下伏空洞桥梁群桩桩端岩层极限承载力计算方法研究

为探究下伏空洞桥梁群桩桩端岩层的承载机制和破坏模式，进行了单桩及不同桩数群桩的室内模型试验研究，得到了不同桩数群桩桩端岩层的极限承载力和破坏模式。根据下伏空洞桥梁群桩桩端岩层破坏模式的特点将破坏面分为两个部分，结合极限分析法提出了下伏空洞桥梁群桩桩端岩层极限承载力计算方法，理论计算值与室内试验值吻合良好，验证了计算方法的合理性。同时分析了桩端岩层极限承载力随桩数增加的变化规律，可为岩溶区桥梁桩基工程建设提供参考。试验及理论计算结果表明：（1）下伏空洞群桩桩端岩层发生整体冲切破坏时，破坏体整体可视为与单桩破坏体等效的大型墩基；（2）当桩间距较小时，群桩桩端岩层极限承载力随外围基桩外包络线长度增大而增加，当外包络线长度相同时，内部基桩布置方式对群桩桩端岩层极限承载力无影响；（3）群桩效应系数随桩间距的增大而增加，临界桩间距为5d～6d(d为桩径)。     

考虑基桩嵌岩段侧阻的岩溶区顶板安全厚度计算

为考虑岩溶区基桩嵌岩段侧阻力的影响,提出了一组确定岩溶区桩端顶板安全厚度的计算方法。考虑顶板的整体承载效应,结合弹性力学及第一强度理论,得到了顶板抗弯安全厚度计算式;考虑嵌岩段桩侧摩阻力对桩顶荷载的分担作用,结合格里菲斯判据及摩尔判据,获得了顶板抗冲切和剪切的安全厚度计算公式,进而运用ABAQUS建立了岩溶顶板与基桩整体分析计算模型,有限元计算结果与理论计算值吻合良好。结合工程实例重点分析了顶板厚跨比对抗弯安全厚度的影响,顶板岩层厚度对抗冲切、剪切安全厚度的影响以及嵌岩段侧摩阻力系数?对顶板安全厚度计算的影响。     

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。     

桩端硬持力层冲切安全性评价及在红层中的运用

针对嵌岩桩桩端硬持力层厚度小于3d的实际情况,为确保安全又节省造价,在分析桩一岩土体系的荷载传递机理和岩石破坏模式的基础上,建立桩端硬持力层的冲切承载力计算公式,用该公式计算桩端硬持力层厚度的冲切承载力,并与桩基设计荷载相除得到安全系数K,根据安全系数K的大小判定桩端硬持力层的厚度能否满足荷载要求。工程实例表明,该方法在红层地区的运用效果好,可供借鉴。     

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。     

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。     

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。     

岩溶及采空区桥梁桩基桩端岩层安全厚度研究

通过对桩端岩层变形特性及破坏机理的深入分析，针对岩溶及采空区桥梁桩基桩端持力岩层安全厚度的确定进行了较全面的探讨，提出了一系列经济合理、安全可靠、且便于工程应用的计算公式，并对公式的使用范围、注意事项、影响因素以及其合理安全系数的选取等进行了讨论。     

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。     

桩-岩摩擦黏着特性的试验与分析

研究桩与岩石的侧摩阻力组成及影响因素,有助于准确地把握桩与岩石的侧摩阻力取值原则。在对桩与岩层的摩擦黏着机制分析的基础上,指出界面力与岩层抗剪力的区别,并提出岩层的极限侧摩阻力由界面强度及岩石强度两者较弱一方决定的观点。进行了中风化岩中4组混凝土短桩的抗压及抗拔极限摩阻力对比试验,获得了相应的极限侧摩阻力值以及抗拔与抗压极限侧摩阻力值的比值。抗拔时由于上部岩层对桩侧岩层的约束作用较弱,会使侧摩阻力相对抗压时有较大降低。通过有限元计算及其与试验值的比较分析,研究短桩与岩层的界面强度条件,发现岩层和混凝土灌注桩间的侧摩阻力中界面黏着力占很大比例。     

软弱下卧层上持力岩层的端阻力特征值取值

在分析岩体特征和岩体力学强度的基础上,从基于岩石抗拉强度的冲切破坏模式出发,建立起软弱下卧层上岩体的冲切安全指标和冲切端阻值系数数学模型,再利用岩石的力学性质经验数据,计算出沉积岩的拉压系数、冲切安全指标、端阻值系数,并对各自的特征进行了分析,认为以单轴饱和抗压强度为端阻力特征值取值指标,对于软弱下卧层上抗压强度大、拉...     

考虑厚跨比的基桩下伏溶洞顶板冲切特性试验研究

根据相似理论,设计并完成了4组厚跨比条件下基桩下伏溶洞顶板冲切特性大比例室内模型试验,得到了基桩和顶板的荷载-位移曲线、顶板底面的应变-位移曲线,并分析了桩-溶洞体系冲切特性承载机制。结果表明,基桩荷载-位移曲线在加载过程中出现了两个较为明显的弹塑性区;顶板表面荷载-位移曲线中,厚跨比 和 时的位移在加载过程中出现回弹。与此同时,试验板底面应变变化与底面裂缝的发展趋势相吻合。试验板的冲切破坏是剪切效应和弯曲效应综合作用的结果,随着厚跨比的增大,桩-溶洞体系的极限承载力有所增大,位移量有所减小,剪切效应趋于明显,弯曲效应逐渐消失。冲切锥台的形状随着厚跨比变化显著,厚跨比 时,冲切锥台较为厚实,且沿边界破坏;厚跨比 时,冲切锥台则不受限制。最后,通过分析4组厚跨比条件下试验板冲切锥台,拟合了冲切锥台破坏母线与厚跨比 和基桩直径 的关系曲线,为岩溶区基桩溶洞顶板的理论研究和工程实践提供了依据。     

偏心荷载下溶洞顶板冲切破坏上限分析

针对冲切破坏模式下溶洞顶板极限承载力问题,进行了不同顶板厚度以及不同荷载偏心距下溶洞顶板极限承载力室内试验研究,依据试验结果将偏心荷载作用下的溶洞冲切破坏假定为轴对称问题,引入Griffith强度准则,基于极限分析上限法,提出了一种适用于轴对称和偏心荷载作用下溶洞顶底板极限承载力的计算方法,并给出了能发生冲切破坏范围的估算方法。试验结果表明：在同一偏心距下,随着顶板厚度的增加,在达到基岩极限承载力之前,顶板极限承载力呈线性增长;当顶板厚度一定时,顶板极限承载力随着偏心距的增加呈非线性增长,偏心距e在能发生冲切破坏的范围之外时趋于平缓,并逐渐达到基岩极限承载力;理论计算结果与试验结果吻合较好。     

不同围岩强度下大直径嵌岩钻孔灌注桩 承载力尺寸效应的数值模拟

利用数值模拟的方法,通过模拟20种不同工况得到不同岩体和不同直径的大直径嵌岩钻孔灌注桩的桩侧和桩端阻力尺寸效应系数,分析开挖引起的天兴洲大桥直径达3.4 m嵌岩钻孔灌注桩极限承载力尺寸效应问题。结果表明,（1）围岩强度越小,极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应越大,尺寸效应系数越小。当围岩强度为1～5 MPa时,围岩在开挖过程中破坏明显,尺寸效应显著;当围岩强度大于10 MPa 时,围岩破坏不明显,尺寸效应明显减弱;（2）相同围岩强度下,桩径越大,极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应越大,尺寸效应系数越小,相比桩侧阻力,桩端阻力尺寸效应更明显,尺寸效应系数略小。（3）极限端桩阻力和极限摩阻力尺寸效应系数与直径成双曲线函数关系。     

基于尖点突变理论的岩溶区嵌岩桩溶洞顶板安全厚度研究

根据岩溶区嵌岩桩的工程特点,对现有的梁板结构进行优化,将岩溶区嵌岩桩与溶洞的结构系统简化为顶板两端受滑动支座约束,且水平向作用地应力的平直梁模型;基于尖点突变理论导出了能量势函数和分叉集方程,建立了岩溶区嵌岩桩尖点突变模型平衡曲面;根据当前岩体水平地应力的研究现状,结合岩溶区嵌岩桩溶洞顶板突变失稳的必要条件和充分条件,推导得到岩溶区嵌岩桩溶洞顶板最小安全厚度的计算公式;通过工程算例对本文方法进行验算,并与现有梁板理论进行对比,结果表明该理论方法合理可行,可为岩溶区嵌岩桩设计提供一定的参考。