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。     

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。     

基于离散单元法的下伏溶洞上方桩基承载力研究

为研究下伏溶洞对其上方桩基承载力的影响，以广州市白云机场北某道路工程为依托，采用PFC^2D颗粒流软件，建立灰岩地层下桩基+溶洞离散元模型，研究下伏溶洞的径长、顶板厚度、溶洞形态与溶洞偏桩位移对其上方桩基承载力的影响。结果表明：1)在桩基下伏单溶洞的情况下，增加溶洞径长、洞高或洞宽均会降低桩基极限承载力；2)相较洞高，洞宽对桩基承载力的影响更加显著；3)增大溶洞顶板厚度会提高桩基极限承载力；4)当偏桩位移超过6倍桩径时，基本可忽略其对桩基承载力的影响。该研究结果可供类似工程设计参考。     

非对称荷载下溶洞顶板极限承载力计算

针对非对称荷载下溶洞顶板极限承载力问题,引入抛物线形式的Hoek-Brown强度准则,并假定非对称荷载下溶洞顶板的冲切破坏体为轴对称旋转体。采用极限分析上限法建立了冲切破坏体的功能方程,利用变分原理和偏导求得了非对称荷载下溶洞顶板冲切破坏模式的极限承载力计算表达式。最后通过室内试验验证了理论方法的合理性,并分析了厚径比h/D、荷载位置偏移量e及岩体地质力学分类指标GSI对溶洞顶板极限承载力的影响。结果表明:(1)当e一定时,随着厚径比h/D的增加,顶板极限承载力大致呈线性增长,增大到一定值时,溶洞对顶板承载力无影响,顶板极限承载力趋向于完整基岩承载力;(2)当h一定时,随着荷载位置偏移量e的增大,溶洞顶板极限承载力呈非线性增长,增大到一定值时,溶洞对顶板承载力无影响,顶板极限承载力接近完整基岩承载力;(3)当h一定时,随着GSI的增大,顶板极限承载力增长的幅度逐渐变大。其中对于h为2D的溶洞顶板,且当GSI为44,e为0,0.25l,0.5l时,顶板的极限承载力分别为1.8,2.2,3.6 kN;当GSI为100时,相应的极限承载力分别为24,29,43 kN,近似为前者的12倍。因此GSI的选取对承载力的确定有重要意义,可为实际工程设计提供参考。     

岩溶地区桩基承载特性影响因素研究

为分析各因素对岩溶地区桩基承载特性影响,以指导桩基设计和施工。以龙怀高速公路岩溶区桥梁桩基工程为依托,通过ANSYS软件建立模型进行桩基荷载-位移特性分析。结果表明:岩溶对桩基承力性能有不利影响,且桩基作用于溶洞顶板较桩基内穿溶洞时影响更大;桩基内穿溶洞时,其极限承载力随溶洞高度和跨度的增加呈线性降低,且溶洞高度的影响更大;桩身弹性模量增加时桩基极限承载力提高,但弹性模量超过30GPa后提高速率减缓。     

基于突变理论对路基下埋溶洞顶板稳定性分析

考虑溶洞恰好位于路基正下方,将路基底部溶洞顶板简化为周边固支的大变形椭圆板模型.在此基础上,应用突变理论建立了溶洞项板失稳的尖点突变模型,并由该模型的分又集方程求得溶洞顶板岩层失稳的力学充要条件及溶洞顶板的安全厚度理论表达式.最后通过工程实例进行了验证,与实际情况较为吻合.     

基于德鲁克-普拉格屈服准则的岩溶顶板安全厚度计算方法

通过引入德鲁克-普拉格屈服准则,研究路基下溶洞顶板安全厚度的计算方法,考虑了溶洞顶板受到路基荷载可能发生的冲切破坏等3种形式,提出了一种顶板安全厚度计算模型,并结合结构力学理论,得到了各种破坏模式下溶洞顶板安全厚度的计算表达式;最后结合工程实例进行验算,结果表明该方法可用于实际工程。     

下伏岩溶与桩基耦合作用研究

为探求下伏岩溶与上方桩基之间的耦合作用,对岩溶顶板与桩基作用体系进行抽象概化,建立8种力学模型,基于弹性力学薄板理论及材料力学梁理论进行理论力学分析,并结合工程实践对比分析各力学模型下岩溶顶板安全厚度及桩基极限承载力。计算结果表明：不同力学计算模型适用于不同实际工程;同一条件下各力学模型计算结果差别较大。因此,合理选择适合于实际工程的溶洞顶板及桩基作用体系力学模型至关重要。     

隐伏岩溶洞群对公路隧道顶板承载力影响的研究

针对西南地区岩溶隧道的实际工程,开展了隐伏岩溶群对公路隧道顶板承载力影响的三维数值敏感性分析研究。经对岩溶顶板稳定性影响因素分析,选择溶洞顶板厚度、顶板岩体的工程地质特性(定量指标为岩体的力学参数)、溶洞的宽度、溶洞高度、上覆土层厚度为影响溶洞顶板稳定性的五个主要影响因素作为影响因子,进行正交敏感性数值试验。根据影响因素敏感度的正交三维有限元法分析结果得出,影响顶板承载力和顶板中心下沉位移大小顺序依次为:岩体力学参数、顶板岩层厚度、覆盖土层厚度、溶洞宽度、溶洞高度。     

花鱼洞拱座下覆溶洞变形的模拟分析

溶洞顶板稳定性是岩溶区一个重要的工程地质问题。文中以贵州岩溶区花鱼洞大桥桩基下隐伏溶洞为工程背景,综合研究了溶洞顶板的稳定性。针对实体工程,运用定性、半定量和数值模拟方法进行综合评价,确定桩基下伏溶洞顶板安全厚度大于6.4m。花鱼洞大桥贵阳岸下覆溶洞全部贯通,通过分析贵阳岸典型断面的位移矢量分布,得出最大位移达到60mm,位于中轴线拱座处,与现场开裂情况基本吻合,建议对贵阳岸拱座和4号桥墩下的岩溶进行回填加固。     

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。     

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ANSYS的岩溶地区桥梁桩底持力层厚度分析

在岩溶发育地区桥梁设计和施工过程中,经常遇到端承桩桩端持力层厚度不足的问题。目前交通部有关规范以及各个地方标准中,有对桩端持力层厚度进行相应要求,但并无统一标准,同时也没有给出吃力层厚度计算的有效方法。本文通过实际的工程案例,对桩端持力层厚度与溶洞跨度以及桩基入岩深度之间的关系进行分析,为以后类似工程有关桩底持力层厚度的判定提供一些思路和借鉴。     

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。     

桩侧溶洞对桥梁桩基沉降和桩端受力影响分析

以处于灰岩地区的某桥梁工程为依托,建立桩基-溶洞三维仿真模型,分析不同荷载下桩侧溶洞关键尺寸大小对岩溶区桥梁桩基桩顶位移和桩端反力的影响。结果表明：桩侧溶洞高度的增加会导致桩顶位移增大,但对桩端反力影响较小;桩侧溶洞跨度的增大对桩顶位移和桩端反力影响不大;桩侧溶洞跨度相同时,桩顶荷载及高跨比的增大会引起桩基沉降量和桩端反力值增加;桩侧溶洞高度及高跨比较大时,建议增大桩基嵌岩深度,以确保相邻桩基差异沉降量满足要求,桩侧溶洞高度为4～6 m时,可考虑采用强度较低的桩端持力层。     

岩溶路基稳定性分析与处治措施

以大广高速南康至龙南段扩容工程C8标段岩溶路基工程为依托,采用理论及数值模拟方法对岩溶路基稳定性进行分析,研究溶洞路基稳定性和处理后的效果.研究表明:岩溶路基下溶洞的最小顶板厚度为1.26 rn,其溶洞无需处理.从处理效果及工程造价等方面综合考虑,对溶洞采用钢筋混凝土盖板进行处理,效果较好,路基产生的附加应力都集中在混...     

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。     

龙塘坪隧道超大型溶洞处理技术

龙塘坪隧道施工开挖揭示为一超大型溶洞,水平投影面积近3 000 m2,将该溶洞分为Y1和Y2两部分,其中Y1溶洞顶板节理密集带发育,岩体较破碎,厚度与洞跨比值小,稳定性差,给施工及运营造成很大的安全隐患。在对该溶洞形态及工程地质条件详细分析的基础上,制定了相应处理方案的原则以及溶洞处理的措施、工序和关键技术。实施后,效果良好。     

顶部溶洞水压对隧道突涌水灾害影响的数值分析

岩溶地区地质条件复杂,在隧道修建中存在溶洞突涌水安全隐患,而顶部溶洞带来的灾害性更加明显,溶洞水压是其重要影响因素。针对隧道顶部溶洞,建立数值模型,将溶洞水压作为工况因素,分析围岩中的孔隙水压力变化规律,揭示隧道开挖过程中突涌水通道的分布情况。基于数值模型中单元孔隙水压力突变最大值判断方法,溶洞与掌子面围岩达到塑性状态后,监测两者之间的单元孔隙水压力随开挖步变化速率,找出每一行单元中的最大值,从而确定不同溶洞水压下的突水通道及安全厚度。研究表明,随着顶部溶洞水压增大,突水通道距离溶洞底部由近及远,而安全厚度也随之增大。