（地质工程专业论文）岩溶顶板与桩基作用机理分析与模拟试验研究.pdf

p 1 睁s 0 1 8 j j 摘要 。 f 我国岩溶发育地区分布很广，并且近一些年来国家正在加大基础设施的 建趴在工民建、修路、建桥等工程建设之中，经常会遇到复杂岩溶地层， 这就给工程施工带来一系列的问题。在岩溶发育地区，灌注桩基的应用越来 越广泛，如何选择合适的桩型、桩端持力层以及如何确定嵌岩桩的最佳嵌岩 深度与岩溶顶板安全厚度，在工程实践中具有重要的理论意义和现实意义y 本文在参考大量的国内外文献资料的基础上，对岩溶地区嵌岩桩的研究 现状进行归纳和总结。在岩溶发育地区，岩溶顶板的安全厚度以及嵌岩深度 的取值，决定着岩溶地区嵌岩桩的设计、施工方法以及工程造价。因此，进 行岩溶地区桩基与岩溶顶板作用机理分析和模拟试验研究是当务之急。本文 在此方面取得了一定的成果。 首先对岩溶地区的狄岩岩性特征进行了综合分析，并对溶洞洞跨与空间 几何形态分布规律进行统计，得出了溶洞洞跨与个数分布直方图。并讨论了 多个工程实例中，岩溶顶板安全厚度和嵌岩深度的取值。 针对所研究的岩溶顶板与桩基作用系统，对岩溶顶板进行_ 了合理的简 化，并提出相应的假设，再根据溶洞顶板的状态以及边界条件，将桩基与溶 洞项板作用系统简化为边界条件和受力状况不同的十个力学模型。应用弹性 力学和材料力学的理论，对简化后的桩基与溶洞顶板作用系统的十个力学模 型进行了逐一的分析和讨论，并得出了相应的应力及应变表达式。同时讨论 了泊松比对计算结果的影响。 综合讨论了嵌岩桩在竖向荷载作用下的承载力标准值的计算公式，并对 岩溶发育地区的嵌岩桩竖向承载力特性进行分析和简化，将岩溶地区的嵌岩 桩模型简化设计为短桩形式的端承桩。在假定溶洞顶板为一完整的平板状的 岩体情况下，分别对基桩的抗冲切、抗剪及抗弯情况作出稳定性分析，认为 岩俸的抗弯强度是决定岩溶地区桩基稳定性的主要因素。 f 结合岩溶地区桩基与岩溶顶板的作用机理分析，运用相似理论，提出了 建立室内桩基物理模型的试验方案，自主设计并研制了岩溶顶板与桩基模拟 试验物理模型，同时结合模型编制了相应的自动测试系统软件。通过试验证 明，该物理模型能满足试验要求，自动测试系统能正常地运行，所测参数的 精度跟理论计算值吻合良好，证明自动测试系统的可靠性。 在岩性模拟试验阶段，根据现场灰岩的岩体特性以及相应的强度指标， 结合相似理论，利用有约束的均匀设计法，选用细砂作为骨料和以水泥、石 膏为胶结材料进行灰岩岩性的模拟试验，试验结果证明能基本满足相似条 件，可用于制作岩溶顶板模拟试件。 采用不同的试验方案，通过对大量破坏性模拟试验结果的综合分析，提 出了岩溶顶板安全厚度验算方法，得出岩溶顶板和桩基竖向极限荷载的半经 验半理论公式如下： 一等+ 鬻刊 其中修正系数l 取0 8 1 3 。i r v 通过嵌岩桩模拟嵌岩深度的试验，给出了岩溶地区嵌岩灌注桩嵌岩深度 建议值。在岩溶发育地区，嵌岩深度的选取应综合考虑侧摩阻力和顶板结构 内力，一般岩溶地区，当岩面较为平整且上覆土层较厚时，嵌岩深度宜采用 o2 d 或不小于o 2 m 。 、7 、。kx 、 关键词：岩溶，嵌岩桩，桩基，岩溶顶板，安全厚度，嵌岩深度，竖向荷载， 相似理论，模拟试验，模拟材料，均匀设计法 +vkx a b s t r a c t k a r s ta r e ai sw i d e l yi no u rc o u n t r y a 1 1k i n d so fk a r s tc o n d i t i o na l w a y sb e c o m ea c r o s sa so u rc o u n t r y sf u n d a m e n t a lc o n s t r u c t i o ni s g r e a t l yd e v e l o p e d w h i c hb r i n gas e r i e so fp r o b l e m si nt h eb u i l d i n gc o n s t r u c t i o n c a s ti n s i t up i l e f o u n d a t i o ni sm o r ep o p u l a ri nk a r s ta r e a h o wt oc h o o s es u i t a b l ep i l ep a t t e r n a n dl o a d i n gl a y so fp i l e t i p ，h o wt od e t e r m i n et h eb e s ts o c k e t e dd e p t ha n dr o o f s a f e t yt h i c k n e s s ，w o u l dp r o d u c ei m p o r t a n t t h e o r e mm e a n i n ga n de c o n o m i c v a l u e b a s e do nal o to fi n t e r n a t i o n a la n do u rc o u n t r y sp a p e r s r e s e a r c hl e v e lo f s o c k e t e d r o c kp i l e si nk a r s ta r e ah a sb e e np r o p o s e da n dd i s c u s s e d t h es o c k e t e d d e p t h a n dr o o f s a f e t y t h i c k n e s sd e t e r m i n et h ec o s to f e n g i n e e r i n g p r o j e c t s ，d e s i g nm e t h o da n dc o n s t r u c t i o no fs o c k e t e d - r o c kp i l e s s t u d y i n gt h e m e c h a n i s mo fp i l ea n dc a v i t yr o o fa n dd o i n gs i m u l a t e dt e s tb e c o m et h em o s t i m p o r t a n tt h i n gw h i c hw es h o u l dt o d o i nt h i s p a p e r a ne x t e n s i v es t u d yi s c a r r i e do u ta n dt h er e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h ep a p e rs y n t h e t i c a l l ya n a l y s e st h el i m e s t o n ep r o p e r t i e si nk a r s t a r e a ，m a k eas t a t i s t i c sf o rt h er o o fw i d t ha n ds p a c ed i s t r i b u t i o nl a w s d r a wt h e d i s t r i b u t i o ns c h e m eo fc a v i t i e s ，a l s od i s c u s st h e s o c k e t e d d e p t h a n dr o o fs a f e t y t h i c k n e s si nm a n ye n g i n e e r i n gp r o j e c t s m a n yr e a s o n a b l eh y p o t h e s i z e sh a v eb e e np r o p o s e d ，t h ec a v i t yr o o fh a s b e e ns i m p l i f i e d ，t h es y s t e mo fp i l e sa n dc a v i t yr o o fc a nb es i m p l i f i e df o rt e n m e c h a n i c sm o d e l sa c c o r d i n gt ot h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dm e c h a n i c a ls t a t i o n t h et e nm o d e l sh a v eb e e nd i s c u s s e da n da n a l y z e dr e s p e c t i v e l y ，t h es t r e s sa n d s t r a i nf o r m u l ah a sb e e nd e d u c e d a tt h es a m et i m e t h ei n f l u e n c eo fp o i s s o n s r a t i oa l s oi sd i s c u s s e d w i t ht h ev e r t i c a ll o a d i n g t h ef o r m u l ao f l o a d i n gc a p a c i t yo fs o c k e t e d r o c k p i l e s h a sb e e nt a l k e do v e rs y n t h e t i c a l l y t h em o d e lo fs o c k e t e d r o c kp i l e sc a n b es i m p l i f i e dt oa no n l y - t i pl o a d i n gp i l e t a k i n gt h er o o fa saw h o l ep l a t e ，t h e r o c k sa n t i b e n ds t r e n g t hi st h ek e yf a c t o rw h i c hd e t e r m i n et h es t a b l e n e s so f p i l e f o u n d a t i o n a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s e so ft h em e c h a n i s mo fp i l ea n dc a v i t y r o o f , w e d e s i g na n dm a k et h et e s tm o d e lo fp i l ef o u n d a t i o nb yu s i n gt h es i m i l a rt h e o r y ， a l s ow o r ko u tt h ea u t o m e a s u r es y s t e m t h r o u g ha1 0 to ft e s t s t h em o d e la n d s y s t e mc a nr e a c ho u rp u r p o s e t h ec h o i c eo fs i m i l a rm a t e r i a li st h ek e yp r o b l e mi nt h es i m u l a t e dm o d e lt e s t w i t ht h eu n i f o r m d e s i g nm e t h o d s ，w ec h o o s et h em i x t u r eo f c e m e n tw i t hg y p s u m a n ds a n dt os i m u l a t et h el i m e s t o n ep r o p e r t i e s a c c o r d i n gt ot h es i m i l a rt h e o r y t h i sk i n do fm i x t u r ei sv e r i f i e dt ob eg o o d a c c o r d i n g t ot h et e s tr e s u l ta n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h ep a p e rh a s p r o p o s e dt h ea p p r o a c ht oe x a m i n et h es a f e t yr o o ft h i c k n e s s ，h a l f - t h e o r ya n d h a l f - e x d e r i e n c ef o r m u l aa s s o c i a t e dw i t hv e r t i c a ll o a d i n gi sp r o p o s e da sf o l l o w ： 。= 等+ 警= 善陋，】o s n ， i nk a r s ta r e a ，t h es o c k e t e dd e p t hs e e m sd i f f i c u l tt od e t e r m i n e ，c o n s i d e r i n g s y n t h e t i c a l l yt h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e p i l e s k i nf r i c t i o nr e s i s t a n c ea n dt h e b e d r o c ki n t e r n a lc o h e s i o na n dt h ei n f l u e n c e so nl o a d i n gc a p a c i t yo fp i l e ，t h e m i n es o c k e t e dl e n g t hi s s u g g e s t e do 2p i l ed i a m e t e r so ra t l e a s to 2 mw h e nt h e r o c ks u r f a c ei sl e v e la n dt h eu p p e rs o i li st h i c kr e l a t i v e l y k e yw o r d s ：k a r s t ，s o c k e t e d - r o c k t h i c k n e s s ，s o c k e t e d p i l e s ，p i l ef o u n d a t i o n ，k a r s tr o o f , s a f e t y d e p t h ，v e r t i c a ll o a d i n g ，s i m i l a rt h e o r y ， s i m u l a t e dt e s t ，s i m i l a r m a t e r i a l ，u n i f o r md e s i g nm e t h o d 中南人学博i 论文：岩溶顶板桩幕作用机理分析j 模拟试验研究i 绪论 1 1 研究目的及意义 绪论 随着社会的不断发展，工程建设范围的不断拓展，经常会遇到各种各样的工 程地质条件。由于地质条件的复杂性和不确定性，人们对于各种建筑物或构筑物 的基础f 1 趋关注。而岩溶地质作为一种在我国分布较广，并且危害较大的工程地 质条件，也经常在不同的工程建设中遇见【12 3 。在岩溶发育地区最常见的地质灾 害便是岩溶塌陷。岩溶塌陷导致道路和建筑物破坏、农田毁坏、水库渗漏、大量 水溃入矿坑或隧道，以及使一些供水水源受到不同程度的污染，迫使人们更加重 视保护岩溶地质环境，加强岩溶塌陷问题的预防、治理与研究。 特别是在岩溶地区高等级公路修筑和使用过程中，在路基主要受力范围内， 受到上部附加荷载以及振动的作用，可能导致溶洞或者土洞坍塌，引起地层的变 形，使得路基突然下沉，对公路产生很不利的影响。目前在岩溶地区修建公路桥 梁时，由于其特殊的地质条件，多采用桩基础进行处理。例如：湖南省境内的宁 横公路为18 1 0 线的起始段，全长4 0 4 1 6 公里，总投资3 0 5 0 0 力元，于1 9 9 9 年4 月1 5 同全线开工。自开工以来，在宁横公路第三、四标段相继发现了溶渝，并且 范围广、数量与规模较大。大成桥高架桥位于宁横二级公路三标段，该处原设计 为填筑路堤，但在施工期间特别是雨季地表严重塌陷，后经钻探发现为岩溶发育 地区。通过专家论证，设计了高架桥跨越的处理方案，其基础采用桩基处理。 在施工桩基时，公路桥梁规范要求嵌岩灌注桩的嵌岩深度不小于1 - 1 5 米， 嵌岩后下伏完整基岩的厚度不小于5 米。由于该地段的溶洞属于密集型溶洞，溶 洞的大小不一。溶洞由地表往下呈纵向链珠型发展，往往一个勘探孔穿透多层溶 洞，例如其中一根桩穿过的溶洞数竟达1 7 个。所有桥基最后均采用人工挖孑l 桩， 由于设计要求桩基嵌岩后下伏完整基岩的顶板厚度不小于5 米，致使其中一个人 工挖孔桩深达7 0 8 米才达到设计要求。正是由于这根桩造成施工周期长、成本高 等实际问题。而在施工完成后，通过对其中2 根试桩进行静载试验发现桩端所分 担的承载力极小，这就给我们提出了一个现实的工程问题，究竟有没有必要一定 要求下伏完整基岩的顶板厚度大于5 米以及是否可以适当地减少嵌岩深度。如果 在保证工程质量的基础上，适当地减少嵌岩深度以及岩溶顶板厚度，这无疑将给 现场设计和施工带来巨大的经济效益和社会效益。因此对岩溶地区岩溶顶板与嵌 岩桩桩基的作用机理进行分析和探讨具有重大的现实意义和实际应用价值。 目前国内外对于嵌岩灌注桩的研究工作大都停留在研究桩本身的承载力方 面，以及桩与桩周土的作用机理方面【4 5 “卅，很少有人在室内进行大型模拟试验， 特别是对于岩溶发育地区的嵌岩灌注桩进行系统研究工作的并不多，嵌岩桩所嵌 岩的岩体特性对嵌岩桩工作特性影响的研究国内外报道也极少。国内曾经有过研 究者利用离一t 5 模型研究桩的承载特性 8 1 9 “。但是考虑到离心模拟机的结构复杂 中南人学博i 论文：岩溶顶板0 桩基作用机理分析1 j 模拟试验研究1 绪论 及其造价很高等不利因素，另外离心模拟技术主要是对模拟以自重为主要荷载的 岩土结构物的性状特别有效。在详细分析岩溶顶板和桩基作用机理的基础上， 如果能合理的设计一种非离心式的物理模型，无疑为以后的工作即在桩的相关试 验方面提供了一条简单、可靠和成本较低的捷径，同时为桩的模拟试验提供了开 阔的前景，也为现场应用提供了有效的理论依据。 1 2 国内外岩溶地区桩基研究现状 1 2 1 嵌岩灌注桩的概念 在岩溶发育地区建设重要的工程，由于对上部建筑物( 构筑物) 或桥梁的承 载力要求较高，采用一般的填堵或强夯等简单的方法往往只能消除浅部的土洞， 对承载力的提高幅度不大。因此，常采用嵌岩灌注桩基础，即将桩基置于较稳定 的基岩上，并嵌入一定的深度，以满足承载力的要求。嵌岩桩以基岩作为持力层， 具有以下几个方面的特点：承载力高；单桩沉降量小，且无群桩效应；能 充分发挥桩身强度；抗震性能较好：施工周期短，不受气候影响等”、”“1 。 嵌岩灌注桩应用于桥梁基础，在我国已有4 0 多年的历史。嵌岩桩作为一种 特定的桩基类型在我国，从九十年代开始得到了广泛的应用和研究，嵌岩桩特性 的理论研究和嵌岩桩的工程应用国内外均有大量的报道【1 51 6 、 1 8 】。然而，嵌岩 桩理论研究仍然还有许多问题有待进一步的探讨。嵌岩桩的承载性状是近年来国 内外工程界