基于极限分析下限法的溶洞顶板承载力研究

在已有的极限分析下限法求解格式的基础上,直接以超载系数作为目标函数,将应力边界分为超载边界和不超载边界,建立求极限承载力下限法的非线性规划模型,并使用内点法求解最优解。通过模拟土体的三轴试验验证了本方法和程序的正确性,并将程序应用于溶洞顶板承载力的研究中,在已有极限分析下限法对溶洞顶板承载力研究的基础上,进一步考虑了水平向地应力对溶洞顶板承载力的影响。研究结果表明,在溶洞顶板厚度相同的前提下,溶洞跨高比l的值对溶洞顶板承载力影响非常显著;在溶洞尺寸相同的前提下,溶洞顶板厚度只在一定范围内对溶洞极限承载力有影响,超过这个范围后,其影响可不考虑;考虑水平向地应力在顶板厚度较大、跨高比较小时对承载力影响较大,在使用下限法计算溶洞顶板极限承载力时不能忽略水平向地应力的影响。     

溶洞薄顶板极限承载力计算模拟分析

在对比国内外大量极限承载力确定方法的基础上,提出了运用有限元软件进行数值仿真模拟来求解溶洞顶板极限承载力的方法,并进行了数值分析,来研究溶洞薄顶板厚度、上覆土层厚度、上覆土层变形模量、筏板尺寸这四个因素对筏板基础作用下盖层土体下溶洞薄顶板极限承载力的影响规律,并获得一些经验数据供工程实际参考。     

基于正交分析的溶洞薄顶板极限承载力影响因素研究

分析在大型筏板基础的作用下,溶洞薄顶板厚度、上覆土层厚度、上覆土层变形模量、筏板尺寸四个因素对盖层土体下溶洞薄顶板极限承载力的影响规律,引入正交有限元试验分析理论的基本思想,结合ABAQUS有限元软件计算模拟,评价了各因素对溶洞顶板极限承载力的影响程度（敏感度）即影响主次关系。计算结果表明：上覆土层厚度及溶洞顶板厚度的变化对溶洞顶板极限承载力影响尤为显著。     

下伏空洞岩石地基极限承载力计算方法研究

针对岩溶区下伏空洞嵌岩桩桩端岩石地基极限承载力问题,进行了下伏空洞桩端岩石地基的破坏模式分析。基于Hoek-Brown强度准则剪应力形式,理论推导出不同顶板厚度下下伏空洞岩石地基及完整岩石地基极限承载力计算方法。当顶板厚度为1~3倍桩径时,采用极限分析上限原理推导了冲切破坏模式下泛函形式的下伏空洞岩石地基极限承载力表达式。运用变分原理得到冲切破坏线方程,进一步利用偏导求得了下伏空洞岩石地基极限承载力计算公式。当顶板厚度大于5倍桩径时,采用特征线法推导出塑性破坏模式下完整岩石地基极限承载力计算公式。当顶板厚度为4倍桩径时,利用完整岩石地基极限承载力与承载比理论,采用S型生长曲线拟合出冲切剪压复合破坏模式下的极限承载力值。通过与1~5倍厚径比条件下的下伏空洞岩石地基极限承载力室内模型试验结果对比,计算值与实验所得数据吻合良好。     

岩溶地区嵌岩桩桩基竖向承载力有限元分析

利用有限元对岩溶顶板上嵌岩桩桩基的工作性状进行了数值模拟,分析了加载过程中桩顶荷载与桩顶沉降的关系及地基中塑性屈服区分布,并据此确定桩基竖向承载力,在此基础上研究了溶洞高度、跨度、顶板厚度、围岩及嵌岩深度对桩基承载力的影响。研究结果表明:岩溶地区嵌岩桩嵌岩深度宜浅不宜深;围岩强度对桩基承载力的影响最为明显,顶板厚度及跨度影响较大,洞室高度影响最小;当顶板达到一定深度时,溶洞对桩基承载力的影响已经不明显,设计时一律按当地经验要求的溶洞顶板最小厚度进行基础设计,有时造成较大浪费。     

冲切破坏模式下溶洞顶板极限承载力计算

基于溶洞顶板的冲切破坏模式,采用极限分析上限法建立冲切体的三维功能方程,推导泛函形式的溶洞顶板承载力表达式。运用变分原理得到冲切破坏线方程,进一步利用偏导求得冲切体的底部直径和三维溶洞顶板极限承载力显示计算公式。通过对比试验验证了理论方法的合理性,并重点分析岩体地质力学分类指标GSI对溶洞顶板极限承载力及冲切体底部直径的影响。结果表明:(1)顶板厚度h为1D~4D时,溶洞顶板极限承载力随着h的增加大致呈线性增长,h=5D时,极限承载力与基岩一致;(2)厚径比为定值时,顶板极限承载力随着GSI的增大呈非线性增长,当h=1D,GSI取44时溶洞顶板的承载力系数为0.73,GSI取100时其值为1.42,后者接近前者的2倍;(3)同一溶洞顶板厚度下,冲切体底部直径随着GSI的增大大致呈线性减小。当GSI取44,1D顶板厚度时冲切体底部直径为0.20 m,分别是GSI取65,85,100时的1.25,1.54,1.70倍,对于其他顶板厚度时也存在类似的关系。     

岩溶地区桩基础竖向承载力及岩溶顶板安全厚度计算方法

由于岩溶地质条件十分复杂,给桩基础的设计和施工带来很多隐患。不同的溶洞顶板厚度将会对基桩桩端极限承载力产生很大的影响,所以岩溶地区嵌岩桩的极限承载力以及岩溶顶板安全厚度的问题是目前亟待解决的关键技术问题。首先针对嵌岩桩承载机理提出一种嵌岩桩竖向承载力的计算方法,并运用至岩溶地区。针对岩溶区嵌岩桩"见洞就穿"的处理方法,分别对嵌岩桩贯穿溶洞和桩端置于顶板上的承载力进行理论分析,得出嵌岩桩贯穿溶洞对承载力的影响。结果表明,在进入基岩后,桩身轴力急剧下降,且下降趋势基本呈线性,且使用荷载传递法分析贯穿溶洞的基桩承载力有较高精度。     

基于有限差分法的岩溶地基稳定性研究

介绍了利用岩溶地基溶洞顶板塑性区形成的潜在滑移通道作为岩溶顶板破坏的判别标准,通过对顶板厚度与溶洞跨度的关系、顶板厚度与承载力的关系及溶洞跨度与承载力的关系的研究表明,所提出的方法在实践中具有很好的可操作性,值得推广。     

岩溶区嵌岩桩桩端承载性能研究

为考虑岩溶区基桩嵌岩段岩层与顶板的整体承载效应及溶洞形状对桩端极限承载力的影响,在嵌岩桩桩端极限破坏模式研究的基础上,首先根据桩端极限破坏线与溶洞的位置关系,确定了溶洞发生破坏时的临界状态;其次,结合桩端岩层极限状态下的传力机制,分析了岩溶区嵌岩桩桩端极限破坏模式。然后,通过建立极坐标系,给出了溶洞发生冲切破坏、冒顶破坏的限定条件,并推导了不同破坏模式下岩溶区嵌岩桩桩端极限承载力的计算公式。最后,用试验数据与工程实例对本文理论进行验算,验算结果表明:理论计算结果与试验现象及工程实例结果较为吻合,可为岩溶区嵌岩桩桩端极限承载力的计算提供一些参考。     

东黄山国际小镇串珠状隐伏溶洞顶板稳定性研究

地下岩溶发育破坏了岩体的完整性,导致岩体的强度和承载力大幅度降低,对工程场地地基稳定性构成潜在的威胁.本文依托东黄山国际小镇基础设施项目,在采用多种勘察手段相结合的方法确定岩溶发育特征的基础上,选取代表性的溶洞,采用按溶洞顶板安全厚度判别的定性评价方法和按顶板坍塌自行填塞判别、顶板抗弯安全厚度判别、按顶板抗剪安全厚度判别3种半定量评价方法对溶洞顶板安全厚度进行综合判别,对岩溶地基进行稳定性评价.研究结果表明:研究区揭露岩溶主要以覆盖型串珠状溶洞为主,多为充填型溶洞,选取的117个典型溶洞大多处于稳定状态,在自然状态下顶板稳定性较好,发生坍塌的可能性小.     

溶洞顶部爆破残留岩体安全性分析

以安徽繁昌县凤凰山危岩溶洞项部岩体爆破为研究背景,采用数值模拟方法对未爆洞顶残留岩体在爆破产生的冲击荷载作用下进行稳定性分析,得出不同时间残留岩体的应力状态和位移变化情况,为施工设计提供了科学依据。     

岩溶地区桥梁嵌岩桩基承载力探究

通过大型岩土有限元分析软件Midas/GTS NX,对岩溶地区桥梁嵌岩桩基进行承载力数值仿真模拟,分析了不同顶板厚度对岩溶地区桩基极限承载力的影响。结果显示:桩基极限承载力随溶洞顶板厚度的增加而增加,但几何尺寸大于2.5倍桩径后影响不明显。在保证必要的嵌岩深度的条件下,岩溶地区桥梁桩基嵌岩深度应遵循"宜浅不宜深"的设计原则。工程实例分析中,通过有限元数值仿真模拟,确定了岩溶地区桥梁桩基设计深度和岩溶顶板厚度,具有一定的理论与工程实用价值。     

溶洞顶板破坏对穿越溶洞型基桩极限承载力的影响规律研究

当溶洞顶板的厚度不符合安全设计要求时,基桩需要穿越溶洞并嵌入溶洞底板一定深度以提高基桩的承载力。在桩顶竖向荷载作用下,溶洞顶板的岩体可能存在受拉状态,当张拉应力超过其抗拉强度时,则岩体将发生张拉破坏,使桩身侧摩阻力的受力面积降低,另外,张拉破坏区使溶洞顶板以上岩土体所受的支承作用进一步降低,不利于桩身侧摩阻力的发挥。因此,有必要系统研究溶洞顶板张拉破坏区域对穿越溶洞型基桩承载特性的影响规律。本文基于理论分析提出了穿越溶洞型基桩的失稳破坏模式,揭示了张拉破坏区域产生的力学机理以及对桩身侧摩阻力的影响规律,建立了顶板失稳破坏的简化力学分析模型,进而提出了穿越溶洞型基桩的极限承载力计算方法,为岩溶地区基桩设计和施工提供技术指导。     

复合加载情况下六自由度圆形基础失稳模式与 极限承载能力研究

海洋工程中结构物除了受到自身重力作用外,往往还受到海风、海浪、海流等的作用,使得海床土体中的基础一般受到集中力、弯矩和扭矩的联合作用,这一受力状态称为结构物基础的复合加载模式。详细研究复合加载模式下海床土体的失稳模式和极限承载能力,对海洋结构物的安全运行至关重要。以三维空间内圆形基础为研究对象,基于土体弹塑性极限平衡原理,利用非线性有限元分析软件ABAQUS,对空间六自由度圆形基础极限承载能力进行详细的数值分析。基于上述计算分析结果,揭示了单调加载情况下土体的失稳机理与极限承载能力,给出了复合加载模式下海床土体破坏包络面方程。给出的土体失稳模式和破坏包络面方程能够合理地评估复合加载模式下海床土体的极限承载能力。     

多溶洞地层中路基承载力有限元极限分析

为计算多溶洞地层中路基的极限承载力,根据上、下限定理,结合有限元方法,基于MATLAB平台编制了相关计算程序。采用修正的Hoek-Brown准则来描述岩体的非线性特点,并将其嵌入到计算程序中。在此基础上,用一个无量纲参数N?来衡量单个溶洞对路基承载力的影响,而用折减系数ξ来描述两个溶洞的影响。将计算结果以表格的形式展示出来,并对路基承载力的各影响因素进行探讨。结果表明：N?随着H/R(岩层厚度/溶洞半径)、地质力学指标GSI的增大而非线性增大,与岩石类别参数mi大致成线性关系;岩体的重度对N?的影响可忽略不计;当X（溶洞间水平距离）/R≤2时,ξ随H/R的增大而增大;当X/R≥3时,ξ随H/R的增大而减小;当Y（溶洞间垂直距离）/R<3时,ξ在X/R=2时取最小值;当Y/R≥3时,ξ趋近于1,此时只需要考虑单个溶洞对承载力的影响;单个溶洞的极限破坏模式与H/R有关,随着H/R的增大,破坏面由溶洞的顶部逐渐向底部发展,且影响范围逐渐扩大;两个溶洞的埋深一致,当X/R较小时,会有拱效应产生,当X/R较大时,溶洞间岩层会产生“X”形破坏面;两个溶洞的埋深不一致时,溶洞间贯穿的破坏面随着Y/R的增大而逐渐消失。将条形基础作用在岩层的承载力的结果与已有成果进行对比,误差在4%以内,验证所提方法的正确性。同时,为便于实际工程设计,提供具体的设计步骤及说明,基本能满足大部分工程需求。     

溶洞位置对巷道围岩破裂过程的影响分析

利用二维真实破裂过程分析软件RFPA^2D建立了在静载荷作用下含溶洞巷道围岩破坏过程的数值模型,分析了巷道拱顶、侧部及底部围岩中存在溶洞三种情况下巷道围岩的破裂过程,并与不含溶洞巷道的情况进行了对比。结果表明,巷道围岩中溶洞的存在,使得巷道围岩应力场和位移场的分布发生变化,在溶洞与巷道之间区域应力集中程度较大,破坏总是发生在巷道邻近溶洞一侧且与溶洞距离最近处。在相同加载条件下,三种情况中底部存在溶洞时围岩最先发生破裂,并迅速与溶洞贯通,使巷道底板破坏,底部溶洞对巷道的稳定性最为不利。在巷道周边存在的不同分布位置的溶洞,使得巷道围岩各部位的应力集中程度不同,靠近溶洞侧的围岩应力集中程度较大,围岩位移变化较大。     

岩溶区桩基破坏模式研究及稳定性分析

在室内模型试验的基础上,采用有限差分法对桩基荷载作用下岩溶地基的稳定性进行数值模拟分析,得出溶洞周围岩体在桩基荷载作用下内部应力、应变的变化过程及破坏面的形状和位置等,提出判断岩溶区桩基稳定性的有效判据。归纳总结岩溶区桩基及其下伏溶洞的破坏机理和破坏模式,主要包括桩基破坏和溶洞围岩破坏。破坏模式主要受溶洞大小、荷载作用位置以及溶洞顶板厚度等因素影响,其中溶洞顶板厚度为主要影响因素。     

Effect of interface adhesion factor on the bearing capacity of strip footing placed on cohesive soil overlying rock mass

The problem related to bearing capacity of footing either on pure soil or on pure rock mass has been investigated over the years. Currently, no study deals with the bearing capacity of strip footing on a cohesive soil layer overlying rock mass. Therefore, by implementing the lower bound finite element limit analysis in conjunction with the second-order cone programming and the power cone programming, the ultimate bearing capacity of a strip footing located on a cohesive soil overlying rock mass is determined in this study. By considering the different values of interface adhesion factor (α_cr) between the cohesive soil and rock mass, the ultimate bearing capacity of strip footing is expressed in terms of influence factor (I_f) for different values of cohesive soil layer cover ratio (T_cs/B). The failure of cohesive soil is modeled by using Mohr−Coulomb yield criterion, whereas Generalized Hoek−Brown yield criterion is utilized to model the rock mass at failure. The variations ofI_f with different magnitudes of α_cr are studied by considering the influence of the rock mass strength parameters of beneath rock mass layer. To examine stress distribution at different depths, failure patterns are also plotted.