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。     

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。     

基于扁拱突变理论的路基下伏溶洞顶板稳定性分析

根据路基下伏溶洞受荷体系的力学特性,将结构体系简化为两端固定铰支的扁拱模型;基于突变理论推导得到扁拱的能量势函数和分叉集方程,从而建立了路基下伏溶洞顶板突变模型平衡曲面;根据溶洞顶板突变失稳的条件,提出了确定路基下伏溶洞顶板的极限承载力及最小安全厚度的方法;并对溶洞顶板厚度h、溶洞顶板跨径l、溶洞顶板失高f、岩层的弹性模量E、溶洞顶板上覆荷载q五个影响因素进行参数分析,可得如下结论:溶洞顶板的极限承载力随着溶洞顶板厚度的增加,溶洞顶板失高的增加、岩层弹性模量的增加而增加,随着溶洞顶板跨径、溶洞顶板上覆荷载的增加而减小.     

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。     

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。     

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。     

微型钢管桩芯-旋喷桩复合桩基的计算分析与数值模拟研究

在φ600旋喷桩上部中心位置压入一定长度的Φ108微型钢管,形成微型钢管桩芯-旋喷桩复合桩基（简称复合桩）。对复合桩静载荷试验的荷载-沉降曲线进行了区段分析,确定了其极限承载力实测值为1080 kN。对该复合桩基4种破坏模式下的抗压极限承载力进行计算分析对比后发现,复合桩芯底位置处发生水泥土压碎破坏的可能性最大,抗压极限承载力最小,为1125 kN。通过数值模拟对复合桩的极限承载力,桩侧摩阻力分布,破坏模式下的塑性变形,荷载分担比等进行了分析。     

岩溶区公路路基稳定性及处治效果三维数值分析

为分析益娄高速公路岩溶区建设路段路基稳定性,利用有限差分软件FLAC3D建立了实际地质条件的三维数值计算模型,分别分析了溶洞处治前的路基稳定性及溶洞注浆填充后的加固效果,研究结果表明:当溶洞未处治时,数值分析与理论计算结果较为一致,溶洞顶板无法满足路基承载力要求;顶板产生剪切破坏,使得路基产生张拉破坏,进而引起路基表面发生明显的不均匀沉降趋势。对溶洞进行注浆填充处治后,溶洞顶板稳定,路基表面的不均匀沉降曲面由原来的"漏斗形"变为"半柱形",最大沉降量减少了28.2%,差异沉降满足路基的变形要求,保障了路堤及溶洞的稳定性。     

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。     

再论文克勒地基板极限承载力的弹塑性解

为了完善文克勒地基板极限承载力的理论基础,针对圆形荷载作用下的文克勒地基上无限大板达到其极限承载力状态时的破坏性状,即板顶出现环状裂缝,以板切向弯曲曲率是否达到其弹性极限弯曲曲率为准则将板划分为2个区域,环内屈服区釆用刚塑性假设,环外弹性区采用线弹性假设,联立方程求解,推演得到了文克勒地基板上作用圆形均布或刚性承载板荷载的极限承载力问题的解析解。分析了材料泊松比、残余弯矩比、荷载圆半径、荷载类型等因素对地基板的极限承载力、屈服区和环裂区范围的影响,并将分析结果与刚塑性解、其他弹塑性解进行对比。最后,归纳给出了2种荷载形式下的地基板极限承载力近似计算式。研究结果表明：板材料的泊松比对屈服区半径、环状裂缝半径及极限承载力影响不大;当荷载圆半径较小时,环状裂缝发生在屈服区,当荷载圆半径较大时,环状裂缝出现在弹性区;板残余弯矩比对环裂半径的影响随荷载圆半径的变化而变化;随着板残余弯矩比的减小,屈服区边界内缩,板极限承载力减小;在荷载圆半径相同时,刚性承载板荷载的环裂半径比圆形均布荷载的环裂半径略大,相应的极限承载力也稍大,最大偏差约为30%;在常见荷载圆半径范围内,刚塑性解的极限承载力比所提方法弹塑性解要大,偏差随荷载圆半径的增大而减小。     

加筋土中土工格栅布置方式优化分析

利用数值模拟研究软粘土地基加筋土土工格栅最优布置方式,着重研究首层格栅埋置深度、格栅间距、格栅层数以及格栅长度对加筋土极限承载力的影响。通过逐渐增大基础表面荷载获得荷载-位移曲线,根据曲线拐点确定地基极限承载力。研究结果表明:地基承载力随首层格栅埋置深度增加呈现先增大后减小的趋势,当首层格栅埋置深度为0.2B时,地基承载力达到峰值;格栅间距小于0.25B时,地基承载力随格栅间距增大而增大,当其大于0.25B时,地基承载力随格栅间距增大而迅速减小;地基承载力随格栅层数增加均有所提高,但当其大于4层时,地基承载力增大速率明显降低;格栅长度小于2.0B时,地基承载力随其增大而显著增大,格栅长度大于2.0B时,格栅长度增加引起的地基承载力增大较小。     

岩溶区桥梁基桩极限承载力的突变求解方法

分析了岩溶区桥梁基桩极限承载力组成特性及桩端破坏模式,将其极限承载力分为桩侧土体极限侧阻力、嵌岩段极限侧阻力及端阻力3部分.其中,桩侧土体极限侧阻力由各土层极限摩阻力求和可得,嵌岩段极限承载力则引入Hoek -Brown岩石强度准则,采用岩体质量评价指标进行描述.而后,针对岩溶区基桩工程的特点,结合突变理论的基本概念,建立了岩溶区基桩的力学简化模型及其势能函数的表达形式,并导出岩溶区桥梁基桩桩端极限阻力的尖点突变模型的分叉集方程.在此基础上,根据下伏溶洞顶板失稳破坏条件,求解分叉集方程导得岩溶区桥梁基桩桩端极限荷载的表达式,由此提出了岩溶区桥梁基桩极限承载力的确定方法.工程实例对比分析表明该方法的可行性.     

桩基荷载下溶洞顶板承载特性物理模拟研究

应用相似原理将溶洞顶板简化,通过对现场灰岩岩样的室内试验,并结合相似原理,选取能较好模拟灰岩力学特征的模拟材料.在自制桩基物理模拟试验平台上,对模拟项板试件进行极限承载力破坏试验,得到试件的应力应变曲线,并得出相应实际灰岩溶洞顶板的承载能力,为工程设计和施工提供依据.     

大跨钢桁拱钢-混组合桥面板极限承载力试验

为评估钢一混组合桥面板结构在公路荷栽作用下的极限承载力,对其进行极限承载力性能试验研究。根据圣维南原理,选取正负双向弯矩受力的立柱区部分桥面板作为实桥的有限元分析模型,并试验制作了2个等尺模型试件A和B,用于考察钢一混组合桥面板正负双向弯矩区的极限承载力性能。试验结果表明：模型A混凝土板被拉坏,工．字钢上下翼缘板、腹板以及纵向钢筋始终未屈服,PBL、钢底板以及横向钢筋均在破坏之前屈服,模型A的破坏荷载为1750kN;模型B混凝土板被压坏,PBL在破坏之前屈服,模型B的破坏荷载为2200kN。研究结果可为钢一混组合桥面板极限承栽能力设计计算提供参考。     

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。     

岩溶陡坡地区公路桥梁桩基极限承载力研究

岩溶和陡坡是影响桩基础极限承载力的关键因素。为研究在不良地质条件下桩基础极限承载力影响因素和防治措施,利用有限元软件建立了桩基础模型并依据相关规范验证了其有效性,针对5种不同坡度和4种岩溶顶板厚度进行了正交模拟试验,分析了不同工况下桩基承载力的变化和桩体承载形式。结果表明：溶洞会造成更大的沉降,地基沉降与岩溶顶板厚度呈反比,3倍桩径为岩溶地质对桩基的最大影响范围。大于45°的陡坡会造成更大的地基沉降进而减少桩基的极限承载力,应极力避免坡度45°以上的陡坡在实际工程中的使用。当无法避免时,应重点考虑其对桩基承载力的影响。溶洞和陡坡降低桩体极限承载力的方式主要表现为降低桩体侧摩效应,桩体承载形式由摩擦桩转变成端承桩。     

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。     

大断面矩形盾构隧道管片接头极限抗弯承载力试验

为了研究大断面矩形盾构隧道管片接头结构的力学性能及其极限承载能力和极限破坏状态,进行了该管片接头的极限抗弯承载力试验。试验在同济大学自主研发的盾构隧道管片接头试验加载系统中进行,采用Datataker数据采集系统记录了接头试件在荷载作用下的力学性能变化过程,同时采集并记录了该接头的破坏过程和最终破坏形态。通过分析管片接缝张角、接头处挠度以及双排螺栓应力随接头处弯矩荷载的变化,对该管片接头结构力学性能变化及破坏全过程进行研究,并将其分为3个阶段:弹性变化阶段(弯矩小于450kN·m)、塑性发展阶段(弯矩为450~800kN·m)、屈服破坏阶段(弯矩大于800kN·m)。试验结果表明:正弯矩荷载下该断面形式的大断面矩形盾构隧道管片接头屈服弯矩为800kN·m,极限抗弯承载力为884kN·m,均远大于该管片接头设计荷载(534kN·m),意味着试验的大断面矩形盾构隧道管片接头可满足抗弯设计的要求,并为类似工程提供参考。管片接头试件的最终破坏形态表明,除了传统圆形盾构隧道管片接头试验中常见的接缝混凝土受压屈服破坏、接头螺栓受拉屈服破坏以外,所研究的大断面矩形盾构隧道纵缝接头出现了新的破坏形态,即接头盒断裂和锚固失效。