溶洞，地质条件较差，主要是由于桩基施工打破了原来的地基应力平衡，使得土层重新发生应力重分布，导致深层岩土体水平位移的发生，由于地基岩土层随深部的变化其地质特性有所不同，产生的深部水平位移也会相应不同。3.3.2沉降监测成果分析在京广铁路桩基施工附近区域布设8个沉降监测点，编号分别为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#，其中1#、2#位于左幅116#-1和116#-2附近，3#、4#位于右幅115#-1和115#-2附近，5#、6#位于左幅117#-1和117#-2附近，7#、8#位于右幅116#-1和116#-2附近，其中2#沉降监测点在前期已经破坏，未采集数据，其中累积沉降-时间变化规律如图3-11所示，沉降速率-时间变化规律如图3-12所示。图3-11沉降监测点累积沉降-时间变化规律29 长安大学硕士学位论文图3-12沉降监测点沉降速率-时间变化规律由图3-11和3-12可以看出，在2014年2月24日到3月29日监测期间，1#监测点最大累计沉降量为3.58mm，最大沉降速率为0.64mm/d，3#监测点最大累计沉降量为13.12mm，最大沉降速率为0.65mm/d，4#监测点最大累计沉降量为1.39mm，最大沉降速率为0.65mm/d，5#监测点最大累计沉降量为12.5mm，最大沉降速率为0.31mm/d，6#监测点最大累计沉降量为13.93mm，最大沉降速率为1.17mm/d，7#监测点最大累计沉降量为0.44mm，最大沉降速率为0.65mm/d，8#监测点最大累计沉降量为6.45mm，最大沉降速率为0.24mm/d，前期沉降和沉降速率均变化比较大，后期逐渐趋于稳定阶段。由数据分析可得，最大累积沉降量为6#监测点，沉降量为13.93mm，监测点沉降速率1.39mm/d，相对较小，未超过预警值，可判断京广铁路桩基附近施工区域未产生较大的沉降，此趋于地基比较稳定。前期沉降和沉降速率变化比较大主要是由于沉降监测点布置问题，由于监测点刚布置完毕，前期并没有完全处于稳定阶段，在桩基施工的不断干扰下，变化稍微较大。另外，后期由于桩基施工，钻机冲入的地质层也相对稳定，沉降监测点反映出的规律均无大的变化。桩基施工后一个月，对原来的沉降监测点进行重新监测，发现与之前的沉降相差不大，表明工后地基土层稳定。3.3.3地下水位监测成果分析最初布置的地下水位监测孔为四个编号分别为SW-1~SW-4，自动地下水位监测孔编号为ZDSW-1，其中SW-1位于左幅116#-1和116#-2之间，SW-2位于右幅115#-1和115#-2之间，SW-3位于左幅117#-1和117#-2之间，SW-4位于右幅116#-1和116#-2之间，ZDSW-1位于右幅右幅116#-1和116#-2之间，但是由于施工的原因，SW-1和SW-4在前期已遭到破坏，未采集数据，本论文只对两个人工采集地下水位SW-2、SW-3和自动地下水位ZDSW-1进行分析，其水位变化规律和自动化地下水位变化规律如图3-13、图3-14所示。30 第三章岩溶区公路桥梁桩基施工现场监测结果与分析（a）地下水位变化-时间规律（b）地下水位速率变化-时间规律图3-13地下水位变化规律（a）自动化监测地下水位累积变化-时间规律31 长安大学硕士学位论文（b）自动化监测地下水位速率变化-时间规律图3-14自动化监测地下水位变化规律表3-5京广铁路地下水位监测信息表监测次数监测孔号监测时间最大位移速率（m/d）(次)SW-22014.2.24-2014.4.25350.221SW-32014.2.24-2014.4.25350.262ZDSW-12014.2.24-2014.4.25350.264由图3-13和3-14及表3-5可以看出，在2014年2月24日~3月29日桩基施工监测期内，各监测孔地下水位累变化量和变化速率变化幅度较小，其中SW-2、SW-3及ZDSW-1孔的地下水位变化速率最大值为分别0.221m/d、0.262m/d及0.264m/d，均小于三级预警值，地下水位变化微弱，不足以产生显著地水力梯度、威胁岩溶地区岩土体的稳定性。通过对地下水位的变化进行研究分析，主要原因是由于当地降雨所致，并非施工导致溶洞垮塌而引起的地下水位突变。3.4小结根据路基深层水平位移监测成果数据、沉降监测成果数据以及地下水位监测成果数据，可判断在监测期间内：1.邻近肇花高速公路桩基施工区域的京广铁路路基未发生显著地变形，桩基施工未对其安全运营构成威胁。2.邻近肇花高速公路桩基施工区域的地表、路基未产生明显沉降。3.地下水位未发生显著变化，不足以产生显著的水力梯度、威胁岩溶地区岩土体的稳定性。4.可判断在肇花高速公路狮岭高架桥桩基施工期间，京广铁路路基稳定，桩基施工未显著威胁其稳定性。32 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析4.1概述岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响较大，因为岩溶区地质条件复杂，岩溶发育，桥梁桩基施工极易出现塌孔、漏浆及大面积沉陷等问题，将会直接影响到邻近既有铁路路基的稳定，继而可能会给铁路运营带来一定的安全隐患。对岩溶区穿越溶洞桥梁桩基在不同泥浆相对密度、不同溶洞尺寸、不同溶洞位置以及桩孔与路基不同距离条件下模拟施工期铁路路基的变形趋势，评价桩基施工对邻近既有铁路路基的稳定性影响，研究成果可为岩溶区桥梁桩基设计与施工提供理论依据和技术参考。4.2有限元计算模型4.2.1几何模型与单元划分在计算机上进行了大量的试算，并满足数值模拟计算对计算资源需求的基础上，确定在数值计算时，桩侧土厚度取10D，桩底土厚度取10D，路基厚度根据实际资料并结合数值模拟计算特点确定为10m，几何模型如图4-1所示，有限元仿真计算模型单元划分图如图4-2所示。桩孔路基溶洞周围桩孔路基周围周围土层周围土层S土层土层底层土（a）模型平面图（b）模型立面图图4-1数值计算几何模型有限元计算模型需要进行单元划分，单元体应用六面体八结点实体单元，在将实体进行单元划分时，根据计算的要求，应尽可能将桥梁桩孔位置及路基部分土体的单元划分的更小、更密集，对离桩孔与路基较远的土体，单元的划分可以适当稀疏，以保证在满足精度要求的前提下，计算时间不会过长。33 长安大学硕士学位论文（a）整体单元划分（b）模型平面图（c）模型剖面图图4-2有限元仿真计算模型单元划分图34 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析4.2.2本构模型有限元计算的难点在于如何确定符合实际情况的本构模型及如何准确选择计算参数。本研究中分析采用理想弹性本构模型，地基土采用弹塑性模型进行分析，岩层采用弹性模型进行分析，并假定岩体满足均质、各向同性和完全连续这三个条件。Marc中提供的屈服准则有Von.Mises屈服准则、Mohr-Coulomb屈服准则等，岩土体在变形过程中，应力与应变关系呈非线性，为跟踪加载历史求位移、应变和应力的全量，因此采用Mohr-Coulomb屈服准则，本构关系采用增量形式来描述，见式4.1。假定结构的应变分量为弹性应变分量和塑性应变分量。ep{d}{d}{d}（4.1）弹性变形遵循虎克定律，所以e{d}[D]{d}（4.2）e1由此dDd（4.3）eddxxee{d}dxy{d}dddexyxy10E[D]10(1)(12)12002E，μ分别为材料的弹性模量和泊松比。塑性应变分量的增量，与应力增量{d}和应力状态{σ}有关。由流动法则知：pg{d}d（4.4）式中，g为势函数。1g故{d}[D]{d}d（4.5）硬化材料屈服准则为f(1,2,3)KF(dp)（4.6）35 长安大学硕士学位论文由此得Tfdf{d}F"dp（4.7）而塑性功TpTgdp{}{d}d{}（4.8）Tg故dfdfF"{d}（4.9）T令AF"{}g/T则{f/}{d}Ad（4.10）fT将式(4.5)两边同乘以{}[D]，得fTfTfTf{}[D]{d}{}{d}{}[D]{}d将式(4.10)代入整后可得fT{}[D]{d}dfTgA{}[D]{}代入式(3.2)式得{d}[]{Depd}（4.11）gfT[]{DD}{}[]式中[]DD[]epfgTAD{}[]{}[]D为弹塑性矩阵，上式里的A根据强化参数确定。epMarc提供了两类Mohr-Coulomb屈服准则：一种是线性的，另一种是抛物线型的。线性Mohr-Coulomb与线性Drucker-Prager的偏应力屈服函数为线性Drucker-Prager屈服函数。其在平面应变时的屈服面如图4-3所示。36 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析屈服面τRcφσσχ+σy2图4-3线性Mohr-Coulomb材料在平面应变条件下的屈服面线性Mohr-Coulomb屈服准则的屈服函数为：1fJJ20（4.12）123式中：J1—第一偏应力张量不变量，J1ii；1""J2—第二偏应力张量不变量，J2ijij；2、—试验常数，分别和土的粘聚力c、内摩擦角值有关，sin3cosc，2293sin93sin抛物线Mohr-Coulomb屈服函数与静水相关，可广义化为一个特定的屈服包络面，在平面应变状态下是一条抛物线，抛物线型Mohr-Coulomb屈服准则的屈服函数为：1f(3J3J)20（4.13）21式中：3本文通过研究得出：采用理想弹塑性的线性Mohr-Coulomb屈服准则对桩孔和与路基以及周围岩土体进行分析，可以很好地体现岩土体之间相互影响的物理力学特性。4.2.3边界条件计算模型近似为半空间无限体，对于计算模型边界条件，将模型下部底面及侧面X、Y、Z方向位移固定，把泥浆护壁对桩孔的约束作用等效成按梯度变化的侧向压应力作37 长安大学硕士学位论文用在钻孔壁上。另外，本次计算要考虑到自重应力因素和静止横向土压力因素的影响，因此计算的第一步是计算初始应力场，由于施工造成的竖向位移和水平位移不包括自重应力场和构造应力场计算过程中，得到稳定的初始应力场后，在数值模拟开始进行计算之前，对竖向位移和横向位移全部“清零”。4.3计算参数与计算方案4.3.1参数选取岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响较大，因为岩溶区地质条件复杂，岩溶发育，桥梁桩基施工极易出现塌孔、漏浆及大面积沉陷等问题，将会直接影响到邻近既有铁路路基的稳定，继而可能会给铁路运营带来一定的安全隐患。本文利用有限元分析软件Marc对岩溶区穿越溶洞桥梁桩基在不同泥浆相对密度、不同溶洞尺寸、不同溶洞位置以及桩孔与路基不同最短距离条件下模拟施工期铁路路基的变形趋势，评价桩基施工对邻近既有铁路路基的稳定性影响，其中相关技术参数选取如表4-1所示。（1）泥浆相对密度根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）规定，冲击钻在特殊地区施工泥浆相对密度一般为1.20~1.40之间，具体根据实际地质情况和施工工艺而定，本文主要选取1.20、1.25、1.30、1.35、1.40五种泥浆相对密度作研究。（2）溶洞尺寸与溶洞位置根据京广铁路附近地质资料显示，溶洞大多分布在地表下8~30m深度范围内，常见溶洞高度在0.9~5.8m之间，溶洞多半处于连通状况，溶洞内基本上都有填充物。又因为通过地质资料确定30m以下基本为岩层，且布置的测斜孔基本为30m，因此本文研究的岩溶区桥梁桩基施工桩长为30m，桩径为1.8m，溶洞尺寸选择0m×0m×0m、2m×2m×2m、3m×3m×3m、4m×4m×4m、5m×5m×5m五种，溶洞位置选择上、中、下（详细介绍见计算方案）三种作研究。（3）桩孔与路基距离根据京广铁路两侧桩基施工情况来看，桩孔与路基距离基本均大于2m，因此，本文根据实际情况选择2m、4m、6m、8m四种情况作研究。38 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析表4-1有限元分析模型材料参数弹性模量泊松比粘聚力内摩擦角容重材料名称E（Pa）υc（Pa）φ（°）ρ（kN/m3）粘土1.25×1070.351.6×1041116路基土层9×1070.305.76×1043620强风化岩层1.2×1090.272×1053023.5中风化岩层1.3×10100.235×1052526.54.3.2计算方案1.泥浆相对密度变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响取桩长30m，桩径1.8m，把泥浆护壁对桩孔的约束作用等效成按梯度变化的侧向压应力作用在钻孔壁上，分别分析不同泥浆相对密度条件下岩溶区桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性的影响，计算工况详见表4-2。表4-2泥浆相对密度变化计算工况分析因素影响因素泥浆相对密度溶洞尺寸（m×m×m）溶洞位置桩孔与路基最短距离（m）1.20、1.25、1.30、0×0×0、4×4×4中2、4、6、81.35、1.40注：溶洞位置“上”指溶洞底部距孔口10m处，“中”指溶洞底部距孔口20m处，“下”指溶洞底部距孔口30m处；溶洞尺寸0m×0m×0m代表无溶洞。2.溶洞尺寸变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响取桩长30m，桩径1.8m，把泥浆护壁对桩孔的约束作用等效成按梯度变化的侧向压应力作用在钻孔壁上，分别分析不同溶洞尺寸条件下岩溶区桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性的影响，计算工况详见表4-3。39 长安大学硕士学位论文表4-3溶洞尺寸变化计算工况分析因素影响因素溶洞尺寸（m×m×m）泥浆相对密度溶洞位置桩孔与路基最短距离（m）0×0×0、2×2×2、3×3×3、1.30中2、4、6、84×4×4、5×5×53.溶洞位置变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响取桩长30m，桩径1.8m，把泥浆护壁对桩孔的约束作用等效成按梯度变化的侧向压应力作用在钻孔壁上，分别分析不同溶洞位置条件下岩溶区桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性的影响，计算工况详见表4-4。表4-4溶洞位置变化计算工况分析因素影响因素溶洞位置溶洞尺寸（m×m×m）泥浆相对密度桩孔与路基最短距离（m）上、中、下0×0×0、4×4×41.302、4、6、84.桩孔与路基距离变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响取桩长30m，桩径1.8m，把泥浆护壁对桩孔的约束作用等效成按梯度变化的侧向压应力作用在钻孔壁上，分别分析桩孔与路基不同距离条件下桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性的影响，计算工况详见表4-5。表4-5桩孔与路基距离变化计算工况分析因素影响因素桩孔与路基距离（m）溶洞尺寸（m×m×m）溶洞位置泥浆相对密度0×0×0、2×2×22、4、6、83×3×3、4×4×4中1.305×5×54.4计算成果分析4.4.1泥浆相对密度变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响对桩长30m、桩径1.8m的桩基在溶洞处于中部位置，尺寸为0m×0m×0m、4m×4m×4m和桩孔与路基之间距离为2m、4m、6m、8m的情况下，对泥浆相对密度分别为1.20、1.25、1.30、1.35、1.40时进行数值模拟计算分析，研究桩基施工期间泥浆相对密度变化对邻近既有铁路路基的稳定性的影响。40 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析1.泥浆相对密度变化对路基深层水平位移的影响以溶洞尺寸为4m×4m×4m、距离为S=2m、泥浆相对密度为1.30的桩基施工为例，其路基深层水平位移云图如图4-4所示。不同泥浆相对密度条件下，路基的深层水平位移曲线如图4-5~图4-8所示，不同距离的深层最大水平位移和相对密度变化对最大水平位移减少幅度的影响如图4-9和图4-10所示，其中论文中溶洞区代表桩基穿越溶洞施工，非溶洞区代表桩基未穿越溶洞，以下统一以此作为描述。（a）0m×0m×0m（b）4m×4m×4m图4-4非溶洞区和溶洞区路基深层水平位移云图位移量(mm)位移量(mm)03691215036912151800551.201.201.251.251.301.30101.35101.351.401.40(m)15(m)15深度深度202025253030（a）0m×0m×0m（b）4m×4m×4m图4-5距离2m时路基深层水平位移变化曲线41 长安大学硕士学位论文位移量(mm)位移量(mm)0246810036912151800551.201.201.251.251.301.30101.35101.351.401.40(m)15(m)15深度深度202025253030（a）0m×0m×0m（b）4m×4m×4m图4-6距离4m时路基深层水平位移变化曲线位移量(mm)位移量(mm)01234012345600551.201.201.251.251.301.30101.35101.351.401.40(m)15(m)15深度深度202025253030（a）0m×0m×0m（b）4m×4m×4m图4-7距离6m时路基深层水平位移变化曲线42 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析位移量(mm)位移量(mm)0123012300551.201.201.251.251.301.30101.35101.351.401.40(m)15(m)15深度深度202025253030（a）0m×0m×0m（b）4m×4m×4m图4-8距离8m时路基深层水平位移变化曲线表4-6不同相对密度的路基深层最大水平位移溶洞尺寸桩孔与路基距离泥浆相对路基深层最大水平位移（m×m×m）（m）密度S0(mm)△Sj(mm)△Sj/S01.207.05001.256.290.7611%21.305.721.3319%1.355.571.4821%1.405.471.5822%1.204.28001.253.850.4310%0×0×041.303.500.7918%（非溶洞区）1.353.390.8921%1.403.340.9522%1.202.07001.251.880.199%61.301.690.3818%1.351.660.4220%1.401.630.4421%43 长安大学硕士学位论文表4-6不同相对密度的路基深层最大水平位移（续）溶洞尺寸桩孔与路基距离泥浆相对路基深层最大水平位移（m×m×m）（m）密度S0(mm)△Sj(mm)△Sj/S01.201.13001.251.020.119%0×0×081.300.930.1917%（非溶洞区）1.350.910.2219%1.400.900.2220%1.209.87001.258.571.3013%21.307.832.0421%1.357.602.2723%1.407.472.4024%1.206.01001.255.280.7312%41.304.811.2020%1.354.671.3422%4×4×41.404.621.3923%（溶洞区）1.202.97001.252.640.3311%61.302.210.5219%1.352.360.6121%1.402.320.6522%1.201.66001.251.500.1610%81.301.260.3018%1.351.330.3320%1.401.320.3420%附注：表中△Sj为孔口最大水平位移相对于S0的减少值，S0为相对密度1.20时孔口最大水平位移。12S=2mS=4m12S=2m10S=4mS=6m10S=6mS=8m8S=8m(mm)8(mm)6644最大水平位移2最大水平位移2001.201.251.301.351.401.201.251.301.351.40泥浆相对密度泥浆相对密度（a）0m×0m×0m（b）4m×4m×4m图4-9不同泥浆相对密度下路基最大水平位移变化曲线44 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析5050S=2mS=2mS=4mS=4m40S=6m40S=6mS=8mS=8m3030(%)(%)2020影响度影响度101001.251.301.351.400泥浆相对密度1.251.301.351.40泥浆相对密度（a）0m×0m×0m（b）4m×4m×4m图4-10相对密度变化对最大水平位移减少幅度的影响在图4-5~图4-8中，其中0m×0m×0m代表非溶洞区桩基施工，4m×4m×4m代表穿越溶洞的桩基施工，并且均以路基深层最大水平位移控制，与实际监测内容相符。从图4-5~图4-10及表4-6可以看出：（1）在桩孔与路基距离一定的情况下，随着泥浆相对密度的增大，路基深层最大水平位移呈减小的趋势。以桩孔与路基距离为2m、溶洞尺寸为0m×0m×0m和4m×4m×4m的桩基施工计算结果为例。首先，溶洞尺寸0m×0m×0m（非溶洞区）条件下泥浆相对密度从1.20增加至1.25时，路基深层最大水平位移由7.05mm减少至6.29mm，减少值为0.76mm，减少了11%；相对密度增加至1.30时，路基深层最大水平位移减少至5.72mm，与泥浆密度1.20条件下施工相比最大水平位移减少值为1.33mm，减少了19%；相对密度增加至1.35时，路基深层最大水平位移减少至5.57mm，与泥浆密度1.20条件下施工相比最深层大水平位移减少值为1.48mm，减少了21%；相对密度增加至1.40时，路基深层最大水平位移减少至5.47mm，与泥浆密度1.20条件下施工相比最大水平位移减少值为1.58mm，减少了22%。再者，溶洞尺寸4m×4m×4m（溶洞区）条件下泥浆相对密度从1.20增加至1.25时，路基深层最大水平位移由9.87mm减少至8.57mm，减少值为1.30mm，减少了13%；相对密度增加至1.30时，路基深层最大水平位移减少至7.83mm，与泥浆密度1.20条件下施工相比最大水平位移减少值为2.04mm，减少了21%；相对密度增加至1.35时，路基深层最大水平位移减少至7.60mm，与泥浆密度1.20条件下施工相比深层最大水平位移减少值为2.27mm，减少了23%；相对密度增加至1.40时，路基深层最大水平位移减少至7.47mm，与泥浆密度1.20条件下施工相比深层最大水平位移减少值为2.40mm，减少了24%。（2）溶洞区和非溶洞区的桩基施工时路基产生的最大水平位移减少幅度从相对密度1.35后明显趋于平缓，表明相对密度超过1.35后，继续增加泥浆相对密度对路基的45 长安大学硕士学位论文水平位移降低的贡献开始减小，因此，建议岩溶区桥梁桩基施工泥浆相对密度不宜超过1.35，但是有时需根据实际工程的需要选择合理的泥浆相对密度，泥浆相对密度过小，将达不到稳定孔壁的作用，过大将会对桩基施工工艺产生一定的影响。（3）溶洞区桩基施工造成路基的深层最大水平位移明显大于非溶洞区桩基施工造成的最大水平位移，且溶洞位置处的土层水平位移较大，主要原因是由于桩基施工穿越溶洞，打破了原来的地基应力平衡，使得土层重新发生应力重分布，导致溶洞区深部岩土层水平位移较大。（4）从深层水平位移曲线图还可以看出，越靠近地表的曲线水平位移越大，主要原因是由于越靠近地表的土层密实度越小（即岩土体稳定行较差）造成的。2.泥浆相对密度变化对路基沉降的影响以溶洞尺寸为4m×4m×4m、距离为S=2m、泥浆相对密度为1.30的桩基施工为例，其中数值模拟计算中路基沉降提取点为路基距桩孔最近的点，不同泥浆相对密度下，溶洞区和非溶洞区的路基沉降曲线如图4-11所示，相对密度变化对路基沉降减小幅度的影响如图4-12所示。640m×0m×0m0m×0m×0m54m×4m×4m4m×4m×4m34）mm3mm)22沉降（沉降（11001.201.251.301.351.401.201.251.301.351.40泥浆相对密度泥浆相对密度（a）S=2m（b）S=4m32.00m×0m×0m0m×0m×0m4m×4m×4m4m×4m×4m1.52mm)mm)1.0沉降（1沉降（0.500.001.201.251.301.351.401.201.251.301.351.40泥浆相对密度泥浆相对密度（c）S=6m（d）S=8m图4-11不同泥浆相对密度下路基沉降变化曲线46 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析表4-7不同相对密度下的路基沉降路基沉降溶洞尺寸桩孔与路基距离泥浆相对（m×m×m）（m）密度H0(mm)△Hj(mm)△Hj/H01.203.21001.252.900.3110%21.302.750.4614%1.352.660.5517%1.402.640.5718%1.201.51001.251.350.1711%41.301.300.2114%1.351.260.2517%0×0×01.401.250.2617%（无溶洞区）1.201.11001.251.000.1110%61.300.930.1816%1.350.910.2018%1.400.900.2119%1.200.73001.250.660.079%81.300.620.1115%1.350.600.1318%1.400.600.1318%1.204.80001.254.230.5712%21.304.050.7516%1.353.950.8518%4×4×41.403.910.9019%（溶洞区）1.202.11001.251.880.2411%41.301.790.3215%1.351.750.3717%1.401.730.3818%47 长安大学硕士学位论文表4-7不同相对密度下的路基沉降（续）路基沉降溶洞尺寸桩孔与路基距离泥浆相对（m×m×m）（m）密度H0(mm)△Hj(mm)△Hj/H01.201.45001.251.310.1410%61.301.210.2416%1.351.180.2718%4×4×41.401.180.2719%（溶洞区）1.201.02001.250.930.099%81.300.870.1515%1.350.850.1717%1.400.840.1818%附注：表中△Hj为路基沉降相对于H0的减少值，H0为相对密度1.20时的路基沉降。4040S=2mS=2mS=4mS=4m30S=6mS=6m30S=8mS=8m(%)20(%)20影响度影响度1010001.251.301.351.401.251.301.351.40泥浆相对密度泥浆相对密度（a）0m×0m×0m（b）4m×4m×4m图4-12相对密度变化对沉降减小幅度的影响从图4-11和图4-12及表4-7可以看出：（1）在桩孔与路基距离一定的情况下，随着泥浆相对密度的增大，路基沉降呈明显减小的趋势。以桩孔与路基2m距离、溶洞尺寸为0m×0m×0m和4m×4m×4m的桩基施工为例。首先，溶洞尺寸0m×0m×0m（非溶洞区）条件下泥浆相对密度从1.20增加至1.25时，路基沉降由3.21mm减少至2.90mm，减少值为0.31mm，减少了10%；相对密度增加至1.30时，路基沉降减少至2.75mm，与泥浆密度1.20条件下施工相比路基沉降减少值为0.46mm，减少了14%；相对密度增加至1.35时，路基沉降减少至2.66mm，与泥浆密度1.20条件下施工相比路基沉降减少值为0.55mm，减少了17%；相对密度增加至1.40时，路基沉降减少至2.64mm，与泥浆密度1.20条件下施工相比路基沉降减少48 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析值为0.57mm，减少了18%。再者，溶洞尺寸4m×4m×4m（溶洞区）条件下泥浆相对密度从1.20增加至1.25时，路基沉降由4.80mm减少至4.23mm，减少值为0.57mm，减少了12%；相对密度增加至1.30时，沉降减少至4.05mm，与泥浆密度1.20条件下施工相比路基沉降减少0.75mm，减少了16%；相对密度增加至1.35时，路基沉降减少至3.95mm，与泥浆密度1.20条件下施工相比路基沉降减少值为0.85mm，减少了18%；相对密度增加至1.40时，路基沉降减少至3.91mm，与泥浆密度1.20条件下施工相比路基沉降减少值为0.90mm，减少了19%。（2）溶洞区和非溶洞区桩基施工产生的路基沉降与路基深层水平位移曲线反应出的规律相似，均是相对密度超过1.35后明显趋于平缓，同样表明相对密度超过1.35后，继续增加泥浆相对密度对路基的沉降减小的贡献开始减小，因此，岩溶区桥梁桩基施工泥浆相对密度不宜超过1.35。（3）溶洞区桩基施工造成路基沉降明显大于非溶洞区桩基施工造成的沉降，主要原因是由于桩基穿越溶洞施工，导致溶洞位置的沉降增大，并且最终反映到地表，造成路基沉降相应增大4.4.2溶洞尺寸变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响对桩长30m、桩径1.8m的桩基，桩基施工在泥浆相对密度1.30和桩孔与路基之间距离为2m、4m、6m、8m的情况下，对溶洞尺寸分别为0m×0m×0m、2m×2m×2m、3m×3m×3m、4m×4m×4m、5m×5m×5m时进行数值模拟计算，研究桩基施工期间溶洞尺寸变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响。1.溶洞尺寸变化对路基深层水平位移的影响不同溶洞尺寸下，路基深层水平位移曲线如图4-13所示，不同距离下的深层最大水平位移和溶洞尺寸变化对最大水平位移增加幅度的影响如图4-14和图4-15所示。49 长安大学硕士学位论文位移量(mm)位移量(mm)036912150369121500550m×0m×0m0m×0m×0m2m×2m×2m2m×2m×2m103m×3m×3m103m×3m×3m4m×4m×4m4m×4m×4m5m×5m×5m5m×5m×5m(m)15(m)15深度深度202025253030（a）S=2m（b）S=4m位移量(mm)位移量(mm)01234560123400550m×0m×0m0m×0m×0m2m×2m×2m2m×2m×2m103m×3m×3m103m×3m×3m4m×4m×4m4m×4m×4m5m×5m×5m5m×5m×5m(m)15(m)15深度深度202025253030（c）S=6m（d）S=8m图4-13不同溶洞尺寸下的路基深层水平位移变化曲线50 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析表4-8不同溶洞尺寸下的路基深层最大水平位移桩孔与路基距离溶洞尺寸路基深层最大水平位移（m）（m×m×m）S0(mm)△Sj(mm)△Sj/S00×0×05.72002×2×26.140.427%23×3×36.570.8515%4×4×47.832.1137%5×5×510.785.0688%0×0×03.50002×2×23.710.226%43×3×33.910.4112%4×4×44.671.1834%5×5×56.432.9484%0×0×01.69002×2×21.770.085%63×3×31.890.2012%4×4×42.210.5231%5×5×53.111.4284%0×0×00.93002×2×20.970.034%83×3×31.040.1011%4×4×41.260.3335%5×5×51.710.7783%附注：表中△Sj为路基最大水平位移相对于S0的增加值，S0为溶洞尺寸0m×0m×0m的路基深层最大水平位移。12100S=2mS=4mS=2m10S=6m80S=4mS=8mS=6m8S=8m(mm)606(%)404影响度最大水平位移220000×0×02×2×23×3×34×4×45×5×52×2×23×3×34×4×45×5×5溶洞尺寸(m×m×m)溶洞尺寸(m×m×m)图4-14不同溶洞尺寸下最大水平位移变化曲线图4-15尺寸变化对最大水平位移增加幅度的影响51 长安大学硕士学位论文从图4-13~图4-15及表4-8可以看出：（1）在桩孔与路基距离一定的情况下，随着溶洞尺寸的增大，路基深层最大水平位移呈明显增大的趋势。以桩孔与路基2m距离的桩基施工为例，溶洞尺寸从0m×0m×0m增加至2m×2m×2m时，路基深层最大水平位移由5.72mm增加至6.14mm，增加值为0.42mm，增加了7%；溶洞尺寸增加至3m×3m×3m时，路基深层最大水平位移增加至6.57mm，与溶洞尺寸0m×0m×0m条件下施工相比最大水平位移增加值为0.85mm，增加了15%；溶洞尺寸增加至4m×4m×4m时，路基深层最大水平位移增加至7.83mm，与溶洞尺寸0m×0m×0m条件下施工相比最大水平位移增加值为2.11mm，增加了37%；溶洞尺寸增加至5m×5m×5m时，路基最大水平位移增加至10.78mm，与溶洞尺寸0m×0m×0m条件下施工相比最大水平位移增加值为5.06mm，增加了88%。（2）距离一定时，随着溶洞尺寸的增加，路基最大水平位移成明显增加的趋势，从0m×0m×0m至4m×4m×4m（大约2倍桩径D）路基最大水平位移增加幅度较小，而从4m×4m×4m至5m×5m×5m（大约2.5倍桩径D）时幅度呈抛物线趋势增加，表明：岩溶区桩基施工和非岩溶区桩基施工对路基的影响存在一定的差别，如果近距离施工，溶洞尺寸在4m×4m×4m（大约2倍桩径D）以上时，应在施工前根据地质资料对溶洞进行相应处理，否则，对邻近路基的影响不可估量。2.溶洞尺寸变化对路基沉降的影响不同溶洞尺寸下沉降曲线和溶洞尺寸变化对沉降增加幅度的影响如图4-16和图4-17所示。6S=2m5S=4mS=6m4S=8mmm)3沉降（2100×0×02×2×23×3×34×4×45×5×5溶洞尺寸(m×m×m)图4-16不同溶洞尺寸下的路基沉降变化曲线52 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析表4-9不同溶洞尺寸下的路基沉降桩孔与路基距离溶洞尺寸路基沉降（m）（m×m×m）H0(mm)△Hj(mm)△Hj/H00×0×02.75002×2×22.930.187%23×3×33.210.4617%4×4×44.051.3047%5×5×55.282.5392%0×0×01.30002×2×21.410.119%43×3×31.540.2418%4×4×41.790.4938%5×5×52.471.1790%0×0×00.93002×2×21.010.089%63×3×31.100.1718%4×4×41.210.2830%5×5×51.810.8894%0×0×00.62002×2×20.670.058%83×3×30.730.1118%4×4×40.870.2541%5×5×51.210.5996%附注：表中△Hj为路基沉降相对于H0的增加值，H0为溶洞尺寸0m×0m×0m的沉降。100S=2mS=4m80S=6mS=8m60(%)40影响度2002×2×23×3×34×4×45×5×5溶洞尺寸(m×m×m)图4-17溶洞尺寸变化对路基沉降增加幅度的影响从图4-16~图4-17及表4-9可以看出：（1）在桩孔与路基距离一定的情况下，随着溶洞尺寸的增大，路基沉降呈明显增53 长安大学硕士学位论文大的趋势。以桩孔与路基2m距离的桩基施工为例，溶洞尺寸从0m×0m×0m增加至2m×2m×2m时，路基沉降由2.75mm增加至2.93mm，增加值为0.18mm，增加了7%；溶洞尺寸增加至3m×3m×3m时，路基沉降增加至3.21mm，与溶洞尺寸0m×0m×0m条件下施工相比路基沉降增加值为0.46mm，增加了17%；溶洞尺寸增加至4m×4m×4m时，路基沉降增加至4.05mm，与溶洞尺寸0m×0m×0m条件下施工相比路基沉降增加值为1.30mm，增加了47%；溶洞尺寸增加至5m×5m×5m时，路基沉降增加至5.28mm，与溶洞尺寸0m×0m×0m条件下施工相比路基沉降增加值为2.53mm，增加了92%。（2）距离一定时，随着溶洞尺寸的增加，路基沉降成增加的趋势，从0m×0m×0m至4m×4m×4m路基沉降增加幅度较小，而从4m×4m×4m（约2D）至5m×5m×5m时幅度同样呈抛物线趋势增加，和路基深层最大水平位移反映的规律基本相同。4.4.3溶洞位置变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响对桩长30m、桩径1.8m的桩基，桩基施工在泥浆相对密度为1.30和桩孔与路基之间的距离为2m、4m、6m、8m的情况下，对溶洞位置为上、中、下时进行数值模拟计算，研究桩基施工期间溶洞位置变化对邻近既有铁路路基的稳定性的影响。1.溶洞位置变化对路基深层水平位移的影响不同溶洞位置下路基的深层水平位移曲线如图4-18所示，不同溶洞位置深层最大水平位移和溶洞位置变化对深层最大水平位移减少幅度的影响如图4-19和图4-20所示。位移量(mm)位移量(mm)05101520250481216200055无无下下10中10中上上(m)15(m)15深度深度202025253030（a）S=2m（b）S=4m54 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析位移量(mm)位移量(mm)012345601230055无无下下1010中中上上(m)15(m)15深度深度202025253030（c）S=6m（d）S=8m图4-18不同溶洞位置下的路基深层水平位移曲线（无-无溶洞；下-洞底距孔口30m处，中-洞底距孔口20m处，上-洞底距孔口10m处）表4-10不同溶洞位置下的路基深层最大水平位移桩孔与路基距离路基深层最大水平位移溶洞位置（m）S0(mm)△Sj(mm)△Sj/S0无5.7200下6.210.499%2中7.832.1137%上13.167.44130%无3.5000下3.810.319%4中4.671.1834%上7.784.28123%无1.6900下1.850.169%6中2.210.5231%上3.531.84109%无0.9300下1.120.1920%8中1.260.3335%上1.800.8793%55 长安大学硕士学位论文附注：表中△Sj为路基深层最大水平位移相对于S0的增加值，S0为溶洞尺寸无溶洞时的路基深层最大水平位移。15S=2mS=4m12S=6mS=8m(mm)96最大水平位移30无下溶洞位置中上图4-19不同溶洞位置下对路基深层最大水平位移变化曲线200S=2mS=4m160S=6mS=8m120(%)80影响度400下中上溶洞位置图4-20溶洞位置变化对最大水平位移增加幅度的影响从图4-18~图4-20及表4-10可以看出：（1）在桩孔与路基不同最短距离一定的情况下，随着溶洞位置的变化，路基的最大水平位移也呈现出不同的变化趋势，溶洞位置离地表的距离越近，致使路基产生的最大水平位移越大。以桩孔与路基2m距离的桩基施工为例，溶洞位置从无溶洞变化为桩孔下部位置时，路基最大水平位移由5.72mm增加至6.21mm，增加值为0.49mm，增加了9%；溶洞处于桩孔中部位置时，路基最大水平位移增加至7.83mm，与无溶洞条件下施工相比最大水平位移增加值为2.11mm，增加了37%；溶洞处于桩孔上部位置时，路基最大水平位移增加至13.16mm，与无溶洞条件下施工相比最大水平位移增加值为7.44mm，增加了130%。（2）溶洞位置的变化致使桩基施工对路基的影响有很大的不同，离地面的距离越近对路基的影响越大，溶洞处于下部位置时，由于下部岩层特性相对来说较好，相对稳定，桩孔穿过时，并未对上覆岩土体和周围土体造成特别大的影响，所以桩基施工时对路基的影响较小；随着溶洞的位置逐渐往地面靠近，上部土层由于本身的岩土体特性相56 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析对较差，不是特别稳定，桩孔穿过溶洞时，受到外界条件的扰动，土体应力进行重新分布，致使周围土体产生的变化较大。2.溶洞位置变化对路基沉降的影响不同溶洞位置下沉降变化曲线和溶洞尺寸变化对沉降增加幅度的影响如图4-21和图4-22所示。8S=2mS=4mS=6m6S=8mmm)4沉降（20无下溶洞位置中上图4-21不同溶洞位置下的路基沉降变化曲线表4-11不同溶洞位置下的路基沉降路基沉降桩孔与路基距离溶洞位置（m）H0(mm)△Hj(mm)△Hj/H0无2.7500下3.050.3011%2中4.051.3047%上6.363.61131%无1.3000下1.430.1310%4中1.790.4938%上2.981.68129%无0.9300下1.030.0910%6中1.210.2830%上2.121.19127%无0.6200下0.680.0711%8中0.870.2541%上1.400.78127%附注：表中△Hj为路基沉降相对于H0的增加值，H0为无溶洞时的沉降。57 长安大学硕士学位论文200S=2mS=4m160S=6mS=8m120(%)80影响度400下中上溶洞位置图4-22溶洞位置变化对路基沉降增加幅度的影响从图4-21和图4-22及表4-11可以看出：（1）在桩孔与路基距离一定的情况下，溶洞位置离地表的距离越近，路基沉降同样呈现出明显增大趋势。以桩孔与路基2m距离的桩基施工为例，溶洞位置从无溶洞变化为桩孔下部位置时，路基表面位移由2.75mm增加至3.05mm，增加值为0.30mm，增加了11%；溶洞处于桩孔中部位置时，沉降增加至4.05mm，与无溶洞条件下施工相比沉降增加值为1.30mm，增加了47%；溶洞处于桩孔上部位置时，沉降增加至6.36mm，与无溶洞条件下施工相比沉降增加值为3.61mm，增加了131%。（2）路基沉降和最大水平位移所呈现出的规律相同，溶洞位置离地面越近，岩溶区桥梁桩基施工对路基的影响越大，因此，建议当溶洞较大且处于不稳定的桩孔上覆土层时，必须进行地基处理才能施工。4.4.4桩孔与路基距离变化对邻近既有铁路路基稳定性的影响对桩长30m、桩径1.8m的桩基在溶洞处于中部位置，尺寸为0m×0m×0m、2m×2m×2m、3m×3m×3m、4m×4m×4m、5m×5m×5m的情况下，对桩孔和路基距离为2m、4m、6m、8m时进行数值模拟计算分析，研究桩基施工期间桩孔与路基距离变化对邻近既有铁路路基的稳定性的影响。1.桩孔与路基距离变化对路基深层水平位移的影响桩孔与路基在不同距离下，路基的深层水平位移曲线如图4-23所示，不同距离的深层最大水平位移和桩孔与路基距离变化对最大水平位移减少幅度的影响如图4-24和图4-25所示。58 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析位移量(mm)位移量(mm)00369121503691215055S=2mS=2mS=4mS=4m10S=6m10S=6mS=8mS=8m(m)15(m)15深度深度202025253030（a）0m×0m×0m（b）2m×2m×2m位移量(mm)位移量(mm)03691215180481216200055S=2mS=2mS=4mS=4mS=6mS=6m10S=8m10S=8m(m)15(m)15深度深度202025253030（c）3m×3m×3m（d）4m×4m×4m59 长安大学硕士学位论文位移量(mm)051015202505S=2mS=4mS=6m10S=8m(m)15深度202530（e）5m×5m×5m图4-23不同距离下的路基深层水平位移曲线表4-12不同距离下的路基深层最大水平位移溶洞尺寸溶洞与路基距离路基深层最大水平位移（m×m×m）（m）S0(mm)△Sj(mm)△Sj/S025.720043.502.2339%0×0×061.694.0370%80.934.7984%26.440044.012.4338%2×2×261.994.4569%81.065.3984%26.870044.312.5637%3×3×362.224.6568%81.215.6682%60 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析表4-12不同距离下的路基深层最大水平位移（续）溶洞尺寸溶洞与路基距离路基深层最大水平位移（m×m×m）（m）S0(mm)△Sj(mm)△Sj/S027.830044.813.0239%4×4×462.415.4269%81.366.4683%210.780046.534.2539%5×5×563.117.6771%81.818.9883%附注：表中△Sj为路基最大水平位移相对于S0的增加值，S0为距离2m时的路基最大水平位移。120m×0m×0m102m×2m×2m3m×3m×3m(mm)84m×4m×4m5m×5m×5m64最大水平位移202468桩孔与路基距离(m)图4-24不同距离下路基最大水平位移变化曲线900m×0m×0m802m×2m×2m3m×3m×3m704m×4m×4m(%)5m×5m×5m60影响度504030468桩孔与路基距离(m)图4-25桩孔与路基距离变化对路基最大水平位移减少幅度的影响从图4-23和图4-25及表4-12可以看出：（1）在其他条件一定的情况下，溶洞与路基的距离越远，路基最大水平位移呈现出明显减小的趋势。溶洞尺寸为0m×0m×0m时，溶洞与路基距离从2m增加至4m时，路基最大水平位移由5.72mm减小至3.50mm，减小值为2.23mm，减小了39%；距离增61 长安大学硕士学位论文加至6m时，路基最大水平位移减小至1.69mm，与距离为2m相比最大水平位移减小值为4.03mm，减小了70%；距离增加至8m时，路基最大水平位移减小至0.93mm，与距离为2m相比最大水平位移减小值为4.79mm，减小了84%。溶洞尺寸为4m×4m×4m时，溶洞与路基距离从2m增加至4m时，路基最大水平位移由7.83mm减小至4.81mm，减小值为3.02mm，减小了39%；距离增加至6m时，路基最大水平位移减小至2.41mm，与距离为2m相比最大水平位移减小值为5.42mm，减小了69%；距离增加至8m时，路基最大水平位移减小至1.36mm，与距离为2m相比最大水平位移减小值为6.46mm，减小了83%。（2）桩孔与路基的距离越远，岩溶区桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基的影响越小，经数据研究分析，当溶洞尺寸可以满足施工条件时，溶洞与路基的距离超过6~8m（3~4倍桩径D）以上时，桩基施工对邻近路基的影响逐渐趋于平衡，且影响相对较小，施工比较安全。2.桩孔与路基距离变化对路基沉降的影响不同距离下的路基沉降变化曲线和桩孔与路基距离变化对路基沉降减小幅度的影响如图4-26和图4-27所示。60m×0m×0m52m×2m×2m43m×3m×3m4m×4m×4m(mm)35m×5m×5m沉降2102468桩孔与路基距离(m)图4-26不同距离下的路基沉降变化曲线62 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析表4-13不同距离下的路基沉降溶洞尺寸溶洞与路基距离路基沉降（m×m×m）（m）H0(mm)△Hj(mm)△Hj/H022.750041.301.4553%0×0×060.931.8266%80.622.1378%22.930041.411.5252%2×2×261.011.9265%80.672.2777%23.210041.541.6752%3×3×361.102.1166%80.732.4877%24.050.00041.792.2656%4×4×461.212.8370%80.873.1879%25.280042.472.8153%5×5×561.813.4766%81.214.0877%附注：表中△Hj为路基最大水平位移相对于H0的增加值，H0为距离2m时的沉降。850m×0m×0m802m×2m×2m753m×3m×3m4m×4m×4m70(%)5m×5m×5m6560影响度555045468桩孔与路基距离(m)图4-27溶洞与路基距离变化对路基沉降减小幅度的影响从图4-26和图4-27及表4-13可以看出：（1）在其他条件一定的情况下，溶洞与路基的距离越远，路基沉降同样呈现出减小的趋势。溶洞尺寸为0m×0m×0m时，溶洞与路基距离从2m增加至4m时，沉降由2.75mm减小至1.30mm，减小值为1.45mm，减小了53%；距离增加至6m时，沉降减小至0.93mm，63 长安大学硕士学位论文与距离为2m相比最大水平位移减小值为1.82mm，减小了70%；距离增加至8m时，路基最大水平位移减小至0.62mm，与距离为2m相比最大水平位移减小值为2.13mm，减小了78%。溶洞尺寸为4m×4m×4m时，溶洞与路基距离从2m增加至4m时，沉降由4.05mm减小至1.79mm，减小值为2.26mm，减小了56%；距离增加至6m时，沉降减小至1.21mm，与距离为2m相比最大水平位移减小值为2.83mm，减小了70%；距离增加至8m时，路基最大水平位移减小至0.87mm，与距离为2m相比最大水平位移减小值为3.18mm，减小了79%。（2）沉降的数据同样反映出溶洞与路基的距离越远，岩溶区桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基的影响越小，超过6~8m（3~4倍桩径D）沉降值相对很小。4.5数值模拟计算结果与现场监测结果对比分析肇花高速公路工程京广铁路附近区域地质状况复杂、岩溶发育，桥梁桩基施工极易对周边环境造成很大影响，特别是对京广铁路路基的影响较大，在桥梁桩基础施工期间容易造成漏浆、塌孔等一系列事故，继而会牵连到仅有几米之遥的京广铁路，因此必须在桩基施工期间，对铁路路基进行深层水平位移监测、沉降监测以及地下水位监测，以保证附近京广铁路路基的安全。为了能够多层次、多方面研究岩溶区桥梁桩基施工对邻近京广铁路路基的影响，对桩基施工期间进行了数值模拟计算，但是由于数值模拟边界条件的限制，计算出来的结果往往与实际情况有所差距，因此，有必要对数值模拟计算的结果与现场监测结果进行对比分析，从而验证数值模拟计算结果的可靠性。1.深层水平位移对比分析深层水平位移能较好的反映地面以下深层次岩土体的变化，通过对比分析，可研究现场监测结果与数值模拟计算结果存在的不同之处。图4-28（a）中数值模拟计算为无溶洞、泥浆相对密度为1.30、距离为2m的计算结果，地质条件与提取位置和现场监测相同，为右幅桩基116#-1与116#-2附近的测斜孔CX-4。图4-28（b）中数值模拟计算为溶洞区、溶洞位置位于桩孔上部位置（尺寸为3m×3m×3m）、泥浆相对密度为1.30、距离为2m的计算结果；而根据现场勘查资料可知，桩基115#-1和115#-2距孔口10m处存在土洞，溶洞尺寸基本相同，与数值模拟计算地质条件基本相同且提取位置相同，可进行对比分析。现场监测结果与数值模拟结果对比分析见图4-28。64 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析位移量(mm)位移量(mm)051015200510152025300055现场监测现场监测数值模拟数值模拟1010(m)15(m)15深度深度202025253030（a）（b）图4-28路基深层水平位移结果对比分析由图4-28可以看出：数值模拟计算结果与现场监测结果反映的规律相一致，在无溶洞区桥梁桩基施工对路基的影响均是从地面到桩孔底部逐渐变小，桩基施工穿越溶洞时，最大深层水平位移明显加大，加大的位置主要处于穿越溶洞的位置。同时图（a）与图（b）均反映了现场监测结果大于数值模拟计算的结果。主要是由于测斜孔布置完后，用于固定测斜孔的沙土并没有像原来的土体那么密实，导致桩基施工期间对测斜孔的扰动较大，造成现场监测结果偏大。2.沉降对比分析沉降并不能像深层水平位移能够较好的反映深层岩土体内部的变化情况，但是可以从侧面反映地基土层的变化，其中：图4-29（a）中数值模拟计算为无溶洞、泥浆相对密度为1.30、距离为2m的计算结果，地质条件、提取位置和现场监测相同，其中监测点为位于右幅116#-1和116#-2附近的7#和8#沉降监测点。图4-29（b）中数值模拟计算为溶洞区、溶洞位置位于桩孔上部位置（尺寸为3m×3m×3m）、泥浆相对密度为1.30、距离为2m的计算结果；而根据现场勘查资料可知，65 长安大学硕士学位论文右幅桩基115#-1和115#-2距孔口10m处存在土洞，尺寸相同，且与数值模拟计算地质条件基本相同、提取位置相同，其中监测点为位于右幅115#-1和115#-2附近的3#和4#沉降监测点。108.386.456(mm)42.9沉降值20数值模拟现场监测7#现场监测8#（a）201614.313.1212(mm)86.36沉降值40数值模拟现场监测3#现场监测4#（b）图4-29路基沉降结果对比分析由图4-29可以看出：位于右幅116#-1、116#-2附近的7#和8#沉降监测点和位于右幅115#-1、115#-2附近的3#和4#沉降监测点均大于数值模拟计算结果，但规律反映相同，位于溶洞区的沉降要大于非溶洞区的沉降，主要原因上述基本相同。综上所述，数值模拟计算结果与现场监测结果反映的规律相一致，验证了数值模拟计算的可靠性，可为相似岩溶区桥梁桩基施工建设工程提供一定的参考性，避免凭经验方法估计对邻近构筑物的影响。4.6小结本章通过有限元数值模拟软件计算分析了岩溶区穿越溶洞桥梁桩基施工期间不同泥浆相对密度、不同溶洞尺寸、不同溶洞位置以及桩孔与路基距离变化条件下铁路路基的变形趋势，得出以下结论：66 第四章岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响数值模拟分析1.在桩孔与路基距离一定情况下，随着泥浆相对密度的增大，路基最大水平位移和沉降均呈减小的趋势，溶洞区路基最大水平位移和沉降明显大于非溶洞区的，且两者均在泥浆相对密度超过1.35后趋于稳定；2.随着溶洞尺寸的增加，路基最大水平位移和沉降成明显增加趋势，且溶洞尺寸越大，增加幅度越快。3.在溶洞尺寸及桩孔和路基距离一定的情况下，溶洞位置的变化致使桩基施工对路基的影响有很大的不同，离地面的距离越近对路基的影响越大，溶洞处于桩孔上部位置时对路基影响要远远大于在桩孔底部的位置。4.溶洞与路基的距离越近，桩基施工对邻近路基的影响越大，当溶洞与路基的距离超过6~8m（3~4倍桩径D）时，桩基施工对邻近路基的影响逐渐趋于稳定，且影响相对较小，施工比较安全。5.数值模拟计算结果与现场监测结果反映的规律相一致，验证了数值模拟计算的可靠性，可为相似岩溶区桥梁桩基施工建设工程提供一定的参考性，避免凭经验方法估计对邻近构筑物的影响。67 长安大学硕士学位论文第五章岩溶区公路桥梁桩基设计与施工安全控制技术5.1概述肇花高速公路工程跨越京广铁路区段地质状况复杂，岩溶发育强烈，桥梁桩基施工极易造成塌孔，继而影响到周边构筑物的安全，特别是京广铁路的安全运营状况，因此，为尽可能的最大减小桩基施工对京广铁路造成的影响，必须在桩基施工前做好详细的准备工作，包括详细的岩溶区地质勘查资料、岩溶区地基的处理方法以及岩溶区公路桥梁桩基的合理设计，才能保证在岩溶区桥梁桩基施工尽可能小的影响到京广铁路。5.2岩溶区地质勘查要求与方法在桥梁桩基础设计与施工之前，必须通过各种勘查方法与技术详细掌握施工场地的水文地质特征及不良地质特点，并分析研究岩土体的稳定性，为后续的桥梁桩基础设计与施工提供安全保障技术。1.岩溶区地质勘察要求岩溶区岩溶发育的地质特点决定了桥梁桩基设计与施工的难度，因此为保证桥梁桩基的合理设计与施工以及后期安全运营，必须有准确的地质勘查资料。岩溶区桥梁设计与施工需要的主要地质勘查资料包括：施工区域岩溶的整体发育状况、尺寸大小、溶洞位置、溶洞顶板厚度以及洞内填充物特点。1）初测阶段在岩溶发育地区使用比较传统的地质钻探方法探测的地质条件并不能完全反映出桩位处的岩溶发育情况，需采用物探与钻探相结合的方法，首先是初步了解整个区域的地质情况，然后找到特殊的岩溶发育区域，此时使用地质钻探的方法探明局部区域的岩溶发育状况。2）定测阶段以初测阶段地质勘探为基础，然后根据具体的桥梁墩台的布置对逐墩进行钻探，通过钻孔资料分析其溶洞、溶槽以及溶沟的发育情况，如果溶洞发育强烈，则需要对每个桩位进行钻探以详细了解每个桩位下地质的情况，并进一步绘制出地层图。（1）钻孔如果钻进岩层，应继续钻探5~10m的岩层，如果已钻孔内发现溶洞必须穿过溶洞，至少钻进溶洞底板完整岩层的厚度大于5m。68 第五章岩溶区公路桥梁桩基设计与施工安全控制技术（2）如果存在多层的溶洞，在进行钻探时应在溶洞顶板厚度达到至少5~7m时，继续往下钻探3m，如果岩层完整，则可以停止钻探。（3）相邻钻孔如果发现岩层变化较大，需要进行补勘。另外，在初步探测之后，如果发现岩溶发育情况，应与业主、设计等各方及时相互沟通。应按照高精度要求对桩基础进行布设，提供准确的桩位坐标，尽量避免因桩位不准确或是钻孔资料不足需后期再进行补勘，避免不必要的经济浪费。2.岩溶区地质勘查方法岩溶区地质勘察是桥梁建设的重要组成部分，能为后期的桥梁设计和施工提供重要的安全保障，但是在实际工程当中，应根据工程实际需要选择合理的勘察方法，其中主要包括地质测绘、地球物理勘探、工程钻探、遥感技术、静力触探等。5.3岩溶区地基处理原则与方法1.岩溶地基处理原则如果地基不能满足桥梁建设的需求时，则必须对其进行处理，特别是在岩溶发育区域，结合地质勘查资料，详细了解溶洞尺寸、位置、埋深、溶洞周围围岩的稳定性情况以及该区域的水文地质情况，对它们进行综合考虑，选择适当的地基处理措施和地基处理技术。（1）如果溶洞尺寸比较小，可以采用嵌塞等方法进行处理。（2）如果溶洞尺寸比较大，最好选择有可靠支撑面的梁、板以及拱对其进行跨越，要求梁式结构在岩石上支承长度应大于梁高的1.5倍，或者是使用片石进行填筑。（3）如果是风化破碎、不稳定的围岩，宜采用清爆填塞或者是进行灌浆加固。（4）如果岩溶发育强烈，规模比较大，宜采用调整桩位或是洞底支撑进行处理。如果在存在土洞且对地基稳定有一定影响的话，应避免地表水渗入到土层，阻止土洞进一步发育影响桥梁建设的安全性。若土洞埋深比较浅时，对其进行跨越即可，若是尺寸较大埋深又很大的土洞，需对其顶部进行钻孔，然后对其进行灌注混凝土进行加固处理。69 长安大学硕士学位论文2.岩溶地基处理方法由于岩溶区域本身的地质特点，需针对不同的岩溶发育特征选择相应的岩溶地基处理方法，为后续的桩基施工提供安全保障，实际工程当中常用的岩溶地基处理方法见表5-1。表5-1岩溶地基处理方法岩溶地基处理方法岩溶地基处理原理最底部须用块石、片石作填料，中部用碎石，上部用土或混凝充填法土填塞，以保持地下水的原始流通状况，使其形成自然的反滤层。对浅埋的岩溶土洞，将其挖开或爆破揭顶，如洞内有塌陷松软填垫法挖填法土体，应将其挖除，再以块石、片石、砂等填入，然后覆盖粘性土并夯实。对岩溶洞、隙、沟、槽、石芽等岩溶突出物，可能引起地基或路垫褥法基沉降不均匀，将突出物凿去后做30~50cm砂土垫褥处理。对埋深较大的岩溶土洞，宜采用密钻灌浆法加固。应视岩溶洞隙含水程度和处理目的来选择材料。用于填塞时，可用粘土、砂石、混凝土、水泥砂浆等；用于防渗时，可用水泥浆和沥青作帷幕，灌灌浆法浆顺序可先外围后中间，先地下水上游后下游；用于充填加固时，用快干材料或砂石等将洞隙先行填塞，开始时压力不宜过高，以免浆料大量流出加固范围。运用双液化学硅化法可对复杂多层含水溶洞成功进行加固。当溶洞顶板较薄、裂隙较多、洞跨较大，顶板强度不足以承受加固法顶柱法上部荷载时，为保持地下水通畅，条件许可时采用附加支撑减少洞跨。一般在洞内做浆砌块石填补加固洞顶并砌筑支墩作附加支柱。在覆盖型岩溶区，处理大面积土洞和塌陷时，强夯法是一种省工省料、快速经济且能根治整个场地岩溶地基稳定性的有效方法。它可使土体压缩性降低，密实度加大，强度提高，减少或避免土洞强夯法及塌陷的形成，消除地基隐患。一般夯击1~8遍，夯点距3m。如无地下水影响，2遍夯击，间歇时间可不受限制。在夯击过程中，如果夯锤突然下陷，说明下部有隐伏土洞，此时可随夯随填土或砂砾土料处理。70 第五章岩溶区公路桥梁桩基设计与施工安全控制技术表5-1岩溶地基处理方法（续）岩溶地基处理方法岩溶地基处理原理对岩溶土洞中软土较深地段，采用砂柱、石灰柱、松木桩、混凝土桩或者钢管等打入洞内，使桩端嵌入下伏密实土层，以挤挤密法密松散层，形成复合地基，提高地基稳定性和强度。适于对浅层加固法土洞或塌陷的处理。工程基础边缘及其影响范围内的岩溶洞、隙、沟、槽存在不浆砌法稳定因素时，用素混凝土或浆砌块石加固。对埋藏较深但仍位于地基持力层内规模较小的塌陷或土洞，梁跨法可用钢筋硅梁跨越土洞或塌陷体。跨越法对于洞身较宽、深度又大、洞形复杂或有水流的岩溶地基，拱跨法宜采用拱跨形式。拱分浆砌片石拱、硷拱、钢筋硅拱。为增强拱身强度，拱下可砌筑垂直支承柱。5.4岩溶区桥梁桩基设计安全控制技术1.桩位的选择岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响较大，因为岩溶区地质条件复杂，岩溶发育，桥梁桩基施工极易出现塌孔、漏浆及大面积沉陷等问题，将会直接影响到邻近既有铁路路基的稳定，继而可能会给铁路运营带来一定的安全隐患。铁路线承担交通功能强、交通量大，跨越既有铁路线的跨线桥施工必须在不中断交通的情况下进行，既要保证既有铁路线交通畅通与行车安全，还要顾及跨线桥的施工安全及施工质量，因此施工难度较大，出现的问题较多，且风险等级很高。因此在进行桥梁桩基设计时，应根据详细的施工勘察资料进行分析研究，通过多为专家的合理论证，方才进行正确设计。桩位尽可能的避开溶洞位置，如果该区域岩溶发育强烈，溶洞错综复杂，不能避开溶洞时，在设计时还必须考虑对周围环境的影响特别像国家这样的重点工程-京广铁路，应该选择一定的施工安全距离。桩在平面内可布置成方形、三角形或梅花形，为使桩基中各桩受力均匀，布置时应尽可能使上部荷载的中心与桩群的横截面形心重合或接近。2.持力层安全厚度计算71 长安大学硕士学位论文在岩溶区进行嵌岩桩桩基设计时，为使桩基达到应有的承载力，则一般需要穿过溶洞层或者是穿过上部岩溶发育地层。如果溶洞土层埋深较大，桩基不能完全穿越，则桩端需要足够厚度稳定的持力层，即溶洞顶板的厚度需满足要求，因此，溶洞顶板厚度的估算成为桩基设计的关键步骤。（1）根据溶洞顶板弯矩控制进行估算对于溶洞顶板上的岩层，如果其层理较厚、比较完整、强度较高且洞跨很大（大于3倍桩径）时，那么主要的控制条件则为弯矩，按梁板受力情况进行计算：0.5H=[6kM/([])]s（5.1）式中：H—持力层厚度；[σ]—灰岩1/8容许抗压强度（Mpa）；M—弯矩；k—安全系数。如果顶板岩石完整性不同，那么顶板厚度的计算情况也会相应不同，按其分类，可分为简支梁、悬臂梁和固端梁三种情况：①溶洞顶板跨中有裂缝，四周岩层完整时，可2按悬臂梁进行计算：Mql/2pl；②溶洞顶板跨中岩层完整，四周存在裂缝时，可2按简支梁进行计算：Mql/8pl/4；③当溶洞顶板的岩层均比较完整时，可按固端2梁进行计算：Mql/120.7pl/4。其中为p溶洞顶板受到桩端集中力，q为溶洞顶板均布荷载。（2）按剪切应力控制估算对于溶洞顶板上的岩层，如果岩层完整、强度很高且洞跨较小时(小于3倍桩径)，那么溶洞顶板破坏的主要控制因素是抗剪切力：H(qp)/(l)（5.2）式中：q—为覆盖土层均布荷载（包括自重）（kN/m）；p—集中力（kN）；τ—灰岩1/12容许抗压强度（MPa）；l—溶洞平面周长（m）。通过上述两种计算模型，桩端持力层厚度根据溶洞顶板整体性、溶蚀以及裂隙情况，72 第五章岩溶区公路桥梁桩基设计与施工安全控制技术采用嵌岩桩和摩擦桩两种情况进行计算。如果持力层岩层特性较好，可按嵌岩桩计算；如果溶洞顶板有裂隙且很不完整时，可按按摩擦桩计算。3.桩基设计（1）如果桩基础穿过溶沟或溶槽支立于溶沟或溶槽底部的岩层上时，一般按照柱桩的内力方法对其受力分析。桩基承载力的大小由溶沟或溶槽底部的岩层来决定，岩层完整且强度比较大，则其承载力就比较大，否则较小。如果桩基穿越溶洞的过程当中，洞内充填物比较密实，且溶洞埋深较大，溶洞顶板很薄，一般按照摩擦桩类型进行设计。（2）如果桩位地基下有多层溶洞分布时，最下层溶洞已被探明，桩径一般小于1.5m。当多层分布的溶洞都比较小时且洞内有填充物时，钻孔至溶洞时，可先进行压浆加固，达到一定强度后继续进行钻孔，到达下一层溶洞时，进行同样的施工顺序。当多层分布的溶洞都比较大且填充物比较疏松时，必须先进行钻孔，然后抛石、压浆加固处理，再进行钻孔，大部分进行桩基承载力计算时，一般按照柱桩类型进行计算。（3）在桩基设计时还应考虑到负摩阻力的作用。当地基土层受到扰动后，受扰动土层一般都会在自重作用下固结下沉，特别时当大量地下水被开采时，沉降更为明显，此时会对桩基产生一个向下的负摩擦作用，相当于给桩基施加一个外附加荷载。如果超出了桩基承受范围，则将导致桩基发生破坏。因此在桩基施工时，应该考虑桩基中性点以上套管（管内抹油）作隔离层来消除负摩擦力的影响。（4）如果桩基支立于坚固的岩层上时且穿过了多层溶洞，则不需要考虑桩侧摩阻力的作用，相当于给桩基增加了一个安全系数。一般情况下应该考虑岩溶层与桩基的相互摩擦作用，在桩基施工当中也应该采取相应的措施，将多层岩溶层与桩壁之间分隔开，使桩基的承受的荷载传递到桩端，并按柱桩进行设计。5.5岩溶区桥梁桩基施工安全控制技术岩溶地区桥梁桩基施工的难点在于穿越溶洞时的桩基施工，很多岩溶区桥梁桩基工程的施工都会遇到各种各样的问题，如果选择的方案不合理，则可能导致施工出现很多问题，比如漏浆、塌孔等问题。即使有些桩基施工最后能完成，成桩的质量也不一定会达到标准。因此，当桩基施工穿越溶洞时，必须进行详细的施工组织设计和技术交底。1）冲（钻）成孔桩施工1.泥浆相对密度的控制73 长安大学硕士学位论文在桩基冲孔期间一定要合理配置泥浆相对密度的大小，如果相对密度过大，对孔壁稳定性有利，但影响钻进效率，且易形成梅花孔，灌注过程中容易形成桩身夹泥等缺陷；如果相对密度过小，冲击钻进时钻碴不易悬浮，导致在孔底重复破碎，影响钻进效率，且孔壁稳定性较差，易于坍塌。岩溶区桩基施工根据经验泥浆相对密度的大小一般控制在1.30左右，如果本区域岩溶发育强烈，溶洞分布错综复杂，地下水含量丰富，需尽量调大泥浆密度的大小以尽量维持空内外的压力平衡，通过理论计算分析，桩基施工穿越溶洞施工时，泥浆相对密度大小尽量不超过1.35，之后有效作用发挥不大。2.泥浆流失的控制冲（钻）成孔法施工之前，应根据相应的地质勘查资料准备好片石、粘土以便在发现漏浆时做及时处理。桩基施工到溶洞位置时，应该时刻关注泥浆液面的变化，一旦发现有液面下降的变化，则立即用大片石和泥包进行回填，并对泥浆进行补给，直到桩孔内泥浆达到平衡状态再继续钻孔，且在溶洞位置要不断的反复进行回填和冲孔，保证片石和粘土完全封堵住溶洞，这样才能够防止混凝土浇筑时出现流失问题。若溶洞规模较大，可采用C20混凝土或水泥砂浆封堵，优先选用圆形钻头且冲程不宜过大，如果加大钻头重量，悬距不宜过大。如果施工遇到裂隙出现漏浆情况时，可直接投入粘土，然后再边投粘土边进行冲击，直至穿过裂隙。3.双护筒跟进法施工一方面由于工程地质岩溶发育强烈，溶蚀现象较严重且发育规模大，桩位含有多层溶洞呈糖葫芦串珠状，另外，振动锤无法将护筒一次施打到位，且护筒壁厚度需达20mm以上才能保证施打时不产生变形，施工难度极大，因此，可采用钻埋法完成内护筒即双护筒跟进法，其工艺流程如：搭设钻桩平台→加工定位导架→施打外护筒→上回旋钻机钻穿覆盖层→撤钻机→下放内护筒至基岩面→内护筒外压浆→上冲机进行入岩施工。钻覆盖层时，考虑到地质资料可能存在误差，进尺至基岩面以上1～2m时停止钻进，以确保施工安全。下放内护筒参考钢筋笼下放工艺，利用吊车分段接长下沉，下沉时，由测量人员严格控制护筒接头的垂直、护筒偏位及垂直度，至孔底后，再用振动锤震入辅助下沉至岩面，要求倾斜度不大于1%。内护筒沉放到位后，在内外护筒间进行抛石压浆处理，以增加护筒的整体刚度。2）人工挖孔桩岩溶区场地一般富水性强，当采用人工挖孔桩时，危险性较大，特别是在桩孔穿越溶洞时，岩溶发育的地质特点决定了其随时有坍塌的危险。如果岩溶区地下水位较高，74 第五章岩溶区公路桥梁桩基设计与施工安全控制技术常常会使地下水与地表水相互连通，当采用降低地下水位进行施工时，常常会导致地面大范围沉降，这将给人工施工造成极大的困难。（1）钢套筒护壁穿越当进行人工挖孔桩施工时，根据之前勘查资料确定的桩孔范围内溶洞的分布状态制作同高度的钢套筒，施工快接近溶洞顶板时，将钢套筒锤击溶洞底板基岩，并将套筒内的填充物清理干净，直至设计标高。由于岩溶的空间形态特别复杂，不易全部掌握，由此导致钢套筒长度较难确定，特别是在溶洞底板与溶洞顶板不在同一垂直线上时，本处理方案将有可能不起作用。（2）高压帷幕注浆法止水穿越在桩基施工时，由于抽水或是涌水等原因造成附近区域大面积沉降或构筑物沉降时，无法继续施工，可采用高压帷幕注浆堵水工艺。在桩基施工之前，在桩孔周围布置注浆孔位，先用直径为130mm钻具钻进3.0m，放入上端带有对盘的直径130mm钻具钻进3.0m孔深，再下入上端带有对盘的孔口管，孔口管周围用水泥浆封闭，待水泥浆凝固后，改用钻具在孔口管内向下分段钻进、注浆。当进行实际工程的操作时，必须进行做现场试验，通过试验约定合理的施工技术参数时，才能进一步展开后期施工操作。并进一步验证注浆效果如何，其中包括地基强度变化情况、桩孔涌水量的变化情况以及附近区域的地面沉降变化量。5.6小结本章结合工程实际提出了相应的岩溶区地质勘查要求与方法，其中包括初测阶段和定测阶段的地球物理勘探、工程钻探、遥感技术以及静力触探等方法，并通过实际地质勘查资料，建议采用填垫法、加固法以及跨越法等对施工区域进行地基处理，同时结合桩位的选择、持力层厚度计算以及桩基设计等手段保证桥梁桩基的安全，为后期的岩溶区桥梁桩基施工提供更多的安全保障。75 长安大学硕士学位论文结论及建议主要结论在对肇花高速公路岩溶区桥梁桩基与京广铁路路基的相互关系及工程问题调研的基础上，通过现场监测和理论分析，研究了桩基施工对既有京广铁路路基深层水平位移、地表沉降及地下水位的影响，得出以下主要结论：1.邻近肇花高速公路桩基施工区域的京广铁路路基未发生显著的深层水平位移和地表沉降变形，可判定桩基施工期间，京广铁路路基稳定，桩基施工并未显著威胁其稳定性；地下水位未发生显著变化，不足以产生显著的水力梯度威胁岩溶地区岩土体的稳定性。2.在桩孔与路基距离一定情况下，随着泥浆相对密度的增大，路基深层最大水平位移和沉降均呈减小的趋势，溶洞区路基最大水平位移和沉降明显大于非溶洞区，且两者均在超过相对密度1.35后趋于稳定。建议桩基施工泥浆密度控制在1.35范围以内，岩溶发育强烈可以相应增大。3.随着溶洞尺寸的增加，路基最大水平位移和沉降呈明显增加趋势，且溶洞尺寸越大，增加幅度越快。因此，为保证附近路基的安全，建议施工前需根据已有详细地质勘查资料进行地基处理或采用钢护筒跟进等方式进行施工。4.在溶洞尺寸及桩孔和路基距离一定的情况下，溶洞位置的变化致使桩基施工对路基的影响有很大的不同，离地面的距离越近对路基的影响越大，溶洞处于桩孔上部位置时对路基影响要远远大于在桩孔底部的位置，如果溶洞位于上覆土层且尺寸较大时，建议必须进行地基处理或是增加钢护筒长度穿越溶洞才能进行下一步施工。5.溶洞与路基的距离越近，桩基施工对邻近路基的影响越大，当溶洞与路基的距离超过6~8m（3~4倍桩径D）以上时，桩基施工对邻近路基的影响逐渐趋于稳定，且影响相对较小，施工比较安全。当桩基必须穿越溶洞施工时，建议桩位与附近路基的距离至少大于3~4倍桩径，保证邻近路基安全不受影响。6.数值模拟计算结果与现场监测结果反映的规律相一致，验证了数值模拟计算的可靠性，可为相似岩溶区桥梁桩基施工建设工程提供一定的参考性，避免凭经验方法估计对邻近构筑物的影响。76 结论与建议7.通过实际地质勘查资料，采用填垫法、加固法以及跨越法等对施工区域进行地基处理，并结合桩位的选择、持力层厚度计算以及桩基设计等手段保证桥梁桩基的安全，可为岩溶区桥梁桩基施工提供安全保障。进一步建议1.现场监测最能直观的反映岩溶区桥梁桩基施工对附近的京广铁路路基的影响，但由于岩溶地质条件的复杂性，目前现场监测的手段并不能完全及时预警并控制事故的发生，因此建议对新的监测手段进行研究，并建立新的信息传递机制，在事故发生前进行及时预警与控制。2.本文通过有限元软件主要分析了岩溶区穿越溶洞桥梁桩基在不同泥浆相对密度、不同溶洞尺寸、不同溶洞位置以及桩孔与路基不同距离条件下模拟施工期铁路路基的变形趋势，但是由于所研究问题的复杂性，值得进一步研究桩侧存在溶洞时，桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基的影响程度；本文所有溶洞均采用了方形，但是实际溶洞并没有想象的那么规则，需要研究不同溶洞形状的条件下，桩基施工对铁路路基的影响有何不同。77 长安大学硕士学位论文参考文献[1]田宁.高速铁路运营期路基沉降监测与沉降验算平台开发[D].成都：西南交通大学，2012[2]贺胡国.武广铁路客运专线路基沉降监测技术及元器件埋设方法[J].铁道标准设计.2010,(01):28-32[3]杜文举.沪宁城际客专路基沉降观测技术[J].西华大学学报(自然科学版),2010,29(6):95-99[4]赵洪勇,刘建坤,崔江余.高速铁路路基沉降监测方法的认识与评价[J].路基工程,2001,(06):15-17[5]焦广彦.黄土地区高速铁路线下工程沉降监测及变形预测研究[D].西安：长安大学,2009[6]邱恩喜,谢强,赵文.铁路路基沉降预警系统构成及工程应用[J].水文地质工程地质.2008,(05):116-118[7]王智磊,孙红月,尚岳全.基于地下水位变化的滑坡预测时序分析[J].岩石力学与工程学报.2011,11(30):2267-2284[8]张杰.基于J2EE的铁路桥梁水位监测预警系统研究[D].成都：成都理工大学,2012[9]陈仁朋,许伟,汤旅军,等.地下水位及电导率TDR测试探头研制与应用[J].岩土工程学报.2011,11(30):2267-2284[10]郑刚,颜志雄,雷华阳,等.基坑开挖对邻近桩基影响的实测及有限元数值模拟分析[J].岩土工程学报,2007,29(5):638-643[11]丁勇春.软土地区深基坑施工引起的变形及控制研究[D].上海:上海交通大学,2009[12]娄国充.铁路隧道下穿既有路基沉降规律及控制标准研究[D].北京:北京交通大学,2012[13]郅友成.既有铁路旁基坑开挖对高填方路堤稳定性的影响研究[J].公路交通科技,2006,23(3):31-34[14]张永清,冯忠居.用层次分析法评价桥梁的安全性[J].西安公路交通大学学报,2001,03:52-56[15]张宏光,李晋,冯忠居,谢永利.考虑施工过程影响的桩基础承载力的非线性数值78 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攻读硕士学位期间取得的研究成果攻读硕士学位期间取得的研究成果攻读硕士学位期间公开发表论文1.沥青混合料最佳沥青用量确定的试验研究.路基工程.2014年第4期.2.岩溶区公路桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基稳定性影响监测及分析.第十三届全国地基处理会议.3.拓宽路基不均匀沉降分析与控制技术研究.四川理工学院学报（自然科学版）.2014年第3期.4.沥青路面压实度的主要影响因素及其提高措施.四川理工学院学报（自然科学版）.2013年第5期.5.重力式挡土墙稳定性可靠度计算及其系统分析.四川理工学院学报（自然科学版）.2014年第4期.6.基于最佳沥青用量确定试验AC-16沥青混合料的高稳定性研究.华东公路.2014年第4期.7.重力式挡土墙地震土压力计算方法及抗震措施研究.华东公路.2014年第2期.8.建筑给排水存在的问题与对策.中国建筑金属结构.2013年第5期.攻读硕士学位期间参与科研项目1.广东省黄岗至花山公路项目岩溶地区施工监测（重点监测）（广东省交通厅）.2.江门城市建成区高速公路下穿立交结构优化技术（广东省交通厅）.3.钢管混凝土复合桩工作性状及工程技术研究（广东省交通厅）.4.在役跨黄河下承式钢管混凝土系杆拱桥桩基础安全保障关键技术研究（河南省交通厅）83 长安大学硕士学位论文致谢本文是在我的导师冯忠居教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、大纲的拟定、数值计算方案的选择、到论文的撰写与修改，每一步都倾注了导师大量的心血。在此论文即将完成之际，谨向冯老师致以崇高的敬意！三年的研究生求学时光转瞬即逝，至今依然清晰的记得拿到长安大学录取通知书时的喜悦与憧憬。攻读硕士研究生期间，冯老师为我提供了一个良好的学习环境，给我创造了许多实践机会，指导我参与了多项课题的研究工作。在冯老师耐心的教育和帮助下，使我的专业知识得到了很大的提升，开阔了我的视野，锻炼了我的眼光。导师三年的谆谆教诲，使我褪去了本科刚毕业时的青涩，多了一份成熟与自信，感谢冯老师的培养！感谢公路学院岩土与隧道工程系所有授课的老师，传授我专业理论方面的知识！感谢师兄李维洲、郭瑞、杨伟良、李晓鹏、姬小祥、刘阳、朱登远、张帆、杨卫东、安江龙在攻读硕士学位期间以及论文撰写过程中给予的关心和指导；感谢同门李炎、黄涛、韩秋石、王蒙、周桂梅三年中对我的关心和照顾；感谢师弟苏航州、建鑫龙、张殿义、郑扬、席称心、冯云鹤、尹洪桦、李孝雄、胡明华、赵越超、孙明超、李保瑞、袁枫斌，师妹梁倩、王永前在论文撰写过程中给予的帮助。三年中与你们共度的美好时光值得我一生回忆!感谢硕1206班的所有同学，与你们相识相知是我一生的财富!感谢我的父母、家人以及老婆刘娜，是你们对我默默的支持才使我顺利完成学业!最后，感谢在百忙之中审阅和出席硕士论文答辩的各位专家和教授，感谢你们提出的宝贵意见！付长凯二〇一五年六月84'