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。      

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。     

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。     

溶洞顶板极限承载力研究

针对国标《工程岩体分级标准》[1]中Ⅲ、Ⅳ类岩体条件,采用显式有限差分法,对岩溶地区扩大基础下椭球状溶洞顶板稳定性进行了分析。通过对溶洞顶板的应力和位移变化规律及塑性区演化规律研究,得出在两种岩体条件下不同溶洞跨度和顶板厚度时溶洞顶板的极限承载力,绘出了溶洞跨度、顶板厚度对极限承载力的联合影响曲面。溶洞顶板的极限承载力随溶洞跨度的增大而减小,随溶洞顶板厚度的增大而增大。在其他条件相同时,Ⅳ类岩体的溶洞顶板极限承载力仅为Ⅲ类岩体的1/3左右。     

基于极限分析法的溶洞顶板极限承载力研究

针对下伏溶洞顶板极限承载力问题,提出了两种顶板极限承载力计算方法;方法 1:假定冲切体为圆锥台,由极限平衡法得出极限平衡状态下破坏面上拉应力与剪应力同时作用时的极限承载力;方法 2:假定冲切体是以一个未知曲线为母线的旋转体,由极限分析法求出其母线形式以及极限承载力的表达式,通过求偏导获得了溶洞顶板的极限承载力。同时进行了下伏溶洞顶板极限承载力室内模型试验,得到了1~5倍桩径顶板厚度下溶洞顶板基岩的破坏模式以及相应的极限承载力,实测结果与理论吻合良好。研究表明:溶洞顶板厚度为1D至3D(D为桩径)时,发生冲切破坏,破坏模式是以曲线为母线的旋转体,4D时发生撕裂+冲切复合破坏,5D时基岩出现塑性破坏。在溶洞顶板厚度为1D~4D时,同一跨径比条件下,极限承载力随顶板厚度的增加呈线性增长,达到5D时,顶板承载力与基岩基本一致。     

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。     

变截面桩竖向承载特性的数值模拟研究

以变截面桩为研究对象,采用FLAC3D对其竖向承载特性进行了数值分析,在分析中考虑了变截面桩的几何尺寸和土层分布的影响。研究结果表明:变截面桩中扩径部分的直径与未扩径部分的直径的比值δ越大,变截面桩的竖向极限承载力逐渐增大;变截面处接近桩顶时的竖向极限承载力比接近桩底时小;当扩径部分的长度逐渐增加时,变截面桩的竖向极限承载力逐渐增大;当变截面部分所处的土性为粘质土、变截面部分以下桩体所处的土性为砂土时,变截面桩的竖向极限承载能力明显高于相反的情况。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

桩底沉渣对嵌岩钻孔灌注桩承载性状影响研究

结合某嵌岩灌注桩工程,采用弹塑性有限元方法模拟桩底有沉渣条件下,桩底沉渣对桩的承载性状影响,分析有桩底沉渣情况下荷载-沉降曲线、桩身轴力和侧摩阻力、桩端阻力和总侧阻力的变化情况,有限元模拟荷载-沉降曲线与实测曲线相符,由于桩底沉渣的存在,大大降低了桩端阻力,从而降低桩的极限承载力,增大了桩顶沉降。