黄智国，谢 晟，韦巡洲，魏景涛，朱书伟，陈恩友
（广东省地质建设工程集团公司 广州 510060）
岩溶地貌，又称喀斯特地貌，是由水的化学溶蚀以及冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用共同造成的地质作用和现象的总称。中国是岩溶地貌分布面积最广的国家之一，约有365 万km2，超过中国国土面积的1/3。我国山脉多、山系发达程度高，对应的石灰岩的遍及范围广，所占地域大，往往会出现溶洞这类地质形势，所以，存在溶洞这种地质的地区有很多。除了以山西和贵州为中心的两大岩溶高原外，华南和西南地区的岩溶分布也很广，分布于中国的23个省区，其中广西、四川、云南和贵州最为常见［1-2］。我国部分地区的岩溶分布情况如图1所示。我国的岩溶因地区的差异各有特点，但是岩溶地区的共同缺陷在于地下岩石经过侵蚀而使岩体缺乏完整性，进而岩体的强度及稳定性也随之降低［3］。
图1 我国部分省区岩溶分布统计Fig.1 Karst Distribution in Some Provinces of China
通常，在碳酸盐岩地表上会逐步形成各种具有地区特征的风化产物。这些风化产物对岩溶地区的地基情况造成复杂影响，从自然形态上会出现石林、落水洞、天然桥和地下河天窗等岩溶地貌，如图2 所示。桩基础具有较高的承载力、较好的稳定性、能有效控制不均匀沉降、良好的抗震性能，在岩溶地区工程建设中发挥了十分重要的作用。然而，工程建设中往往无法准确监测出溶液的详细分布信息，桩基置于岩溶处无法避免，因而如何保证岩溶顶板稳定性成为桩基工程设计能否成功的关键。工程建设中，附加荷载作用于岩溶顶板上，扰乱原有受力情况并导致应力重新分布，使得岩溶顶板的承载能力不足以支撑上部结构所施加的荷载，最终导致产生失稳现象，从而影响桩基的承载性能。
图2 岩溶地貌剖面Fig.2 Section of Karst Landform
岩溶顶板稳定性对桩基承载性能影响问题，国外研究起步较早，我国则是近些年来从工程的角度提出的，近年来关于岩溶地区稳定性评价方法研究从“定性-半定量-定量”过程取得较大进步［4-14］。岩溶地区顶板稳定性对桩基承载性能的影响是不可忽视的，相较于普通桩基的承载机理而言，岩溶区桩基的承载机理则相对复杂。故溶洞顶板稳定性对桩基承载性能影响需要进一步的研究。为了减少溶洞顶板失稳破坏的发生，国内外许多学者针对溶洞顶板稳定性对桩基承载性能影响问题，开展了大量的研究。对于溶洞顶板稳定性对桩基承载性能影响的研究，主要包括理论研究、现场及室内试验、数值分析。
1.1 理论研究
国内外学者对岩溶顶板稳定性对桩基承载性能影响开展了大量理论研究分析工作，并提出了多种描述岩溶区桩基承载特性的理论。赵明华等人［6，13，15-17］采用Hoeck-Brown 强度准则、枚举优化分析法、突变理论、数值流体方法、莫尔判据和格里菲斯判据等理论研究方法对岩溶区桩基的承载性能及机理进行了详细分析，为岩溶区桩基研究的快速发展作出了重要贡献。
雷勇等人［18］采用Hoeck-Brown 强度准则，确定了岩体抗拉强度和剪切破坏强度计算公式和岩溶顶板安全厚度的计算方法；
龚先兵等人［8］根据突变理论的基本概念，建立了岩溶区桥梁桩基桩端极限荷载计算方法；
汪华斌等人［19］采用Hoeck-Brown 准则作为判岩溶定顶板破坏的依据，建立了岩溶顶板厚度理论计算公式以及在冲切、剪切破坏条件下岩溶顶板安全厚度计算公式；
廖春芳等人［20］研究了岩溶顶板安全厚度的各种影响因素，提出了该类地区岩溶顶板安全厚度枚举优化理论方法；
曹文贵等人［21-22］采用模糊理论对岩溶顶板稳定性进行分析并实证了其在工程风险评估中的作用；
JIANG 等人［23］通过研究岩溶地区的桩基，提出了桩端位于岩溶顶板时受力的极限平衡分析模型；
HE 等人［24］采用灰色理论，研究了岩溶地区的岩溶-桩基-沙化的耦合效应对桩基承载性能的影响；
赵明华等人［25］采用平面应力假定法得到桩基下伏溶洞应力分布规律；
胡柏学等人［26］基于线弹性全塑性数学模型及双折线模型，推导出桩顶荷载与桩顶沉降量的关系。
目前研究大多将岩溶顶板简化为水平面，计算时采用薄板理论，然而实际工程中岩溶顶板为一非线性曲面，这会导致桩基在在实际工程中的承载性能与理论计算差异较大。对于不均匀岩溶顶板对桩基的承载性能影响的理论研究还较少，需要进一步深入探讨。
1.2 现场及室内试验
考虑到岩溶区桩基的多样性和复杂性，现有的理论研究难以全面的评价岩溶区桩基承载性能。相比之下，现场和室内试验能更好的反映实际工程中的情况，如图3 所示。现场及室内试验可以通过模拟岩溶地区地下条件，建立合适的试验装置，模拟桩基和岩溶顶板之间的相互作用，从而探究岩溶顶板稳定性对桩基承载性能的影响。
图3 现场及室内试验示意图［27,28］Fig.3 Schematic Diagram of Field and Laboratory Tests
刘铁雄等人［29-30］采用相似性原则进行室内模型试验，研究了岩溶顶板承载力及其作用机理；
黄生根等人［31］通过在岩溶区现场进行两根大直径桩的静载荷试验，得出桩-土荷载传递曲线符合双曲线模型，溶洞顶板对桩基影响主要为桩侧摩擦阻力的变化和桩的垂直位移；
吴高桥等人［32］采用相似理论以混凝土作为石灰岩模拟材料，设计了3 组不同厚度岩溶顶板破坏形式的大比例室内模型试验，研究和分析了溶洞岩溶顶板在各种厚度下的破坏形态；
唐咸力等人［33］通过相似理论以水泥、砂、石膏模拟基岩，设计了4 组不同厚跨比下桩基下伏溶洞顶板破坏室内模型试验，研究了加载过程中桩基的承载性状；
雷勇等人［34］设计了岩溶桩基的室内小型模型进行对比验证，研究了岩溶顶板厚度与桩基破坏模式的关系；
NIE 等人［35］搭建了尺寸为1.25 m×1.25 m×0.625 m 的缩尺比例半对称模型箱，将桩基下3倍桩径溶洞简化为矩形，结果表明岩溶顶板的破坏形式为冲孔破坏；
董芸秀等人［36］通过桩基现场静荷载试验，根据试验结果运用若干函数模型预测了桩基的竖向极限承载力；
董平等人［37］通过现场试验，研究了桩端阻力与嵌岩比的关系，建立了嵌岩桩嵌岩段的荷载传递函数及其解析解；
张惠乐等人［38-40］采用相似原理对岩溶顶板进行室内模型试验，通过试验结果分析得出岩溶区桩端承载性能及其破坏模式与溶洞位置、大小、形状等密切相关。
通过进行现场试验，可以获得与实际工程情况较为符合的数据；
在室内试验方面，可以通过使用适当的材料来模拟基岩，并进行模型试验。与现场试验相比，室内试验可以模拟实验对象的破坏阶段，是一种相对经济的研究方法。然而现有研究存在以下不足之处：样本质量不够大，岩溶地区的地形复杂，岩溶顶部稳定性对桩基承载性能的影响与地质条件、地表水流等因素密切相关；
变量设置不完善，岩溶顶部稳定性对桩基承载性能的影响与诸多因素相关；
实验条件难以控制，岩溶顶部稳定性对桩基承载性能的影响往往与环境变化密切相关。
1.3 数值分析
随着数值计算技术的不断发展，数值模拟软件在岩土工程领域的应用越来越广泛。这些软件运算原理多样，包括有限元法、有限差分法、离散元法、有限体积法、有限求积元法、单纯形法以及无网格法等。而常用的数值分析软件则有PLAXIS、FLAC3D、ANSYS、ABAQUS、MIDAS、MARC 等。与传统的物理试验相比，数值模拟具有许多优势。首先，它能够更灵活地模拟物理实验中的各种工况。其次，数值模拟可以节约大量现场及室内试验所需的经费。因此，在岩土工程研究中，数值模拟成为一种非常有效的研究手段。
在数值分析方面，曹文贵等人［41］采用数值流形方法提出了公路路基岩溶顶板稳定性的计算模型，建立了岩溶区中的公路路基岩溶顶板安全厚度计算方法；
蒋冲等人［42］通过引入突变理论和模糊理论研究岩溶桩端顶板稳定性问题，建立出岩溶区桩端溶洞顶板稳定性分析的突变评判新方法；
WANG 等人［43］根据某桥梁工程对岩溶地区溶洞对超长跨度桩基的数值分析，进而研究了岩溶顶板的跨度、深度、厚度等对桩基承载性能的影响；
王华牢等人［44］通过建立三维数值模型对溶洞顶板跨度、顶板厚度及顶板高度等进行敏感性分析研究，提出了岩溶区桩基承载力设计中应予以考虑修正参数；
黄明等人［45］通过PlAXIS2D 和ABAQUS软件建立三维数值模型，研究了串珠状溶洞顶板厚度、溶洞规模、上部覆土厚度对桩基承载力的影响；
张俊萌等人［46］利用DIANA 软件进行有限元分析，研究了岩溶地区的溶洞顶板与桩基之间的联系，并计算了桩端荷载临界安全值；
孙映霞等人［47］使用数值模拟的方法探析了不同影响参数对岩溶区桩基承载性能的影响，研究出溶洞稳定性指标的变化规律，进而得到各关键参数对溶洞稳定性的影响程度；
ZHOU 等人［48］采用FLAC3D 软件对岩溶场地群桩施工现场的多个小直径群桩进行了数值模拟。
综上所述，在数值模拟分析方面目前国内外学者对于岩溶顶板稳定性对桩基承载性能影响研究已做出了大量工作。然而，现有的数值分析研究中存在以下不足之处：桩基-岩体相互作用的模拟不准确，现有的数值分析研究往往采用简化的模型和假设，未能准确地模拟实际情况，导致结果的准确性受到影响；
对岩溶地区地质特征和岩石溶蚀作用的理解不足，缺乏准确的模型和参数；
现有的数值分析研究大多是基于理想化模型或理论假设进行的，缺乏对具体岩溶地区实际工程情况的考虑，因此结果可能与实际情况存在差异。
岩溶的发育程度对于桩基承载性能有重要影响。岩溶发育程度是指地下水流动和溶蚀作用导致的岩石或土壤的溶洞、溶缝等岩溶特征的形成程度。按照溶洞和桩基的位置关系可以把岩溶区桩基模式进行了划分，主要分为以下3类：嵌入单个较大溶洞顶板的桩基、贯穿一个或多个溶洞的桩基、位于溶洞侧旁的桩基，如图4 所示［49］。岩溶发育程度可以分为轻度、中度和重度3个级别。不同的发育程度对桩基承载性能不同影响。
图4 岩溶区桩基模型Fig.4 Pile Foundation Model in Karst Area
轻度岩溶区的岩溶发育程度较低，岩石和土壤的结构相对稳定。在轻度岩溶区，岩石可溶性较低，较为稳定，对桩基的稳定性有一定的保障。相比于强度较低的溶洞区域，在轻度岩溶地区，岩石的强度较高，能更好地承受桩基的负荷。然而轻度岩溶地区普遍存在小型的溶洞和裂隙，这些溶洞和裂隙对桩基的承载性能有一定的负面影响。由于岩溶地区地下水的存在，轻度岩溶地区的桩基在施工过程中容易遇到地下水的渗入问题。地下水的渗入会导致桩基周围土壤的冲刷和软化，进而降低桩基的承载性能。轻度岩溶对桩基承载性能有一定的影响。尽管岩溶地区的岩石强度较高，能够保证桩基的稳定性，但地下溶洞、裂隙和地表塌陷等问题仍需要引起重视。在轻度岩溶地区进行桩基的设计和施工时，需要充分考虑这些因素，采取相应的措施来减小其对桩基承载性能的影响。
中度岩溶区的岩溶发育程度较高，岩石和土壤中存在较多的溶洞和溶缝。在中度岩溶区，桩基的承载受到岩溶特征的影响较大，其地下水含量丰富，溶蚀作用强烈，形成了许多洞穴和地下腔室。由于岩溶作用的存在，地下存在许多洞穴和裂隙，这些洞穴和裂隙会对桩基的承载性能产生负面影响。中度岩溶对桩基的承载性能产生显著影响。在中度岩溶地区进行桩基工程设计和施工时，应充分考虑岩溶地质特征，合理选择桩基类型和施工方法，加强桩基与地下土体的连接，采取相应的加固措施，以保证桩基的稳定和安全。此外，还需要加强监测和维护，及时发现和处理岩溶地质环境对桩基承载性能的影响。
重度岩溶区的岩溶发育程度最高，岩石和土壤中存在大量的溶洞和溶缝。岩溶的发育使得地下水流动性较强，地下水通过溶蚀作用，在溶蚀空洞的形成过程中，岩石的物理强度大幅度减弱，导致岩溶地区桩基承载性能受到明显影响。重度岩溶区的地下水渗流方向常常改变，地下水渗流力对桩基的作用也会随之发生变化。地下水的流动对桩基施加的侧向力可能导致桩基的侧倾和滑移。重度岩溶区的地质构造常常复杂，地质力学性质较差，地质体存在不均匀性。这些因素也会对桩基的承载性能产生不利影响。重度岩溶对桩基的承载性能具有明显的影响。在进行岩溶地区的桩基设计和工程施工时，需要充分考虑岩溶地形地貌和地下水流动特性，采取相应的防治措施，确保桩基的稳定性和安全性。
岩溶顶板的稳定性对桩基的承载性能有重要影响，岩溶顶板若失稳，则失稳破坏作用于桩基上的反作用力将显著增大。溶洞的空间位置、大小、高度、强度、质量及其嵌固深度等因素会对岩溶顶板承载力产生不同程度的影响，其中影响敏感程度比较大的因素主要为：溶洞大小、顶板厚度、溶洞跨度、岩土强度等。岩溶地区的桩基承载性能受岩溶顶板多方面因素的影响，其中主要因素为岩溶顶板的强度、倾倒角度、厚度。
3.1 岩溶顶板的强度
岩溶顶板的强度对于桩基承载性能有着重要的影响。岩溶地区的地质构造特点使得岩溶顶板常常存在裂缝、孔洞等缺陷，这会使得岩溶顶板的强度较弱，稳定性较差，从而影响到桩基的承载性能。岩溶地区的地质构造使得岩溶顶板常常呈现不均匀、不连续的特点，存在着较多的裂缝、孔洞等缺陷，使得岩溶顶板的强度较低。裂隙、孔洞等缺陷使得岩溶顶板更容易发生滑移、塌陷等不稳定现象。当桩基施加荷载时，岩溶顶板可能受到破裂或破碎的影响，无法提供足够的支撑，从而导致桩基的承载力衰减。
因此，为了保证桩基的承载性能，需要在岩溶地区对岩溶顶板进行专门的地质勘探和工程设计。通过对地质特征的细致观察和测试，可以评估岩溶顶板的强度和稳定性，并采取相应的措施强化岩溶顶板的支撑能力。常用的措施包括注浆、灌浆、预应力加固等方法，以增加岩溶顶板的强度和稳定性，提高桩基的承载能力。
3.2 岩溶顶板的倾倒角度
岩溶顶板的倾斜角度对桩基承载性能有一定程度的影响，主要影响桩基的垂直度、稳定性和承载力。岩溶地区的地质条件复杂，地下溶洞较多，岩溶顶板的倾斜角度可能会导致桩基垂直度的偏差。如果倾斜角度较大，桩基可能无法垂直负荷，从而影响桩基的承载性能。当岩溶顶板倾斜角度较大时，桩基受到的倾斜力较大，可能会导致桩基的稳定性差，容易发生滑移或倾倒等问题，同时可能会导致岩层的变形和移动，从而影响桩基的承载能力。
因此，在岩溶地区进行桩基设计时，需要充分考虑岩溶顶板的倾斜角度。如果倾斜角度较大，需要采取措施加固桩基，如采用加固桩或增设支撑结构等，以确保桩基的承载性能。此外，还需要进行详细的岩溶地质调查，了解岩层的具体情况，以便确定合适的桩基设计方案。
3.3 岩溶顶板的厚度
岩溶顶板的厚度足够大能起到保护桩基稳定性、分散荷载和限制桩身变形的作用。岩溶顶板的厚度足够大时，可以起到保护桩身稳定的作用，防止桩基受到外部荷载的压力和摩擦力，从而提高桩基的承载能力。并且能将上部结构的荷载分散到更大的范围内，减小了荷载的集中度，从而减小了桩基的应力集中现象，提高了桩基的承载能力。此外，岩溶顶板的厚度能限制桩身的变形，通过阻止桩身的侧向变形，从而限制桩基在垂直方向上的变形。
总的来说，岩溶顶板的厚度越大，对桩基的承载性能的影响越显著，能够提高桩基的稳定性和承载能力。
岩溶区桩基稳定性受岩溶环境影响常发生失稳或破坏，其过程和影响因素十分复杂，本文介绍了岩溶顶板稳定性对桩基承载性能的研究方法，总结了岩溶区桩基稳定性的主要影响因素，得到了如下结论：
⑴岩溶顶板稳定性对桩基承载性能影响研究方法有理论研究、现场及室内试验、数值分析。通过Hoeck-Brown 强度准则、枚举优化分析法、突变理论、数值流体方法、莫尔判据和格里菲斯判据等理论研究方法可对岩溶区桩基的承载性能及机理进行详细分析。通过现场及室内试验，可获得与实际工程情况较为符合的数据。通过数值分析可研究岩溶顶板各因素对桩基承载性能的影响。
⑵岩溶的发育程度对于桩基承载性能有重要影响，对岩溶地区进行桩基础工程设计时需重复考虑该地区的岩溶发育程度。
⑶岩溶顶板对桩基承载性能的主要影响因素：岩溶顶板强度、岩溶顶板倾倒角度、岩溶顶板厚度。并且溶洞的空间位置、大小、高度、强度、质量及其嵌固深度等因素会对岩溶顶板承载力产生不同程度的影响。
⑷现有的研究多数聚焦于室内试验和数值模拟分析，对实际工程中的岩溶顶板的稳定性和桩基的承载性能缺乏实地观测和实测数据支撑，需要加强岩溶地区实地观测和实测数据的收集工作，以便更准确地评估岩溶顶板的稳定性和桩基的承载性能。加强岩溶地区桩基与岩溶顶板之间的关系研究，探讨岩溶顶板的稳定性如何影响桩基的承载性能和长期变形特性。还需要进行更多的室内试验和数值模拟分析，以深入研究岩溶顶板的形成机制和工程特性，对岩溶地区桩基的设计和施工技术进行改进和优化，提高岩溶地区桩基的承载性能和整体稳定性。
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