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岩溶区嵌岩桩承载机理及计算方法研究

徐卓君  
【摘要】:桩基础作为岩溶区最重要的地基处治技术已广泛应用于实际工程。岩溶区地质条件复杂,桩-岩、桩-土接触问题较一般摩擦桩或嵌岩桩更为复杂,尤其是如何考虑溶洞对基桩承载性状的影响更是亟待解决的问题。鉴于当前理论研究仍处于初级阶段,现行规范尚无针对性的设计计算方法。为此,本文结合国家自然科学基金项目“岩溶区基桩竖向承载机理及其设计计算方法研究”(51278187),分别以桩基和溶洞作为研究对象,通过理论分析、室内模型试验和数值分析对竖向荷载下单桩单洞体系、倾斜荷载下单桩单洞体系及竖向荷载下单桩多溶洞体系的岩溶区嵌岩桩的承载机理及其设计计算理论进行系统深入的研究。本文首先针对桩端下伏溶洞的受力变形特性,提出以溶洞边界点的稳定状态作为评价指标的溶洞稳定性评价分析方法;基于复变函数理论及Mindlin解答,分别求解出自重作用下和桩端荷载作用下地层的应力场;通过叠加原理得到基桩荷载下方形溶洞边界处的应力场;进而引入Hoek-Brown强度准则,对桩端下伏任意位置方形溶洞稳定性进行评价与分析,综合考虑地应力场、桩端荷载,溶洞尺寸、溶洞位置等因素对溶洞稳定性的影响,并通过算例分析验证了上述方法的正确性和合理性。其次,针对岩溶区溶洞顶板的受力变形特性,基于相似理论,设计并完成溶洞顶板室内模型试验,对试验成果进行分析和总结,探讨了不同顶板跨度及不同顶板厚度下基桩的荷载传递规律和溶洞顶板的破坏模式,并利用模型试验结果对基于溶洞顶板厚度确定嵌岩桩承载力的计算方法进行对比分析。结果表明,随着顶板跨度的减小或顶板厚度的增大,在一定范围内,基桩承载力随之增大;随着顶板厚度的增加,溶洞顶板的破坏模式从冲切破坏逐渐过渡到弯拉破坏;在实际工程中,可通过适度增加顶板厚度来较大幅度地提升基桩的极限承载力。再次,基于嵌岩桩桩端承载变形特性,通过Hoek-Brown强度准则对其极限承载性能进行研究,提出通过桩端平均约束应力求解嵌岩桩桩端极限承载力的思路;结合复变函数理论对嵌岩桩桩端平均约束应力进行求解,建立了可综合考虑自重应力场、溶洞形状、溶洞所处位置等影响因素的桩端极限承载力计算模型;通过影响因素分析,探讨了溶洞大小、桩端到溶洞中心水平距离、垂直距离、溶洞埋深对嵌岩桩桩端极限承载力的影响变化规律,分析结果表明,溶洞对嵌岩桩桩端极限承载力的影响随溶洞大小及溶洞埋深增大而增大,随桩-洞之间的距离增大而减小。基于C法(地基系数随深度呈抛物线增加)假定,考虑桩身自重和桩侧摩阻力及地面以上分布荷载等综合作用的影响,导得了单层地基中倾斜受荷桩内力、位移的幂级数解,结果表明,在基桩自由长度和轴向荷载较大情况下,“P-(35)”效应明显,设计时不容忽视;桩侧摩阻力及桩身自重对倾斜荷载下基桩内力及位移计算影响较小,可忽略不计。采用有限元软件ABAQUS对桩侧存在空洞的倾斜受荷桩承载特性进行了深入研究,重点分析了水平荷载、空洞尺寸、空洞垂直距离及水平距离等因素对桩基承载特性的影响变化规律。最后,基于上、下限有限元极限分析法对多溶洞体系下岩溶区嵌岩桩竖向承载性状进行研究。考虑桩和溶洞的耦合作用机理,根据工程实际情况进行合理假定,建立多溶洞体系下嵌岩桩计算模型;采用自主研发的上、下限有限元极限分析程序进行数值计算,详细讨论嵌岩深度、上覆土层荷载、水平距离、垂直距离、溶洞大小等因素对嵌岩桩竖向极限承载力的影响;分6种工况深入探讨了桩-洞、洞-洞相对位置对承载力的影响,研究了不同工况下嵌岩桩承载力的的变化规律;对比分析不同工况下的速度场和能量耗散场,得到了多溶洞体系嵌岩桩的典型破坏模式。


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