考虑嵌岩段侧摩阻力的溶洞顶板稳定性研究

为进一步完善岩溶区桩基荷载作用下的溶洞顶板稳定性评价方法,根据嵌岩桩荷载传递机理及溶洞顶板承载特点,建立了考虑嵌岩段侧摩阻力及溶洞顶板自重的简化计算模型。从抗冲切、抗剪切和抗弯拉3方面对溶洞顶板稳定性进行了分析。假定溶洞顶板发生冲切破坏时,会产生一个冲切圆锥台,取该圆锥台作为分析对象,并考虑冲切体自重的影响,对冲切破坏面上的最大、最小主应力进行了求解,同时引入格里菲斯准则,对溶洞顶板的抗冲切进行了验算。基于莫尔判据,对两种剪切破坏模式进行了验算:(1)桩端岩层发生剪切破坏,其破坏面由桩侧截面延伸至顶板底端;(2)溶洞顶板边缘岩层发生剪切破坏,其破坏面由岩层表面贯穿顶板边缘。根据弹性力学的变分法对溶洞顶板底面应力进行了求解。考虑到溶洞顶板底面中心处拉应力最大,则在抗弯拉验算中将该点作为验算点。将本研究所提方法用到某公路大桥的溶洞顶板稳定性验算中,并将验算结果与未考虑嵌岩段侧摩阻力的计算方法进行了对比。分析表明:嵌岩段岩层侧阻力占嵌岩桩设计荷载比值可达11.5%,这说明嵌岩段侧摩阻力占承载力比例较大,且随着嵌岩深度的增长,该比例将继续增大。因此,当嵌岩深度较长,岩石质量较好时,在实际工程中应适当考虑嵌岩段侧摩阻力的发挥。     

考虑溶洞空间形态的岩溶桩基稳定性分析方法

岩溶桩基的应用随岩溶地区交通工程建设的快速发展而越来越普遍，如何评价桩端岩溶顶板稳定性成为岩溶桩基设计的关键问题之一，针对目前桩端岩溶顶板稳定性分析平面假设的不完善性，考虑溶蚀作用形成的溶洞所具有的空间形态特征进行岩溶桩基稳定性分析。首先，将基桩作用下的岩溶顶板分别简化为固支梁、抛物线拱、圆拱与固支双向板等承载模型，采用结构力学与双向板分析理论建立不同模型的桩端岩溶顶板抗弯最小安全厚度计算方法；其次，通过计算结果对比分析，揭示岩溶顶板最小安全厚度随矢高的变化规律；在分析岩溶顶板冲切破坏与剪切破坏形式的基础上，探讨桩端岩溶顶板破坏模式的控制因素及其影响规律，进而获得桩端荷载、石灰岩抗拉强度、溶洞跨度与矢高等因素对桩端岩溶顶板承载特性的影响规律；然后，基于溶洞钻孔探测所得地质勘查信息构建岩溶桩基稳定性分析流程，提出考虑溶洞空间形态特征的岩溶桩基稳定性分析方法；最后，通过工程案例具体分析桩端岩溶顶板最小安全厚度及其破坏模式随矢高的变化规律。研究结果表明：桩端岩溶顶板破坏模式不仅与溶洞跨度、桩径有关，而且与溶洞形态及其矢高也密切相关，此外，石灰岩抗拉强度对岩溶顶板稳定性的影响同样较大，详细全面的工程勘察资料能使桩端岩溶顶板稳定性分析结果更接近实际情况。     

岩溶区桥梁桩基桩长确定方法研究

根据岩溶区桥梁基桩的工程特点,并考虑桩身转动时桩尖断面与基底岩接触面上产生的反力矩等对基桩的影响,提出了岩溶区桥梁基桩嵌岩深度的计算方法;在溶洞顶板抗冲切、抗剪验算中分别引入格里菲斯判据和莫尔判据,推导了岩溶区基桩下伏溶洞顶板稳定性计算新方法,并由此得出最小顶板安全厚度的确定方法.在此基础上,提出了如何根据地质钻探资料,确定岩溶区桥梁基桩桩长的计算流程,并应用于湖南省宁道高速公路,获得了较好的经济效益.     

基于Griffith强度准则的岩溶区桩基溶洞稳定性分析

为了给出桩端荷载作用于不同位置溶洞的稳定性评价方法,首先,依据岩溶区桩基承载特性,不考虑桩身侧摩阻力的影响,将上覆土层等效为相同重度的岩层,建立简化计算模型。其次,将桩端荷载等效为一集中力,基于Mindlin解求得桩端荷载作用下半无限空间内的地层应力。再次,利用复变函数的方法求得溶洞在重力作用下的地层应力,其主要思想是通过映射函数将溶洞所在平面映射到单位圆外域上,根据边界条件对地层应力进行求解。最后,将桩端荷载作用下产生的地层应力与溶洞在重力作用下产生的地层应力进行叠加,从而得到桩端荷载作用在含有溶洞地层中的应力表达式,并在此基础上求得最大、最小主应力,同时引入Griffith强度破坏准则,对溶洞稳定性进行评价。结果表明：通过计算可得溶洞边界上的应力最为集中,因此在实际工程应用中,可对溶洞边界上关键点进行验算来判断溶洞在桩基荷载作用下是否会发生破坏;理论计算结果与工程实际情况吻合良好,为岩溶区桩端荷载作用下溶洞稳定性评价提供了一种新的、更为接近工程实际情况的理论计算方法;值得注意的是,所提计算模型是基于平面应变假定,不能考虑桩和溶洞之间的空间效应,因此该方法也只能考虑单个溶洞的影响,这些问题在后续研究中值得深入探讨。     

岩溶区桩基极限承载力有限元上限分析

根据上限有限元的基本原理,依托Matlab平台编制了有限元上限分析程序,将修正的Hoek-Brown屈服准则嵌入有限元计算程序中;引入参数k来表征溶洞存在对桩基极限承载能力的削减程度,探讨了土体自重、嵌岩深度、溶洞半径、桩与溶洞水平和垂直距离对桩基上限承载力的影响。结果表明:参数k随着土体自重、嵌岩深度、溶洞半径的增加而逐渐降低,随着溶洞与桩端水平距离、溶洞与桩端竖直距离的增大而非线性增大;从溶洞各参数对极限破坏模式的影响展开讨论,极限破坏模式主要有:溶洞顶板的冲切破坏,溶洞侧壁发生破坏,溶洞顶板冲切和侧壁的联合破坏,岩体的整体剪切破坏。最后,通过与无溶洞条件下桩端极限承载力对比,验证了该文所提方法的正确性。     

基于模糊和突变理论的岩溶区桩端溶洞顶板稳定性分析方法研究

首先根据岩溶区桩端溶洞顶板系统的工程特点,引入突变理论和模糊理论,对岩溶区桩端溶洞顶板系统进行多层次目标分解,建立出符合其工程特点的岩溶区桩端溶洞顶板稳定性评判层次结构模型;其次,依据突变理论基本原理,对各评判指标进行突变类型确定和突变类型归一化公式的推导,在此基础上,根据归一化公式进行量化递归运算得到岩溶区桩端溶洞顶板稳定性评判的总突变隶属函数值的计算方法;然后,引入模糊隶属函数构造方法,利用初始模糊隶属函数和突变级数将突变理论和模糊分析结合起来,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;最后将本文方法应用于工程实例,分析结果验证了该方法的可行性与合理性。     

路堤下伏溶洞受力模式和变形破坏的数值模拟

为进一步揭示溶洞的受力模式和变形破坏过程,根据勘察结果建立考虑地层分布、溶洞形状、溶洞位置等因素的模型,模拟路堤分层填筑的过程,采用力法、强度折减法分析溶洞受力模式及其对破坏的影响。通过预埋钻孔多点位移计监测路堤填筑过程中溶洞及其上覆土层的变形破坏过程,并建立数值模型重现其破坏过程。根据应力状态和Hoek-Brown强度包络线,将破坏形式划分为张拉破坏、拉伸剪切破坏和压缩剪切破坏,并分析顶板倾角和洞穴形状对破坏形式、变形及稳定性的影响。基于抗弯理论,推导路堤容许填筑高度的解析解,并根据地应力和拱效应进行修正。结果表明：弯拉应力在拱效应和地应力的挤压作用下减弱,导致溶洞顶板进入剪切塑性状态,而非拉伸塑性状态;由于未能考虑拱效应和地应力的挤压作用,以往按照简支梁假设计算的弯拉应力结果偏大;矩形溶洞的顶板受力状态以拉剪为主,而椭圆形溶洞的顶板由于拱效应受力状态主要为压剪,实际形状溶洞的稳定性介于二者之间;顶板倾角（25°以内）对变形和稳定性影响不明显,但溶洞顶板的受力模式由压剪变为拉剪;为防止岩溶失稳,应控制路堤填筑高度,但现行规范中厚跨比大于0.8的规定过于保守,抗弯估算法优于厚跨比评价法,但仍偏保守,考虑地应力和拱效应的修正抗弯估算法最接近工程实际和数值计算结果。     

岩溶地区嵌岩桩安全性理论分析与应用

在岩溶地区进行嵌岩桩设计时,应选择具有一定安全厚度的基岩作持力层。基于溶洞顶板均质、各项同性等基本假定,根据桩端直径与桩底溶洞大小、类型,模拟外荷载作用下混凝土板受力变形破坏特征,并对溶洞基岩顶板进行简化分析,得到各种状况下的岩溶顶板安全厚度与桩端应力值、岩石单轴抗压强度、溶洞类型与大小等相关数学表达式。该式简单、直观,较全面反映了影响溶洞顶板安全厚度的各种因素,并得到实际工程验证。     

岩溶区嵌岩桩嵌岩深度优化设计

为优化岩溶区嵌岩桩嵌岩深度的设计计算,根据岩溶区嵌岩桩承载特性,考虑岩溶区嵌岩桩桩岩侧阻力对总承载力的影响,在溶洞顶板发生冲切破坏的基础上,推导出了最佳嵌岩深度计算公式,并给出了溶洞顶板抗剪切、抗弯拉的验算方法。最后用工程实例对理论计算结果进行了验证,理论计算结果与工程实际情况吻合较好,对工程实践有一定的参考价值。     

溶洞顶板极限承载力计算方法及试验研究

针对下伏溶洞顶板极限承载力问题,提出了一种计算下伏溶洞顶板极限承载力的方法。假定冲切体为一母线未知的旋转体,且破坏面与底面夹角为45°-φ/2,由极限分析法求出其母线表达式及溶洞顶板极限承载力计算公式。同时进行了下伏溶洞顶板及相应的基岩极限承载力室内模型试验,得到了1~5倍桩径的顶板厚度下溶洞顶板以及相应基岩的极限承载力,实测结果与本文理论吻合良好。研究表明:当溶洞顶板厚度为1~3倍桩径时发生冲切破坏,顶板厚度为4倍桩径时呈现冲切+撕裂复合破坏,顶板厚度为5倍桩径时,发生洞顶撕裂+桩端塑性复合破坏;同一跨径比条件下,溶洞顶板厚度为1~4倍桩径时,溶洞顶板的极限承载力随其厚度的增加呈线性增长,达到5倍桩径时溶洞顶板承载力与基岩基本一致。     

桥基岩溶洞穴顶板稳定性综合评价

以青溪大桥桥基岩溶洞穴围岩工程地质条件定性分析为基础,在岩土自重和桩基的外附荷载作用下,利用定性分析、结构力学的半定量分析方法和三维有限元定量计算手段,对桥墩所在位置的溶洞顶板稳定性进行了综合评价。通过对不同厚度下溶洞顶板的应力和位移的力学响应分析,认为在确保单桩桩端标高选在强岩溶发育带以下的稳定岩层上,且顶板厚度大于8.0m,才能满足溶洞顶板的稳定性要求。考虑到青溪大桥4#桥墩所在承台基坑开挖的爆破震动影响,设计溶洞顶板安全厚度取值为8.5m,并采用钻孔多点位移计对施工荷载施加过程中溶洞及顶板岩体的变形进行了现场监测,结果表明,突破常规设计要求的8.0m溶洞顶板厚度施工是安全稳定的,大大节约了溶洞处理费用,并为类似的岩溶洞穴稳定性施工提供了有力的技术支持。     

铁路岩溶地区多变量作用下的桩基承载特性分析

依托汉巴南铁路某桥梁桩基础工程,采用FLAC3D软件建立岩土-溶洞-桩基础三位一体的计算模型,分析岩溶地区桩基础在溶洞跨度、顶板厚度及溶洞形态多变量共同作用下的承载特性。结果表明：厚跨比不变时,顶板厚度的变化对桩基承载力的影响更为显著;长方体和圆柱体溶洞形态条件下的岩溶桩基安全厚跨比临界值选为1,而椭球体形态条件下的岩溶桩基安全厚跨比临界值选为2/3。通过顶板厚度对桩端承力影响曲线、顶板厚度对桩侧摩阻力影响曲线进行拟合,得到修正后的影响因子,进而对桩基经验公式进行修正,由修正后的经验公式所计算出的桩基极限承载力更贴合岩溶地区的实际情况。     

基于岩溶顶板冲切破坏的桥梁桩基承载力分析

张家界至花垣高速公路是位于我国西部山区。工程建设中,遇到大量的岩溶问题,结合张花高速岩溶区桥梁桩基承载力问题,考虑桩端下伏岩溶顶板冲切破坏模式,对岩溶顶板对桥梁桩基的承载性能的影响进行了分析,提出了桩端下伏岩溶顶板厚度与桩体承载力的关系,并结合十标段大岩屋1号桥3#墩处桩基资料,给出了评估结果,并在算例基础上进行了参数分析,结果表明增大桩径可使桩体承载力提高,但并不明显,顶板岩体强度与人为设定的安全系数K对桩基承载力影响较大。     

考虑溶洞空间形态的路基岩溶顶板稳定性分析方法

岩溶路基随岩溶地区交通工程建设的快速发展而越来越普遍，如何评价岩溶路基稳定性成为岩溶区路基设计与施工的关键问题之一。针对目前路基岩溶顶板稳定性分析的不完善性，考虑溶洞形成过程中岩溶顶板所具有的空间形态特征，首先，将路基下伏岩溶顶板简化为固支梁、抛物线拱、圆拱与固支双向板等承载模型，以此进行路基岩溶顶板稳定性分析，并采用结构力学分析理论分别建立不同模型的路基岩溶顶板抗弯最小安全厚度计算方法；其次，通过典型案例的影响因素敏感性分析，揭示岩溶顶板最小安全厚度随溶洞顶板矢高、跨度、岩石抗拉强度与上覆荷载的变化规律，探讨路基岩溶顶板破坏模式的控制性因素及其影响规律，确定岩溶路基稳定性分析的基本原则；然后，基于岩溶地区地质勘察信息提出路基岩溶顶板稳定性分析过程，建立考虑溶洞空间形态特征的路基岩溶顶板稳定性分析方法；最后，通过工程实例计算分析验证所提方法确定的路基岩溶顶板稳定性评价结果的合理性与有效性。研究结果表明：岩溶顶板按何种模式破坏不仅与破坏形式有关，还与溶洞形态及其矢高密切相关，石灰岩抗拉强度同样影响较大，工程设计与稳定性评价时应基于勘测数据分析各种破坏模式，以便使设计或评价结果更接近实际情况。     

山区高速公路隧道穿越特大型溶洞施工技术

为解决隧道穿越特大溶洞施工中存在的技术难点,保证隧道工程的实体质量,以白须公隧道为研究对象,通过对溶洞岩体地质状况实施勘测,对岩体的岩层走向和节理分布情况实地调查,根据溶洞的实际状况和收集的数据确定溶洞的处理方案。提出溶洞底部采用桩基处理,在基础上构建承台及支撑墙,溶洞底与隧道结合处采用横向联系梁连接,对溶洞靠隧道一侧的侧壁及顶部围岩采用清理和喷锚加固等处理措施,有效解决了隧道穿越特大溶洞技术难题。     

高速公路隧道超大型溶洞处治技术研究

以湖北宜都至来凤高速公路太平隧道施工中遇到的超大型溶洞为例，根据溶洞形态和工程地质条件，通过多种方法对溶洞稳定性进行分析。结果表明:溶洞现状整体基本稳定；综合考虑溶洞稳定性评价结果、施工的安全性等，对太平隧道超大型溶洞处理技术进行研究，提出了保留顶板，洞内分别采用暗挖、明洞、立柱和梁板以及揭开顶板共4个方案，从技术支撑点、优缺点等方面进行方案比选，最终确定采用保留溶洞顶板，洞内采用明洞方案。