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岩溶和空区上方地基承载特性的研究

杨宜章  
【摘要】: 随着交通事业和城市建设的快速发展,土木工程设计施工中越来越多的遇到岩溶及空区。如何合理地在这些区域进行地基设计施工是需要迫切解决的问题。然而,目前关于岩溶及空区上方地基极限承载力的计算理论还远不能满足实际工程的需要,而相关规范在这方面的内容也是肤浅的,研究岩溶及空区上方地基极限承载力的计算理论具有重要的理论意义和实用价值。 本文综合利用极限分析理论、结构力学以及有限元分析方法,进行了大量的计算与对比分析,对岩溶及空区上方地基极限承载力的确定进行了深入的研究,取得了以下成果: 1.在岩溶及空区上方条形基础地基破坏机理分析的基础上,构造了包含岩溶及空区在内的条形基础地基合理的破坏模式并建立相应的满足运动许可条件的速度场,推导了相应计算公式并编制了计算程序,计算自重和其它外力的功率以及内部耗散功率,利用虚功率平衡方程得到地基承载力目标函数,提出了满足破坏模式物理和几何意义的约束条件,并在该约束条件的下得到地基承载力的上限解。通过大量的分析计算,说明极限分析上限法对于计算岩溶及空区上方条形基础地基极限承载力是可行的。 2.应用结构力学梁和拱计算模型研究岩溶及空区上方的地基极限承载力的确定,推导了计算公式,编制相应的计算程序,并引入承载力系数S进行稳定性的评价。计算结果表明,岩溶及空区顶板的岩体性质对地基极限承载力影响很大,其破坏一般是以弯曲引起的拉应力控制,随着顶板厚度的增大,最大岩溶及空区跨度容许值逐渐增大,并趋于一稳定值。 3.建立有限元数值分析模型,利用ABAQUS程序分析了岩溶及空区上方圆形基础和条形基础地基极限特性,提出了地基极限承载力确定方法;通过大量的工况分析,得到了空洞高度、跨度、顶板厚度以及不同岩性等影响因素与地基承载力之间的关系图表,对于岩溶、采空区地段桩基础和条形基础建筑物设计施工具有较大的参考价值。 4.建立了数值分析模型,对不同条件下表面基础地基承载力进行了大量的计算,对于存在空洞条件下地基极限承载力系数N_γ和N_c进行回归分析,考虑不同的空洞宽度和顶板厚度、荷载偏心距以及地基宽度等因素影响,得到不同工况下,空洞上方条形基础地基承载力系数N_γ和N_c,给出了N_γ和N_c确定图表,可供岩溶及空区上方基础设计与施工参考。


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