岩溶隧道顶板安全厚度的理论探讨与工程应用

在岩溶区隧道施工中,隧道顶部既有较大尺度溶洞引起的隧道顶板跨塌是威胁隧道施工的主要问题之一。从隧道施工引起的既有溶洞与隧道间岩层的受力,岩层力学性质和围岩水文地质条件变化出发,分析了隧道施工中影响岩层稳定的主要因素,在此基础上将隧道顶部既有较大尺度溶洞引起的隧道施工期顶板的破坏问题归结为两端简支或4边固支薄层岩板的失稳问题,建立了相应的力学分析模型。采用弹性板理论,对不同力学模型的受力状态进行分析,推导了建立在岩体抗拉和抗剪强度准则基础上的岩溶隧道顶板岩层最小安全厚度计算公式。采用该公式对武都水库导流洞既有溶洞影响下典型洞段隧道顶板稳定性进行分析,跟踪施工调查的顶板稳定情况性态验证了公式的适用性。     

桩基下岩溶顶板稳定性有限元阶段分析

为了研究桩基下伏溶洞顶板的稳定性以及破坏模式,利用有限元软件DIANA进行阶段分析,模拟地基土体在溶洞不断扩大过程中渐进塑性变形及位移场特性,并以无溶洞时地基极限承载力为标准设置5个不同桩端载荷等级,对比分析荷载等级和溶洞发育对于围岩稳定性的耦合影响,并总结出溶洞发育过程中顶板的破坏模式和机理。得出如下结论:溶洞发育和桩端荷载等级均存在临界安全值。在荷载等级较小时,溶洞对地基起主要影响作用,溶洞不断发育使塑性应变沿桩基下方斜向下不断扩展。当荷载等级较大时,相同发育阶段溶洞顶板塑性应变显著增大,即使溶洞发育处于安全阶段,也可能使临界安全阶段提前,发生破坏。数值模拟较好地反应实际中溶洞随时间不断扩大演化过程中围岩的受力特点,对于岩溶顶板稳定性研究具有重要参考价值。     

桩基下岩溶顶板稳定性有限元阶段分析

为了研究桩基下伏溶洞顶板的稳定性以及破坏模式,利用有限元软件DIANA进行阶段分析,模拟地基土体在溶洞不断扩大过程中渐进塑性变形及位移场特性,并以无溶洞时地基极限承载力为标准设置5个不同桩端载荷等级,对比分析荷载等级和溶洞发育对于围岩稳定性的耦合影响,并总结出溶洞发育过程中顶板的破坏模式和机理。得出如下结论:溶洞发育和桩端荷载等级均存在临界安全值。在荷载等级较小时,溶洞对地基起主要影响作用,溶洞不断发育使塑性应变沿桩基下方斜向下不断扩展。当荷载等级较大时,相同发育阶段溶洞顶板塑性应变显著增大,即使溶洞发育处于安全阶段,也可能使临界安全阶段提前,发生破坏。数值模拟较好地反应实际中溶洞随时间不断扩大演化过程中围岩的受力特点,对于岩溶顶板稳定性研究具有重要参考价值。     

沪昆高铁朱砂堡隧道特大型岩溶稳定性模拟与评价

沪昆高铁朱砂堡二号隧道在施工过程中发现特大型溶洞,隧道底板及溶洞顶板稳定性存疑。为确保隧道施工及运营安全,本文在工程地质调查的基础上,通过构建3DEC地质模型对朱砂堡二号隧道溶洞大厅段、暗河平行段、暗河交叉段的溶洞开展了稳定性研究。计算结果表明:溶洞大厅段隧道底板变形量超过设计标准1mm,不满足行车要求,需采取圬工边坡及回填措施;溶洞大厅段、暗河交叉段溶洞顶板表层岩体会发生层状坍塌,应锚喷防护对洞壁进行加固,并在隧道内修建护拱;暗河平行段溶洞顶板及隧道底板稳定,可不采取工程措施。计算结果为朱砂堡二号隧道建设提供了参考和指导,减少了岩溶地质灾害,保证了铁路的运营效率和安全。     

基于激光扫描和数值模拟的大型溶洞顶板稳定性评价研究

随着岩溶地区城镇建设、房地产开发的快速发展,岩溶地基稳定性成为房屋工程建设施工的关键问题之一。针对目前溶洞顶板稳定性分析经验的不足,本研究依托某房建施工项目,在钻孔勘探以及三维激光地质扫描工作的基础上,基于有限元模拟软件建立了溶洞数值分析模型,且按实际情况楼房和车库荷载对溶洞顶板进行稳定性分析,根据顶板最大主应力数据判断溶洞稳定性是否满足房建荷载要求,并据此提出合理施工意见。结果表明,三维激光地质扫描可为后期数值模拟提供很好的基础,有限元计算结果拟通过半定量计算进行验证,发现结果与数值模拟结果相接近,该方法使分析结果更接近实际情况,工作方法和研究成果可为相似地质条件下溶洞顶板稳定性评价提供参考。     

非均布路基荷载下溶洞顶板稳定性分析

基于Boussinesq解求得在非均布路基荷载作用下溶洞顶板上的附加应力,利用MATLAB采用高阶次函数拟合顶板上附加应力的分布形式;将计算结果与上覆土层和顶板的自重作用相叠加,得到溶洞顶板分别按简支梁、固支梁和悬臂梁计算时的最大弯矩和最大剪力;进而,通过对溶洞顶板最大拉应力和最大剪应力的计算,用以判定溶洞顶板抗弯和抗剪切的稳定性,从而提出一种非均布路基荷载下溶洞顶板的稳定性评价方法。最后,引入稳定系数,从路基荷载的分布形式、溶洞与路基荷载的相对位置、溶洞顶板的厚度以及顶板跨径四个方面进行参数分析;并通过工程算例对比分析,验证本文方法的可行性和合理性。     

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。     

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。     

溶洞对路基稳定性影响分析——以常张高速公路K122+200路基为例

利用弹塑性理论和有限差分方法,对常张高速公路下伏溶洞处理前后对路基变形和稳定性影响进行了计算分析和评价。计算结果表明,在汽车动载作用下,常张高速公路K122+ 200路基和溶洞上部土层产生较大的塑性变形, 整个路基处于不稳定状态。进一步分析表明,溶洞的顶板厚度是影响路基稳定性的主导因素,随着顶板厚度的增加,路基地面变形迅速减小。K122+ 200路基下伏溶洞采用回注水泥粘土浆液加固处理后,路基变形和溶洞上部土体的塑性变形明显减小,可见回注水泥粘土浆液加固溶洞效果明显,能满足工程建设的要求。      

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。     

ANSYS在土洞演化预警中的应用

以桂林某高速公路为工程依托点,在全面分析现有高速公路覆盖地区的岩溶土洞的监测预警技术的基础上,选取TDR监测技术作为主要研究手段,并用ANSYS模拟了TDR监测全过程。模拟结果表明,在基岩面以上厚5.0 m左右的土层中发育有土洞且直径3.0 m以上时,可能对地面造成破坏,当土层厚度不变（5.0 m）,梁的截面尺寸一定（8 cm×6.5 cm）,土洞沿基岩面慢慢往上发育时,随着土洞发育直径的不断增大,地面变形也就越明显,且变形趋势呈缓慢的直线型; 当土洞直径为2.0 m,埋深为4.0 m,或土洞直径为4.0 m,埋深为3.0 m时,梁埋深从2.0 m开始,其变形趋于平缓;当土洞直径为3.0 m时,埋深为3.5 m,梁埋深从1.0 m到3.0 m,其变形量基本相当;当土洞直径为5.0 m,土洞顶板埋深为2.5 m,梁埋深分别为1.0 m、2.0 m,其基本保持一致,分别为6.74×10－2 m、6.75×10－2 m,即达到极限平衡状态,说明监测梁布设在距离土洞顶板2 m范围内时,可比较有效地监测到土洞变形破坏的演化趋势。      

节理裂隙发育岩溶地基数值模拟稳定性分析

岩溶一直是困扰工程建设的大问题,对工程地基稳定性有着重大影响。为了有效获取节理裂隙发育溶洞地基稳定性相关参数,本文以西南某机场节理裂隙发育溶洞地基为研究对象,结合现场勘查,定性分析岩溶影响因素及发育规律,通过ABAQUS非线性有限元数值模拟计算和定量分析,探讨外荷载下节理裂隙对岩溶地基的影响,评价岩溶地基稳定性状况。分析结果表明:溶洞塑性破坏主要发生在溶洞两侧和节理裂隙处拉应力较大的部位,溶洞顶板厚度大于5 m时是稳定的。数值模拟结论和定性分析结果具有很好的一致性,为后续溶洞地基处理设计提供有力数据支撑。      

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。     

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。     

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。      

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。     

侧部水压充填型岩溶隧道衬砌结构位移性状分析

以宜万铁路某岩溶隧道为例,利用有限差分软件FLAC3D对隧道左侧部存在高压充水溶洞的隧道衬砌结构位移特征进行了数值模拟研究,并与现场监测结果进行了比较分析,同时还分析了溶洞内水压的变化以及充水溶洞与隧道间距的变化对隧道衬砌结构位移的影响。结果表明:靠近充水溶洞侧的衬砌结构水平位移值要比远离充水溶洞侧的衬砌结构水平位移值要大,其中左边墙的水平位移是右边墙的2倍左右;拱顶和左拱肩之间的区域有较大的向下竖向位移,左墙脚和仰拱底之间的区域有较大的向上竖向位移;整个衬砌结构向远离充水溶洞侧变形。随着溶洞内水压逐渐增大以及充水溶洞与隧道间距离的逐渐减小,衬砌结构特征位置处的水平位移和竖向位移均有不同程度的增大;沿着隧道的轴向,断面越靠近充水溶洞其受影响程度就越大。