桩基下岩溶顶板稳定性有限元阶段分析

为了研究桩基下伏溶洞顶板的稳定性以及破坏模式,利用有限元软件DIANA进行阶段分析,模拟地基土体在溶洞不断扩大过程中渐进塑性变形及位移场特性,并以无溶洞时地基极限承载力为标准设置5个不同桩端载荷等级,对比分析荷载等级和溶洞发育对于围岩稳定性的耦合影响,并总结出溶洞发育过程中顶板的破坏模式和机理。得出如下结论:溶洞发育和桩端荷载等级均存在临界安全值。在荷载等级较小时,溶洞对地基起主要影响作用,溶洞不断发育使塑性应变沿桩基下方斜向下不断扩展。当荷载等级较大时,相同发育阶段溶洞顶板塑性应变显著增大,即使溶洞发育处于安全阶段,也可能使临界安全阶段提前,发生破坏。数值模拟较好地反应实际中溶洞随时间不断扩大演化过程中围岩的受力特点,对于岩溶顶板稳定性研究具有重要参考价值。     

广东岩溶区某输电塔桩基稳定性数值模拟分析

采用数值模拟手段研究了广东某岩溶区输电塔桩基与下伏溶洞协同变形的规律。通过不同位置应力、位移、塑性区变化监测,发现覆盖层部分应力分布较均匀,受溶洞影响较小,但溶洞围岩应力变化较大,溶洞顶板出现较大的向下弯曲变形,桩底下移明显,特别是当桩基荷载较大且下伏覆溶洞埋深较浅时,溶洞顶板将可能失稳,进而引起桩基破坏。不同嵌岩深度桩基变形特征表明,桩基嵌岩深度与溶洞变形具有正相关关系。     

岩溶地区隐伏溶洞顶板稳定性及变形分析

溶洞顶板以及溶洞本身的变形是评价含隐伏溶洞岩溶地基稳定性最为直观的技术指标,在岩土自重和桩基的外附荷载作用下,确定桥基隐伏溶洞顶板安全厚度为8.0 m能够满足稳定性要求,突破了设计规范中对溶洞厚跨比必须大于0.8的要求。利用有限元计算,预测了桥基下溶洞及顶板的变形规律,采用钻孔多点位移计实现了在施工荷载施加过程中对溶洞及顶板岩体的变形的实时监测,有效验证了数值计算结果的合理性。监测结果表明：溶洞顶板不同岩层及溶洞本身的变形在荷载施加初期发展较快,相同施工荷载作用下洞体本身的应变最大,而顶板表层的应变又高于洞体上部岩层应变。     

桩端荷载与地震耦合作用下溶洞顶板的破坏特征及安全厚度计算

桩基支撑于溶洞顶板的情况时有发生,研究地震作用下桩端溶洞顶板的稳定性具有重要意义。根据相似定理和分离相似设计方法,基于振动台模型试验对顶板厚度及溶洞直径变化下桩端顶板的动力响应特征进行了研究。结果表明,桩端溶洞顶板在地震作用下的破坏模式与顶板厚度及溶洞尺寸大小密切相关,一定顶板厚度情况下溶洞尺寸较小时(洞径l≤2d,d为桩径)表现为剪切破坏,而洞径较大时(如l≥4d)为显著的冲剪破坏,洞径越大,冲切块体积所占比例越大;基于振动台试验得到的岩溶顶板破坏模式,结合拟静力法构建了可考虑岩体特性、地震烈度及桩径大小影响的最小顶板安全厚度理论计算模型。通过算例分析表明,最小安全厚度相比静力条件下要大,且随地震烈度的增强而增大,相同条件下冲-剪破坏的计算值均大于剪切破坏情况,说明地震环境下溶洞尺寸越大,所需顶板厚度越大。其成果可为实际工程中岩溶顶板安全厚度的计算提供理论基础。     

桩前溶洞对抗滑桩嵌固端稳定性影响物理模型试验研究

随着抗滑桩在工程中的大量运用,岩溶区抗滑桩嵌固端稳定性问题日益突出。当抗滑桩桩前存在溶洞时,溶洞在水平荷载下可能会发生变形,导致抗滑桩嵌固端失去稳定性。本文基于相似模型理论,建立了抗滑桩嵌岩段桩前存在两种不同形状溶洞（长轴方向水平和长轴方向竖直）试验模型。利用水平加载试验,针对椭圆形桩前溶洞对抗滑桩嵌固端的稳定性影响进行了研究,获得以下相关结论:溶洞长轴方向为竖直的试验模型嵌岩体变形分为弹性变形、裂纹稳定扩展及加速扩展三个阶段,加载到破坏荷载时溶洞顶板产生隆起破坏,最终形成的顶板处破坏断面与水平方向成45°左右;桩前溶洞长轴方向为水平的试验模型在达到溶洞长轴方向为竖直的模型破坏荷载增大一级荷载时,嵌固端保持整体稳定;相比于横长轴溶洞,纵长轴溶洞的存在更显著的降低了抗滑桩嵌固端的承载力,且溶洞顶板厚度越小,对抗滑桩嵌固端承载力影响越大,破坏形式为溶洞顶板受压破坏;基于极限平衡法,提出了桩前存在溶洞时嵌固端承载力验算方法,并对验算方法进行了验证。      

节理裂隙发育岩溶地基数值模拟稳定性分析

岩溶一直是困扰工程建设的大问题,对工程地基稳定性有着重大影响。为了有效获取节理裂隙发育溶洞地基稳定性相关参数,本文以西南某机场节理裂隙发育溶洞地基为研究对象,结合现场勘查,定性分析岩溶影响因素及发育规律,通过ABAQUS非线性有限元数值模拟计算和定量分析,探讨外荷载下节理裂隙对岩溶地基的影响,评价岩溶地基稳定性状况。分析结果表明:溶洞塑性破坏主要发生在溶洞两侧和节理裂隙处拉应力较大的部位,溶洞顶板厚度大于5 m时是稳定的。数值模拟结论和定性分析结果具有很好的一致性,为后续溶洞地基处理设计提供有力数据支撑。      

岩溶区桩基冲切破坏模式及安全厚度研究

针对岩溶区桩基冲切破坏模式研究的不足,结合混凝土平板受力特性,运用极限分析原理确立了符合工程实际的岩溶区桩端溶洞顶板冲切破坏机制。引进格里菲斯非线性岩石强度准则,基于功能原理导出了桩端岩层抗冲切破坏的极限荷载,然后通过变分原理求得了冲切破坏体的母线方程,最后通过微分获得了岩层抗冲切安全厚度计算公式。参数分析表明：冲切破坏模式主要取决岩石抗压与抗拉强度之比 , 值越小,冲切破坏体底部直径 越小;反之,冲切破坏体底部直径 越大。一般情况下, 的值在2.0～4.0之间。岩石抗压与抗拉强度的比 也是抗冲切安全厚度确定的主要影响因素,随 值的提高,安全厚度应适当增大。对于石灰岩地区,安全厚度一般取2～3倍桩径较为合理。工程算例对比分析表明,理论计算与实测结果吻合较好,其结果对岩溶区桩基设计有一定参考价值。     

基于冲切破坏模式的嵌岩桩桩端溶洞顶板临界厚度确定方法研究

桩端下伏溶洞顶板厚度是影响嵌岩桩竖向承载力的一个重要影响因素,在工程实践中,我国相关规范要求桩端平面以下的顶板厚度不小于3倍桩径。根据规范确定溶洞顶板厚度具有一定的经验性和笼统性,没有考虑溶洞顶板岩体质量,亦忽略了溶洞自身尺寸的影响。基于桩端岩体的冲切破坏模式,并结合广义Hoek-Brown准则和极限定理上限法建立了溶洞顶板临界厚径比(h/d,即顶板厚度h/基桩直径d)的计算方法,给出了不同岩体基本质量级别的临界厚径比建议值。结果表明:极限端阻力、岩石坚硬程度和岩体质量均对临界厚径比产生影响,极限端阻力越小、岩体质量越好、岩石越坚硬,则溶洞顶板的临界厚径比越小;以《工程岩体分级标准》(GB/T50218-2014)中岩体基本质量分级为参考依据,Ⅰ~Ⅳ级岩体的临界厚径比建议值分别是Ⅰ级岩体h/d≤2.41、Ⅱ级岩体2.41≤h/d≤2.96、Ⅲ级岩体2.96≤h/d≤3.73、Ⅳ级岩体3.73≤h/d≤4.91。     

不同厚度溶洞顶板与基桩作用机理室内模型试验研究

根据相似理论,设计了3组不同厚度条件下溶洞顶板破坏模式的大比例模型试验,得到了顶板和基桩的荷载-位移曲线、顶板底部的极限应变曲线和不同厚度条件下溶洞顶板的破坏特性。试验结果表明:当溶洞顶板厚度为1d,2d时,发生冲切破坏,冲切体为圆台;当溶洞顶板厚度为3d时,顶板则以弯拉破坏为主,无冲切体产生。在荷载-位移曲线中,线性阶段转变为非线性阶段的临界点约为极限承载力的一半。最后通过理论计算的方法,获得溶洞顶板最小安全厚度计算公式,分析结果与试验结果吻合较好,能满足工程计算精度要求。本文试验成果是基于工程最不利情况得出的,可供岩溶区基桩初步设计参考。     

串珠状溶洞地层中桩基荷载传递特征的数值计算

桩基下穿串珠状溶洞时的承载性状极其复杂,分析桩基荷载传递与溶洞稳定性的耦合响应特征具有重要意义。建立地质模型上述问题进行数值计算,主要得到以下结论:受桩侧荷载传递作用,顶板厚度与溶洞跨度之比小于某一数值时岩层将产生冲切破坏,比例相对较大时剪应力将集中分布并发生冲剪破坏;溶洞的存在使桩侧阻力分布存在多个极值点,其数量与上覆岩层厚度、溶洞数量及底板岩层厚度等相关;溶洞顶板临空面处侧阻力存在迅速衰减段,其范围受卸荷岩层厚度及岩层竖向位移影响较大,当外荷载增大到一定数值以后该区域侧阻力变化较小;中夹岩层处侧阻力极大值位于岩层中部,且随层厚的增大而减小,厚度较小时侧阻力呈等腰三角形对称分布,厚度较大时呈阶梯型分布,厚度越大阶梯跨度越大,分布越均匀;中夹岩层侧阻力分布受桩长变化影响较小,但下部底板侧阻力分布受桩长及外荷载影响较大;中夹岩层的荷载-位移曲线（Q-S'）呈抛物线型变化,存在明显的屈服拐点,层厚越大竖向位移越小,相同外荷载作用下桩越长其位移越大;桩径越大,Q-S'曲线拐点对应外荷载越大,对应中夹岩层位移越大,但桩径超过某一值后影响程度逐渐变小。     

武汉地区岩溶对桩基承载力影响数值模拟研究

武汉地区覆盖型岩溶发育较为广泛,给桩基础的应用带来不利影响。文章采用ANSYS有限元软件进行了正交数值模拟试验。通过逐一改变溶洞高度、顶板厚度、顶板跨度和岩体强度四个影响因素,研究各因素对桩基承载力的影响。结果显示:桩基承载力对下伏溶洞的洞高不敏感;极限承载力对顶板厚度较敏感,其他因素不变时,极限承载力随顶板厚度增加而增加;极限承载力对洞跨较为敏感,其他因素不变时,极限承载力随洞跨增加而减小;极限承载力对顶板岩体的力学参数较为敏感,其他因素不变时,极限承载力随弹性模量提高而增大。实际工程中,对于坚硬完整的或较完整的岩体,顶板厚度至少为二倍桩径,桩端宜进入中风化岩体。     

基于区间非概率可靠性方法的岩溶区桩基下溶洞顶板稳定性评价

岩溶区桩基下溶洞顶板稳定性影响因素取值的不确定性及其样本数量的有限性,给桩基下溶洞顶板稳定性的评价带来了一定困难。根据现有研究成果,建立桩基下溶洞顶板抗冲切、抗剪切和抗弯力学简化模型,并从理论上推导相应的稳定性验算公式。在此基础上,结合区间分析理论和结构非概率可靠性度量方法,提出了基于区间非概率可靠性方法的桩基下溶洞顶板稳定性评价方法。该方法采用MATLAB中的INTLAB工具箱进行区间运算,并运用截断法消除运算过程中的区间扩展现象,最后通过比较溶洞顶板体系的非概率可靠性指标η与1的大小来判断桩基下溶洞顶板稳定性。以丹霞高速互通中D匝道2#桩基下溶洞为例,计算出该桩基下溶洞顶板体系的非概率可靠性指标η=7.95,该值大于1说明该桩基下溶洞顶板处于稳定状态,且评价结果与工程实际相符,表明了该方法的合理性与可行性。分别以3种功能函数为单位,研究当区间变量的变异系数C不同时(C从0.01递增至0.1),对应非概率可靠性指标η的变化规律。研究表明,随各区间变量变异系数C的增大,相应非概率可靠性指标呈不同程度的降低,其中溶洞顶板厚度h的变异性对评价结果影响最大,其次为桩端阻力分担比T,桩顶反力F的影响相对最小。     

基于激光扫描和数值模拟的大型溶洞顶板稳定性评价研究

随着岩溶地区城镇建设、房地产开发的快速发展,岩溶地基稳定性成为房屋工程建设施工的关键问题之一。针对目前溶洞顶板稳定性分析经验的不足,本研究依托某房建施工项目,在钻孔勘探以及三维激光地质扫描工作的基础上,基于有限元模拟软件建立了溶洞数值分析模型,且按实际情况楼房和车库荷载对溶洞顶板进行稳定性分析,根据顶板最大主应力数据判断溶洞稳定性是否满足房建荷载要求,并据此提出合理施工意见。结果表明,三维激光地质扫描可为后期数值模拟提供很好的基础,有限元计算结果拟通过半定量计算进行验证,发现结果与数值模拟结果相接近,该方法使分析结果更接近实际情况,工作方法和研究成果可为相似地质条件下溶洞顶板稳定性评价提供参考。     

大厚度黄土地基超长群桩承载特性模型试验研究

大厚度黄土地基中大直径长桩、超长桩的应用急剧增多,但黄土地基中超长桩的承载变形机理、侧阻和端阻的发挥性状与普通桩差别较大。采用研制的黄土相似材料填筑模型,分别进行超长单桩和群桩竖向抗压静载试验,分析桩顶荷载作用下荷载-沉降、桩身轴力、桩侧阻力、桩端土体塑性区发展变化规律。研究结果表明:超长单桩在竖向荷载作用下,荷载主要由桩侧阻力承担,桩侧阻力由上向下逐步发挥,属纯摩擦桩,单桩破坏形式为刺入破坏,桩端土体塑性变形影响范围约为1.1 d。与单桩相比,超长群桩基础桩端承载力有较大幅度的提高,桩身轴力衰减深度范围有所减小,侧阻力沿桩身逐渐增大,桩端土层的影响范围约为1.25 d,与超长单桩的影响范围较为接近。本文的研究方法和结果可为大厚度黄土地区超长桩基的承载特性研究提供参考。     

大断面厚顶煤巷道顶板冒落破坏的上限分析

根据大断面厚顶煤巷道顶板的破坏特性,考虑了顶板围岩应力水平与支护荷载的影响,利用Hoek-Brown强度准则及其相关联的流动法则,构造出厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机构。基于塑性力学中的上限分析方法,结合变分原理,推导得到了大跨度厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机制,并以赵楼煤矿某巷道现场实践为例,分析了不同计算参数对顶板冒落破坏机制的影响。计算研究表明：随着岩体经验参数A、抗拉强度、抗压强度及支护荷载的增加,冒落体尺寸随之增大,而当岩体经验参数B、围岩应力及岩体重度增加时,冒落体尺寸则随之减小;冒落体尺寸代表了巷道顶板安全性能的大小,其尺寸越大,表明使巷道顶板发生冒落破坏所需外力功越多,顶板安全性能也越高;岩体经验参数B、围岩应力水平与支护荷载对顶板围岩破裂机制影响较为显著,参数B决定了冒落体的破裂形状,随着参数B的增加,冒落破裂迹线的曲率不断减小;增大支护阻力是提高顶板稳定性的有效途径,其研究结果可为大断面厚顶煤巷道支护设计提供一定的理论依据。     

考虑溶洞顶板自重时桩端持力岩层安全厚度计算方法

通过对溶洞顶板持力层模型的合理简化,进一步完善了已有研究成果的溶洞顶板持力层抗冲切、抗剪切厚度公式,考虑自重影响因素。提出了可以考虑有效宽度、自重等影响因素的单向板、双向板抗拉弯破坏溶洞顶板持力层厚度公式。该公式力学概念清晰,计算简便。进一步结合工程实际中各种参数的取值范围,按照常规抗冲切、抗剪切和抗拉弯破坏模式,得出一般情况下溶洞持力层顶板抗冲切、抗剪切净厚度大于2.5～3.5倍桩径和抗拉弯破坏顶板总厚度大于5.0～5.5倍桩径即可满足设计要求。该研究可供岩溶区桥梁桩基工程设计和施工参考。     

昆明新机场航站楼地基钻孔揭露岩溶评价处理

航站楼地基基础采用人工挖孔灌注桩,桩端岩溶发育,对桩基的稳定性造成影响,正确分析评价岩溶地基的稳定性,采用合理岩溶地基处理方法,确保工程质量。     

岩溶区高速公路路堤及溶洞顶板稳定性数值分析

采用大型通用有限元软件ABAQUS对某室内模型试验进行了数值模拟,验证了三维有限元法进行洞室结构稳定性分析的可靠性。结合永武（永安-武平）高速公路A11合同段岩溶地质资料,将溶洞近似为与实际相近的椭球状,建立岩溶区路堤的三维有限元模型,分析溶洞顶板厚度、填方高度、溶洞位置以及溶洞充填状况对路堤及溶洞顶板稳定性的影响。为与现行顶板安全厚度确定方法进行比较,进行二维平面应变有限元分析。研究表明,对于较完整的顶板岩层,按顶板受拉破坏稳定安全系数为4确定的安全厚度过于保守,按梁板理论弯曲受拉破坏确定的安全厚度也偏于保守,是由于实际顶板岩层并不完全符合梁板理论的简化假设,而以有限元分析所得最大弯矩按梁板弯曲受拉破坏确定的安全厚度最为经济;实际工程中三维效应明显的溶洞,现行理论简化和二维数值分析法都较为粗糙,宜采用三维数值分析法。通过对上述问题的分析,为该高速公路岩溶区填方路段的设计和溶洞的处治与否提出指导性意见,已创造较好的经济效益和社会效益,可供类似工程应用时参考。     

小型溶洞对隧道稳定性的影响分析

根据钻探、物探资料,拟建南京地铁3号线滨江路站—五塘村站沿线穿越的灰岩地层中有数量较大的洞径为2～3m的小型溶洞。通过对该地区地质背景的分析发现,岩溶明显受断裂构造控制,溶洞发育规模小但数量多,对开挖后隧道的围岩稳定性有一定的影响。采用数值分析法研究了小型溶洞尺寸、与隧道位置关系等不同因素对隧道围岩稳定性的影响。计算结果表明,当溶洞尺寸和位置变化时,围岩塑性区也发生变化,塑性区面积随着溶洞尺寸的增大而增大。溶洞位于拱肩时塑性区面积最大,对围岩的稳定性影响大,位于拱腰时最小。隧道开挖后拱顶和拱底处最易破坏,相近条件下串珠状溶洞比单个溶洞的危害性要大。     

喀斯特地貌区隧道与隐伏充填溶洞临界安全距离分析

当隧道施工穿越喀斯特地貌发育区时,隧道应与溶洞保持一定的距离,确保隧道围岩及支护的稳定性。为探究隧道与岩溶的临界安全距离,综合采用理论计算与数值试验方法,基于强度理论,建立不同部位充填溶洞（顶部、底部、侧部）临界安全距离的计算模型,推导出隧道与环向不同位置溶洞临界安全距离计算公式;采用FLAC 3D软件建立环向不同位置溶洞与隧道间的临界安全距离数值模型,基于正交试验设计方法,分析了围岩级别、溶洞水压、溶洞尺寸对临界安全距离的影响规律和显著性。结果表明：隧道与环向不同部位溶洞间的临界安全距离均随围岩级别、溶洞水压及溶洞尺寸的增大而增大,综合影响程度从大到小可排序为围岩级别>溶洞水压>溶洞尺寸;结合试验结果的非线性多元回归分析建立了临界安全距离预测公式;最后将研究成果应用于阳宗隧道项目来验证临界安全距离预测模型的合理性及适用性。