（岩土工程专业论文）基桩桩端岩溶顶板稳定性模糊可靠性分析.pdf

麟柳舛端山溶顶板稳定件模糊n r 常件分析 摘要 随着我国工程建设的大规模发展，修筑在岩溶地区的高层建筑、公路、铁路、 桥梁、机场、地下工程、水利水电工程越来越多，岩溶对结构物的危害也越来越 引起人们的重视。岩溶发育破坏了岩石的完整性，大幅度降低了岩石的强度和稳 定性，在附加荷载及振动等因素作用下，可能引起溶洞顶板坍塌、地基突然下沉， 导致基础失稳，结构物损坏，造成重大的损失。尤其是对承载力和变形要求很高 的桩基础影响极大。因而，基桩桩端岩溶顶板的稳定性研究是岩溶区桩基设计与 施工需要解决的关键问题。 本文从工程地质情况的调查分析入手，研究岩溶顶板稳定性影响因素及相关 岩土物理力学参数，借助模糊数学、岩体强度理论和可能性理论，对基桩桩端岩 溶顶板稳定性进行可靠性分析。首先，探讨影响岩溶地区溶洞顶板稳定的主要因 素，根据影响因素取值的随机性、模糊性以及区间性特征，采用三角模糊数表示 各参数取值，结合大量的岩土力学试验资料，综合运用模糊数学理论、岩体质量 分类指标月脚以及h o e k b r o w n 经验强度准则，建立岩溶顶板岩体力学参数三角 模糊数取值方法；其次，分析岩溶顶板在基桩荷载作用下的变形特性和破坏模式， 根据岩溶顶板冲切破坏、剪切破坏与弯拉破坏模式，建立桩端岩溶顶板模糊极限 平衡分析模型，求得岩溶顶板抗冲切、抗剪与抗弯安全系数三角模糊数；然后， 考虑桩端岩溶顶板整体失效准则，即顶板抗冲切、抗剪与抗弯稳定性任一方面不 满足都会导致顶板整体失稳，构建其合理功能函数，并根据截集理论采用非概率 可靠性理论求解岩溶顶板稳定性可靠性指标，进而由模糊能度可靠性分析方法对 桩端岩溶顶板稳定可靠性进行评价；最后，结合工程实际，选取代表性的桩基下 伏溶洞，利用基桩桩端岩溶顶板稳定性模糊可靠性方法对其进行分析评价，并与 以往方法进行比较分析，验证本文方法的可行性与合理性。 本文通过研究建立了岩溶顶板岩体力学参数三角模糊数确定方法，利用模糊 能度可靠性理论对岩溶顶板稳定可靠性进行分析，为基桩桩端岩溶顶板稳定性评 价提供了新的不确定性方法，具有一定的理论意义和工程应用价值。 关键词：桩基工程；岩溶；岩体力学参数；三角模糊数；能度可靠性 a b s t r a c t w i t ht h el a r g e s c a l ed e v e l o p m e n to fe n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nm o u rc o u n t r y ， m o r ea n dm o r eh i g h r i s eb u i l d i n g s ，r o a d s ，r a i l w a y s ，b r i d g e s ，a i r p o r t s ，u n d e r g r o u n d w o r k s w a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o p o w e rp r o j e c t sa r eb u i l d o nk a r s ta r e a ， w h l l e t h eh a r m sg r o w i n gc a u s e db yk a r s ta l s ob r i n gm o r ea n dm o r ep e o p i e s a t t e n t l o n k a r s td e v e l o p m e n tw i l ld e s t r o yt h ei n t e g r i t yo fr o c k s ，g r e a t l yr e d u c et h es t r e n g t ha n d s t a b i l i t vo ft h er o c k s w i t ht h ea t t a c h e dl o a d ，v i b r a t i o no ro t h e rc o m p l i c a t l o n s ，1 tm a y c a u s ek a r s tr o o fc o l l a p s e ，g r o u n ds u d d e ns e t t l e m e n t ，f o u n d a t i o ni n s t a b i l i t y ，s t r u c t u r e d a m a g et h u sc a u s e sh e a v yl o s s a n d b e c a u s ep i l ef o u n d a t i o n s a r es e n s l t i v et o b e a n n g c a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o n ，i tc a ne x t r e m e l ye f f e c to np i l ef o u n d a t i o n s t h e r e f o r ，t h e s t a b i l i t vo fk a r s tr o o fu n d e rp i l et i pi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ep i l ef i o u n d a t l o nd e s l g n a n dc o n s t r u c t i o ni nk a r s ta r e a t h i sp a p e ri sd u et ot h ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so f t h ee n g i n e e n n gg e o l 0 9 1 c c o n d i t i o n s ，s t u d i e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f k a r s tr o o fs t a b i l i t ya n dt h ep h y s l c a la n d m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c ka n ds o i lm a s s ，i nv i r t u e o ff u z z ym a t h e m a t l c s ，r o c k m a s ss t r e n g t ht h e o r ya n dp o s s i b i h t yt h e o r yt oa n a l y s ei ft h es t a b i l i t yo fk a r s t r o o f u n d e rp i l et i pi sr e l i a b l e f i r s t ，w ef o u n dt h e m a i nf a c t o r sw h i c hc a ne t t e c tt h e s t a b i i i t vo fk a r s tr o o fh a v et h ec h a r a c t e r s o fr a n d o m i c i t y ， f u z z l n e s sa n di n t e r v a i f e a t u r e s ， u s et r i a n g u l a rf u z z yn u m b e r t od e n n et h ev a l u eo fp a r a m e t e r s m c o m b i n a t i o nw i t hp l e n t yo fg e o t e c h n i c a lm e c h a n i c a le x p e r i m e n td a t a ，s y n t h e t l c a l l y u s i n gf u z z ym a t h e m a t i c st h e o r y ， r o c km a s sr a t i n gi n d e xr 很 a n dh o e k b r o w n e m p i r i c a ls t r e n g t hc r i t e r i o n ，e s t a b l i s h e dan e wm e t h o dt oc a l c u l a t et r i a n g u l a r 士u z z y n u m b e r so fk a r s tr o o fr o c km a s sm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s 。s e c o n d ，w ea n a l y s e d t h e d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r is t i c sa n dd a m a g em o d e l sw h 订ek a r s tr o o fs t a t em s m g l ep l l e l o a d ，a c c o r d i n gt ot h ep u n c h i n ga n ds h e a r i n gd a m a g em o d e l ，s h e a n n gd a m a g e m o d e l a n db e n d i n gd a m a g em o d e lo fk a r s tr o o f ，e s t a b l i s h e d t h ef u z z yl i m i te q u l l i b n u m a n a l v s i sm o d e lo fk a r s tr o o fu n d e rp i l et i p ，t h e nw eg e tt h e s a f e t yf a c t o r 士u z z y n u m b e rf o rc a l c u l a t et h ek a r s tr o o fp u n c h i n ga n ds h e a r i n g ，s h e a r i n ga n db e n d m g m o d e l s t h e n ，i n t r o d u c j n gt h ek a r s tr o o f f a il u r ec r i t e r i o n ，彻m e l yt h er o o fp u n c h l n g a n ds h e a r i n g ，s h e a r i n ga n db e n d i n gs t a b i l i t ya so n e o fw h i c hd o e sn o tm e e tw l l jl e a d t h er o o ft oi n s t a b i l i t y ，c o n s t r u c t i n gt h er a t i o n a lp e r f o r m a n c ef u n c t i o n ，w h l c h d e 士1 n e t h ep r o b a b i l i t yo fk a r s tr o o fs t a b i l i t y ， u s i n g f u z z yr e l i a b i l i t ya n a l y s i s m e t h o d i l i 轼竹僻端山溶顶板稳定忡模糊町岢竹分析 e v a l u a t e dt h er e l i a b i l i t yo fp i l ee n d p o i n tk a r s tr o o fs t a b i l i t y a tl a s t ，i nc o m b i n a t i o n w i t ht h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，s e l e c tar e p r e s e n t a t i v ep i l eu n d e r l i ek a r s tr o o f ，w eu s e d t h ef u z z yr e l i a b i l i t ym e t h o df o rs t a b i l i t ya n a l y s i so fk a r s tr o o fu n d e rp i l et i p ，a n d c o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s ， t ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo ft h e p r o p o s e dm e t h o d t h i sp a p e r ，b yr e s e a r c h i n gt h em e t h o dt oc a l c u l a t et h et r i a n g u l a rf h z z yn u m b e r o fk a r s tr o o fr o c km a s sm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，a n a l y z e st h es t a b i l i t yr e l i a b i l i t yo f k a r s tr o o fu n d e rp i l et i pu s i n gf u z z yp o s s i b i l i s t i cr e l i a b i l i t yt h e o r y i tp r o v i d e san e w u n c e r t a i n t ym e t h o dt oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo fk a r s tr o o fu n d e rp i l et i p ，h a sc e r t a i n t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n gp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：p i l ef o u n d a t i o n s ；k a r s t ；m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c km a s s ；t r i a n g u l a r f u z z yn u m b e r ；f u z z yp o s s i b i l i s t i cr e l i a b i l i t y i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：颜艳劳 日期：2 p 口夕年上月2 p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 。保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打 ”) 作者签名：赦嬲 刷谧孙矶巳 ，矿l一一 日期： p 移9 年堂月2 d 日 日期：扒。夕年，月复。日 硕i j 学何论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 随着我国工程建设的大规模发展，修筑在岩溶地区的高层建筑、公路、铁路、 桥梁、机场、地下工程、水利水电工程越来越多，岩溶对结构物的危害也越来越 引起人们的重视【l 】。岩溶发育破坏了岩石的完整性，大幅度降低了岩石的强度和 稳定性，在附加荷载及振动等因素作用下，可能引起溶洞顶板坍塌，地基突然下 沉，导致结构物损坏，造成重大的损失。因此，在岩溶地区首先掌握岩溶的形态 特征、发育规律及分布状况，从而认识不同岩溶作用的特点，以便充分利用有利 条件，对不利因素采取相应的措施，确保结构物的基础可靠地建立在岩溶体上， 这对工程设计和施工具有重要的指导意义。 岩溶是地壳圈内可溶性岩石在水的溶蚀作用下，产生的各种地质作用、形态 和现象的总称。可溶性岩石包括碳酸献类石灰岩和白云岩、硫酸盐类石膏和芒硝 以及卤素类岩盐等。岩溶发育产生溶沟、石芽、漏斗、竖井、落水洞、溶蚀洼地、 盲谷、干谷、峰林、溶洞和暗河等一系列特殊的地质形态，构成独特的岩溶地貌 景观。溶洞是岩溶的一种表现形式，是地下水在流动的过程中，对岩石以溶蚀作 用为主，间有冲蚀、潜蚀和塌陷作用而形成的地下洞穴。在裂隙密集交叉地带和 可溶性石灰岩地区的断层带，溶洞发育比较强烈，规模也比较大。由于影响岩溶 发育的因素比较复杂，生成的溶洞大小相差悬殊，断面形态极不规则，且具有隐 蔽性的特点，给工程建设带来一定的复杂性。 国内外岩溶分布十分普遍，根据可溶岩分布统计，地球表面岩溶面积占陆地 总面积的1 5 左右【2 1 。我国是岩溶发育最为广泛的国家之一，在各类可溶岩中， 以碳酸盐类岩石为主。据有关资料统计1 3 j ，我国碳酸盐岩层分布面积达3 4 4 3 万 平方公里，出露面积约9 0 7 万平方公里。其中以贵州、广西、云南、四川岩溶 最为发育，其余如湖南、湖北、广东、浙江、山西、山东等地均存在规模大小不 同的岩溶地区【4 j 。 全国每年都因不同程度的岩溶危害而造成巨大的经济损失，甚至发生危及人 们生命安全的重大事故【引。如何有效减轻岩溶危害、保证岩溶地区的工程建设顺 利进行，成为亟待解决的关键技术难题。 桩基础是一种具有悠久历史的传统基础形式。l9 8 1 年美国肯塔基大学的考 古学家在智利的蒙特维尔德附近发现一所支承于木桩上的木屋，经测定，其建造 时间距今已有1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 年的历史【引。我国考古学家于1 9 7 3 年和1 9 7 8 年分 祭僻f j f 端岩溶顶板稳定什模糊叮芹忡分析 两期在浙江省余姚市河姆渡村发掘了新石器时代的文化遗址，出土了占地约4 万 平方米的木桩和上部结构残存物，经测定，其建造时间大约距今7 0 0 0 年。桩基 础做为最古老的基础形式之一，在现代化阶段得到迅速发展，其设计方法、材料 种类、施工机具和成桩工艺不断推陈出新，成为工程建设中应用最广泛的一种深 基础。当地基浅层土质不良，采用浅基础无法满足结构物对地基强度、变形及稳 定性方面的要求，且不适宜采取地基处理措施时，往往需考虑桩基础。桩基础能 适应各种复杂地质条件，并且具有承载力高、稳定性好、沉降稳定快、沉降变形 小、抗震能力强等优点f 7 l 。由于岩溶地区的地质情况非常复杂，桩基础因其适应 性强等优点在岩溶区被广泛使用，如嵌岩灌注桩、预应力管桩、冲抓桩、高压旋 喷桩等。 随着桩基础在岩溶地区的大量使用，桩基础的稳定性问题也越来越突出。如 由于岩溶发育的不均一性，基岩表面被水流侵蚀而起伏不平，形成许多临空面， 桩体可能沿软弱结构面滑移；岩体内溶洞发育，使基岩强度和稳定性降低；岩溶 地下水向基坑及桩孔内大量涌水突泥，造成场地及周围地面塌陷。因而在岩溶地 区采用桩基础时，从工程地质勘察、设计到施工过程中，都存在一些特殊的尚未 彻底解决的技术问题，可能导致基础不牢固，给建筑物带来不安全因素，或者设 计过于保守，造成各方面的巨大浪费。传统的桩基处理方法是使桩基穿过岩溶区， 作用在岩溶下面的基岩层上，这样可以确保基础的稳定以及减少受岩溶影响【8 】。 但是，有些地区岩溶发育严重导致成桩困难，或者是一些技术经济原因无法使桩 基穿越岩溶区，此时就需要将桩基设置在岩溶顶板之上1 9 j 。若岩溶顶板能够承受 桩端荷载而不破坏，则桩基础是稳定的；若岩溶顶板不能承受桩端荷载，则桩基 础不稳定。岩溶顶板是否稳定成为决定桩基稳定性的关键因素。评价受溶洞影响 的桩基础稳定性问题实际上是评价溶洞顶板稳定性问题。为了能做到既经济合 理，又安全可靠，对桩基附加应力影响范围内的溶洞，要根据洞体大小、顶板形 状及岩体结构特征等进行岩溶项板稳定性分析。 1 2 研究现状与文献综述 岩溶，国际通用术语为k a r s t 【1 0 l ，译名喀斯特。喀斯特原是巴尔干半岛西北 部一灰岩高原的地名，那里岩溶发育比较典型。1 9 世纪木，前南斯拉夫学者c v l j i c j 以此为代表“水对可溶岩进行的一种特殊地质作用、过程及其结果”的专用词， 后来在国际上通用。 我国对岩溶地貌的认识开始得很早，战国时山海经对落水洞地形已有记 载。明朝术年徐霞客在徐霞客游记中对中国南方岩溶地貌的类型、特征、成 因及岩溶地貌分区都有论述，是世界上最早系统地论述岩溶地貌的著作。1 9 3 3 年，前苏联舍维亚科夫院士发起召开的第一届全苏喀斯特会议，标志着岩溶塌陷 2 硕 ：学f 进论文 研究的开端。19 7 3 年在德国汉诺威首次举行了“岩溶塌陷与沉陷一一与可溶岩 有关的工程地质问题”国际讨论会。19 7 8 年美国肯塔基大学成立了岩溶与洞穴 研究中心，将岩溶塌陷列为研究内容。19 8 4 年、l9 8 7 年和l9 8 9 年曾经三次在美 国佛罗里达州的奥兰多举行岩溶与岩溶塌陷对工程与环境的影响国际学术讨论 会，主要讨论了下列问题：岩溶地区的工程地质与水文地质评价；岩溶区的 地下水污染与水力学；岩溶塌陷整治及其他工程问题；岩溶地区的地球物理 勘探；岩溶地区工程实例研究；岩溶地区的规划与控制。19 9 0 年，t o l m a c h e v vv 和r e u t e r 出版了工程岩溶学一书。2 0 0 1 年在北京召开的首届国际岩溶 地区可持续发展会议，有2 1 个国家代表参加，会议着重讨论了岩溶地区生态、 资源与环境可持续发展的问题，分析了岩溶塌陷、滑坡等地质灾害的危险性，并 为今后的研究指出了明确的方向。随着环境岩土工程、地质灾害研究及地下岩溶 勘探技术的迅速发展，岩溶问题研究得到了长足发展。 1 2 1 顶板稳定性分析综述 影响岩溶洞体顶板稳定的因素很多，内因有顶板厚度及完整程度、洞体跨度 及形态、岩体强度及产状、裂隙状况及洞内充填情况；外因有荷载状况( 荷载大 小、时间长短、动载或静载) 、温度、湿度、地下水活动等。在实际工程计算中， 不可能把每个因素都考虑进去，如果都考虑进去的话，那么就难以建立评价模型 了，因此在评价中只考虑重要因素。岩溶顶板稳定性分析实质上是采用各种简化 方法进行研究和评价，其一般步骤为：实际洞体一几何模型一力学模型一数学模 型一计算方法一结论。其中力学模型、数学模型和计算方法的研究是核心内容。 近年来在该领域内的研究取得较大进展，对岩溶顶板稳定性的分析评价经历了从 定性方法到半定量方法和定量方法的过程。 1 2 1 1 定性分析方法 岩溶顶板稳定性的定性分析方法主要有工程地质分析法【1 1 1 和经验比拟法【1 2 】 两种。工程地质分析法是在查明建筑场区岩溶发育分布特征的基础上，着重分析 岩溶形态及顶板地质边界条件，并考虑建筑物荷载影响来判断其稳定性。经验比 拟法是根据岩溶顶板地质条件和基底荷载情况，对照条件相似的已有成功与失败 工程实例进行稳定性评价。定性分析适用于可行性研究阶段，对场地环境的区域 稳定性作宏观预测，主要取决于工程设计人员的工作经验。 1 2 1 2 半定量分析方法 岩溶顶板稳定性半定量分析方法多种多样，既需考虑顶板的实际强度和受力 情况又参照已有经验等因素，其主要方法有顶板厚跨比法，荷载传递线交汇法， 估算顶板安全厚度法( 结构力学、散体理论) 等。 皋 j f 耔 端冉溶顶板稳定n 模糊町符竹分析 顶板厚跨比法l l3 】是根据岩溶顶板近似的水平投影跨度和顶部最薄处厚度求 出厚跨比，认为当厚跨比大于某固定值( 如0 5 ) 时项板是安全的，该法适用 于稳定围岩。 荷载传递线交汇法考虑了基底应力在岩石中的扩散，在剖面图上从基础边缘 按竖直线成3 0 4 5 。扩散角向下作应力传递线，当洞体位于该线所确定的应力扩 散范围之外时，可认为洞体不会危及基础的稳定。 估算顶板安全厚度法是根据岩溶顶板岩层工程地质条件对洞穴顶板安全厚 度进行估算。相关手册4j 将溶洞顶板视为梁板( 悬臂梁、简支梁、两端固定梁) 、 塌落拱等，按经验公式估算其安全厚度。赵明华，陈昌富，曹文贵等【l5 】建立了嵌 岩桩桩端持力岩层抗冲切计算模型，在此基础上导出岩溶及采空区桩端持力岩层 安全厚度计算公式。赵明华，蒋冲，曹文贵【i6 】将嵌岩桩下伏溶洞顶板岩层简化为 固支梁，应用尖点突变理论分析此类顶板的失稳破坏条件，提出岩溶区嵌岩桩承 载力及其下伏溶洞顶板安全厚度的计算方法。祝方才，曹平，万丈【1 7 j 根据r e i s s n e r 厚板理论建立了轴对称圆板模型，分别以拉破坏和剪切破坏作为控制条件，提出 了项板安全厚度计算公式。 上述半定量分析方法是对岩溶顶板稳定性影响因素加以概化，采用近似的方 法估算顶极的稳定性。这类方法虽然使用简便，但由于得出的计算结果离散性大， 不能如实反映影响因素的全部，因而计算结果的可靠性受到限制，难以在实际工 程中应用。 1 2 1 3 定量分析方法 数值模拟方法是岩溶顶板稳定性研究中常用的一类定量分析方法，如有限元 方法、数值流形方法。有限元方法基于连续变形假设，将顶板岩体抽象为连续介 质模型，对其进行数值分析。数值流形方法将顶板视为离散系统模型，可以统一 分析连续变形和非连续变形，更接近岩溶顶板岩体的实际情况。 黎斌、范秋雁、秦凤荣【l8 】采用三维线弹性有限元法对岩溶顶板进行受力分析， 并采用g r i m t h 准则检查一些特征点的应力状况来判断其稳定性，还结合多元线 性回归方法求得桩底到溶洞顶部的距离临界值与溶洞大小、单桩设计荷载之间的 关系式。陈尚桥，黄润秋【l9 】采用有限元方法研究了基础与洞室相互作用下的破坏 机制，通过大量数值分析并运用枚举法对影响因素逐步线性回归得出综合预测模 型。张国海，黄经秋，李鸿翔【2 0 l 根据平面弹性力学理论，在双向均匀应力场的作 用下椭圆形孔洞边界上会产生应力集中现象，按椭圆形水平坑道的计算公式求解 溶洞周边的切向应力，以此来判别岩溶顶板稳定性。程晔，赵明华，曹文贵【2 l 】 综合运用强度折减技术、弹塑性有限元和二分法建立了基桩下伏岩溶顶板稳定性 评价方法，该方法不仅能求出溶洞顶板稳定性安全系数，还可获得顶板可能的破 4 坝 ：掌1 移论文 坏面和相应的破坏过程。车平，黄宏伟1 2 2 l 将相似理论应用于岩溶顶板稳定性三维 有限元分析中，通过正交分析得出各影响因素与临界安全厚跨比的相互关系，然 后通过多因素回归分析得出临界安全厚跨比的计算方程。 曹文贵，程哗，赵明华【2 3 】采用数值流形方法处理洞室丌挖模拟问题，并结合 强度折减技术提出了公路路基岩溶顶板稳定性评价方法和顶板安全厚度确定方 法。 采用数值分析方法对岩溶顶板稳定性进行分析，其基本计算结果为变形分 布、应力分布及塑性破坏区的分布、各单元的剪切安全度等，均无法直接反映其 安全程度。由于天然岩体中存在大量节理裂隙等，采用基于连续介质模型的数值 分析方法如有限元方法处理亦存在困难。因此，如何从理论上寻求更合理的分析 方法并实际应用值得深入探讨。 岩溶顶板稳定性评价是一个复杂的系统工程，只有紧密结合岩溶洞穴的详细 工程地质资料，正确分析影响顶板稳定性的实质性因素，才能对附加荷载作用下 的顶板的稳定性做出科学合理的评价。针对不同的岩溶顶板采用多种分析方法进 行稳定性分析，分析结果将更加可信。汪稔，孟庆山，罗强等【2 4 】利用定性分析方 法、结构力学的半定量分析方法和三维有限元定量计算手段，对青溪大桥桥墩所 在位置的岩溶顶板稳定性进行了综合评价。 1 2 2 岩土工程模糊分析方法研究进展 随着科学研究的日益深入，人们对现实对象的不确定性有了更多的认识【2 5 1 。 研究不确定性问题的主要方法有随机理论和模糊集理论。用随机理论求解问题 时，需要知道不确定性参数的概率密度函数，但实际工程中这些函数往往难以确 定，常通过人为方式取舍，随机理论的应用受到限制。近年来发展的模糊数学方 法为解决不确定性问题提供了一种新的途径。 19 6 5 年，美国控制论专家z a d e hla 第一次提出了模糊集合的概念，给出了 模糊概念的定量表示方法【2 引。模糊数学从此诞生。但是z a d e h 的文章一开始并未 引起人们的广泛关注，直到1 9 7 4 年，英国工程师马丹尼把模糊数学成功地应用 在工业控制上，模糊数学才开始受到人们的重视。19 7 8 年，z a d e h 【2 7j 进一步提出 与模糊集理论相辅相成的可能性理论，以说明随机性与模糊性的本质区别，被视 为模糊集理论发展的第二个里程碑。此后，模糊理论在数理、经济、人文、工程 等各个领域得到了广泛应用，发展十分迅速。 在岩土工程中存在着很多模糊性，主要表现在：岩土工程中很多概念存在 模糊性，例如，“稳定”、“安全”、“可靠”的概念都没有明确的界定；很多岩 土材料的本构关系太复杂，不易识别引起的模糊性，在建立结构材料本构模型时， 往往抓住主要关系和矛盾，忽略次要关系和矛盾，建立能用数学方式表达的力与 垠f j l f j f 端井济顶板稳定什饪糊n j 常忡分析 变形的关系，这样计算出来的结果就不可能是绝对精确的；岩土工程中边界条 件及其有关参数的模糊性；岩土及材料参数量测误差引起的模糊性；岩土工 程计算方法不精确引起的模糊性，在岩土工程计算中，往往采用数值方法等近似 方法求解。 为解决以上问题，国内外学者广泛地丌展了模糊数学在岩土工程中应用的研 究，并取得了不少成果： 岩体模糊分类是岩土力学中最早应用模糊数学的领域，取得了大量的研究成 果，我国学者更是做出了突出的贡献。岩体分类的目的是根据工程设计及研究的 需要，对岩体进行综合评价，将岩体分成不同的等级，进而对不同类型岩体的物 理力学性能进行深入研究，为工程提供科学依据。王靖涛【2 引、陶振宇和彭祖赠【2 9 ，3 0 】 最早引入模糊数学理论研究岩石的工程分类。h a m m a hre 和c u r r a njh 1 3 l 】提出 了应用节理距离量测结果分析的k 值模糊聚类法。李文秀【3 2 】在回顾岩体模糊分 类方法的基础上，就岩土工程中参数隶属函数的选取进行了研究，并提出了可行 的分析计算方法。曹文贵，张永杰f 3 3 j 根据地下结构岩体质量影响因素的层次性和 模糊性，建立了岩体质量分类的变权重二级模糊综合评判方法。目前岩体模糊分 类方法的发展较为成熟，具体多采用模糊评判法或模糊聚类法，应用效果良好。 模糊数学在岩土材料参数取值方面也有着广泛的应用。岩块和土的材料参数 可由室内试验确定，但试验结果往往很分散，变化范围很大；对于大范围岩土的 现场试验，测得的结果分散性更大，参数更难确定。采用模糊数学的方法来处理 材料参数的分散性，可以使岩土材料参数的选择较为合理，还可以进一步使用参 数的隶属函数参与工程模糊分析计算。 熊文林，李极生1 3 4 】将信息的随机性和模糊性统一考虑，在岩体力学参数取值 方面提出了随机模糊处理方法。徐卫亚，蒋中明，石安池【35 】通过对岩土样本力学 参数试验值的研究，提出当分析样本统计特征时，应该充分考虑模糊不确定性因 素对参数特征值的影响；在确定参数隶属函数的基础上，推导了岩土样本力学参 数模糊统计特征值的计算公式。 v a l l i a p p a ns 和p h a ntd 【3 6 l 在模糊有限元分析中对岩体物理力学参数的模糊 集构造进行了较深入的研究。田野【37 】考虑影响选择岩石力学参数的各种模糊因 素，对三峡岩体结构面、混凝土与基岩抗剪强度及岩体变形模量等力学参数进行 了模糊选择。李云鹏【38 1 利用最基本的地质勘探及试验资料，对围岩进行模糊综合 评判分类，然后以模糊评价结果集中的隶属度值作为权，取加权平均值来确定围 岩力学计算参数值。李华晔，黄志全，刘汉东【39 】结合小浪底工程抗剪试验资料讨 论了岩体强度参数的随机模糊方法取值问题。曹文贵，张永杰【4o j 考虑岩石抗剪强 度参数取值中的不确定性，建立了基于非对称三角模糊数的岩石抗剪强度参数确 定方法。 6 坝f 。学位论义 岩溶顶板稳定性评价是岩土工程研究的热点之一。岩溶洞穴的形成条件和过 程极其复杂，且溶洞深埋于地下，其形态和分布勘探起来比较困难，人们对其认 识存在一定的随机性、模糊性和未确知性，洞穴顶板的厚度、跨度及形态、岩石 的性质、岩层产状、节理、裂隙状况等无法准确确定和描述。因此，相关学者【4 卜4 3 】 将模糊数学方法引入岩溶顶板稳定性评价中，研究方法有模糊综合评判法、模糊 多层次多属性决策方法及考虑参数模糊性的模糊极限平衡分析法。模糊数学方法 为岩溶顶板稳定性分析在多因素、多变量、多层次下的综合评价提供了一种比较 有效的手段。其不足之处在于：隶属函数的确定和因素权重的分配均含有相当多 的主观因素。如何从有限的工程地质资料中，得出合理的隶属函数与权重分配， 对模糊数学理论在岩溶顶板稳定性分析中的应用起十分关键的作用。 1 2 3 可靠性分析方法研究进展 上世纪4 0 年代，在产品的安全分析和设计中首先引入了可靠性概念，对产 品可靠性的重视，产生了巨大的经济效益和社会效益。之后，可靠性分析逐渐应 用于航空航天、土木工程、电子、机械、通讯等领域。 可靠性是指结构在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。岩土工 程可靠性分析是研究岩土体在各种因素作用下的安全问题。岩土工程可靠性的分 析和计算可以分为两个方面：一是确定失效模式，给出岩土体的极限状态方程， 这是可靠性研究的基础；二是由岩土体的极限状态方程及所含随机、模糊变量的 分布特征来计算其失效概率，这是可靠性研究的目的。 可靠性问题的提出源于工程中大量不确定因素的存在。人们首先认识到随机 性是一种不确定因素，考虑这种不确定因素的安全分析模型可称之为随机可靠性 模型，相应的可靠性分析方法称之为随机可靠性分析方法。随着认识水平的提高， 人们发现随机性并不能囊括所有的不确定因素，模糊性也是一种不确定因素，且 是一种强不确定因素。考虑模糊不确定因素的安全分析模型称为模糊可靠性模 型。自然界中的不确定性除了随机性、模糊性外，还有一种未确知性，这种未确 知性可用集合来描述。用集合来描述数据信息较少的不确定因素，建立非概率响 应模型，从而得到结构的不确定变化范围，将变化范围和要求的变化范围作比较， 进而得到安全程度的度量指标，这就是非概率可靠性模型。 可靠性分析的3 种模型中，随机可靠性和模糊可靠性方法都是以概率为基础 的，二者都需要较多的数据信息来统计随机变量的概率密度函数和模糊变量的隶 属函数。当数据信息比较匮乏时，在分布函数的确定、失效概率可接受水平的解 释和失效概率计算的结果上可能出现较大的偏差。这表明概率可靠性方法在工程 中的应用存在着难以克服的局限性，工程人员迫切需要一种非概率可靠性模型和 分析方法。 7 巷口f f j l 端? 溶顶板稳定忡模糊口j 符i r f 分忻 19 9 4 年，以色列学者b e n h a i m l 4 4j 首次提出了基于凸集模型的非概率可靠性 的概念和一种可能的度量方法，并在此基础上系统地建立了稳健可靠性的概念及 理论体系，认为若系统能容许较大的不确定性而不失效，或系统对不确定参量具 有一定的稳健性，则系统是可靠的；否则，若系统只能容许很小的不确定波动， 则系统是不可靠的。1 9 9 5 年，e l i s h a k o 讲4 5 j 基于区间理论提出了另一种非概率可 靠性的分析及度量方法，认为非概率可靠性同不定参量一样，属于某一区问，提 出的可靠性指标是一区间而非一具体量值。区间的边界可根据传统的安全因子法 进行区间运算而求得。此后，非概率的凸集模型和区间模型可靠性方法成功地应 用于不确定结构的数值分析和优化设计m6 ，显示了其良好的应用前景。郭书祥， 吕震宙，冯元生【47 j 根据对结构不确定参数的区间分析，提出了一种新的非概率可 靠性度量体系和分析方法。，在此基础上，郭书祥和吕震宙【48 j 提出了结构体系的非 概率可靠性分析方法，以进一步完善结构的非概率可靠性理论，使其可用于含多 个可能失效模式的复杂结构系统的可靠性计算。 在非概率可靠性概念中完全没有用到概率，这种概念的提出克服了概率模型 无法避免的局限性。非概率模型作为概率模型的有益补充，将使得可靠性分析更 加合理。非概率可靠性方法也更加符合工程实际，具有较强的实用性和适用性。 1 2 4 岩溶地区桩基础研究现状 在岩溶发育地区建设重要的工程，由于对上部建筑物或构筑物的承载力和变 形要求较高，采用填堵或强夯等简单的地基处理方法往往达不到设计要求，需要 以地基深层坚实岩土层作为地基持力层。采用桩基础等深基础形式是很好的解决 方法。 桩基础是由设置于岩土中的桩和与桩顶联结的承台组成的基础，或是由柱与 桩直接联结的单桩基础。基桩是指桩基础中的单桩。在岩溶洞穴的影响范围内， 基桩的承载性状对整个结构的稳定起到关键的作用。因此，在岩溶地区进行工程 建设，了解基桩的特性是非常必要的。 岩溶地区桩基础设计理论与施工方法的研究是桩基技术的一个特殊问题，也 是当前桩基技术研究的热点之一【4 9 1 。但从已有文献来看，岩溶地区桩基的设计理 论、施工方法、检测方法研究还未形成一个较完整独立的体系。有关岩溶地区桩 基础稳定性的研究，基本可分为3 个方面，一是工程建设中岩溶塌陷预测和桩基 础设计理论；二是岩溶地区桩基础物理试验及相关研究；三是岩溶地区嵌岩桩基 的承载性状和稳定性研究。 我国建筑桩基技术规范j g j 9 4 2 0 0 8 1 5 0 】规定岩溶地区桩基础设计应符合下列 原则：岩溶地区的桩基，宜采用钻、冲孔桩；当单桩荷载较大，岩层埋深较 浅时，宜采用嵌岩桩；当基岩面起伏很大且埋深较大时，宜采用摩擦型灌注桩。 8 坝l 掌伊论文 g a r l a n g e rje 【5 1j 介绍了岩溶塌陷地区的工程地质调查方法，并提出了这类场 地的基础设计原则与方法。陈明晓【5 2 l 通过对岩溶覆盖层塌陷原因的分析，采用半 定量的预测方法对几个桥基下溶洞塌陷风险进行了预测。q u b a i nbs ，s e k s i n s k y ej 和l ij 1 53 】通过工程实例介绍了复杂岩溶地形下桥梁桩基设计时应注意的问 题，设计时将岩溶地形分为3 种类型，带空洞和漂石的：无空洞陡峭的；巨穴型 的，然后针对不同的地基类型提出了不同的设计方法。李伟，林春秀1 5 4 j 根据设计 施工经验总结了岩溶地区市政桥梁工程桩基础的设计原则。 郑伟【55 j 提出，人工挖孔桩桩底存在溶洞时，若溶洞上部岩层较厚，大于3 倍桩径或5 m ，并且基岩比较完整，如果能取得溶洞参数时，可将洞体顶板视为 结构承重体系进行结构力学分析，如果其抗弯和抗剪强度足够，则可把桩直接做 在有溶洞的基岩上。甘展孜【56 1 对广东某9 层框剪结构的人工挖孔桩，采用混凝土 结构的抗冲切、抗剪、抗弯公式进行溶洞顶板厚度验算，认为桩径1 2 m ，荷载 3 2 0 0 k n ，石狄岩单轴饱和抗压强度大于1 0 0 m p a ，岩心采取率8 0 以上的基岩， 厚度1 2 m 即可满足承载力要求。 此外，大量的岩溶地区桩基础施工经验对设计桩型选择、桩位向置具有指导 意义。在岩溶地区，桩顶荷载较小或桩身较浅时，可采用挤土桩和预制桩。但是 岩溶地区基岩表面起伏不平，采用挤土桩容易产生偏斜，对于预制桩则很难估计 桩的实际长度。因此采用挤土桩和预制桩的情况极少，而采用钻、挖孔桩则比较 灵活，适应性强。 振动冲击沉管桩采用不排土成孔，对桩周土有挤密作用，机械化程度高，施 工速度快，造价低，在岩溶地区可根据地质情况来选用，在岩溶、石笋、裂隙发 育的地区般不宜采用，在粘土、砂类土、淤泥等地层可采用。 冲抓桩在岩溶地区有着广泛的应用。冲抓桩是采用机械成孔的一种挖孔桩， 主要适用于松软土层，在裂隙发育的硬质岩层、砾卵石层亦广泛应用。 锚固技术也是一种常在岩溶地区使用的岩土工程技术，可承受土压力、水压 力、风力等所施加于建筑物的水平推力，并利用地基土的锚固力以维持建筑物的 稳定。 当桩基范围内充填有沉积软土和砂土时，可利用高压旋喷桩将上层建筑物荷 载传至溶洞底板。同时可采用高压旋喷桩与挖孔桩相结合的方法进行岩溶地区桩 基施工。在地下水很丰富的情况下，先用高压旋喷桩形成止水帷幕，然后再制作 挖孔桩，这样的施工方案在比较复杂的地层中常采用。 在岩溶地区桩基性能的试验研究方面，已有许多学者作出大量的工作，取得 了不少有益的成果，但试验方法和结果的分析处理有待进一步提高。刘铁雄【5 7 j 和彭振斌【58 】根据试桩静载荷试验资料，研究了岩溶地区大直径灌注桩的承载特 性，并通过模型试验模拟桩基与岩溶顶板的作用特性，分析得出了岩溶顶板和桩 9 联口f 口f 端村浴顶扳稳定干， ：授糊nj 带忡分千斤 基竖向极限承载力的半经验半理论公式。蔡登山，王邦楣1 59 j 根据工艺性现场试验， 结合有限元分析对岩溶地段钻孔灌注桩的承载能力、嵌岩深度及顶板厚度进行了 研究。黄生根，梅世龙，龚维明【6 0 】采用自平衡测试法对岩溶地区大直径人工挖孔 灌注桩进行静载荷试验，根据应力测试结果研究桩的荷载传递特性，并用双曲线 模型拟合摩阻力与相对位移之间的关系，分析结果表明，岩溶对桩承载特性的影 响主要表现为对整个桩身侧摩阻力的影响，对上段桩主要影响其临界位移，对下 段桩的临界位移和极限摩阻力皆有影响。李之达，李耘宇，胡晓敏等【6 1 1 通过静载 试验获得了厚冲积覆盖层岩溶地区钻孔灌注桩桩侧摩阻力和端阻力的分布，并结 合力学和有限单元分析，对岩溶地段钻孔灌注桩的持力层顶板厚度和嵌岩深度进 行优化设计。 嵌岩桩由于单桩承载力高、沉降量小、桩端持力层稳定、能充分发挥桩身强 度且无群桩效应、抗震性能好、施工周期短等优点，在岩溶地区工程建设中得到 广泛的应用1 6 引。嵌岩桩属于非挤土桩，一般采用机械钻孔或人工挖孔方法成孔， 将桩的端部嵌入基岩内一定深度。嵌岩灌注桩在我国已有4 0 多