桩基荷载下岩溶地层溶洞洞周围岩地震动力稳定性研究

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我国位于环太平洋和亚欧两大地震带之间且岩溶地质分布广泛,岩溶区和地震区存在大面积的重叠,桩基础因其适用性强、效果好等优势,被广泛运用于重叠区域的工程建设。同时由于勘察手段有限以及处理成本高,桩基础无法保证全部穿越溶洞作用在完整岩体,存在桩基下伏溶洞的情况。桩基荷载作用下的溶洞遭遇地震时,溶洞洞周围岩可能失稳,出现贯穿破坏面,严重影响桩基础性能和上部结构安全。因此,开展桩基荷载和地震荷载作用下的溶洞洞周围岩动力稳定性研究具有重要意义。本文采用理论分析和数值模拟的方法,主要研究内容和成果如下:(1)基于复变函数理论和弹性波动力学理论,建立桩基荷载和地震荷载作用下的溶洞稳定性分析模型,将问题分解成重力、桩基荷载和地震荷载作用下的三部分围岩应力解析;设计程序求解结果,并将结果叠加得到桩基荷载和地震荷载作用下的溶洞洞周围岩应力解,引入Griffith强度准则对溶洞稳定性进行评价。采用本方法和数值模拟方法开展了对工程实例和模型试验的对照分析,对比结果验证了本方法的正确性。(2)基于有限元分析方法,建立桩基础-单溶洞-岩土层分析模型,开展了溶洞半径、顶板厚度、桩基直径、桩基荷载和地震波加速度幅值对溶洞洞周围岩稳定性影响的研究。结果表明,洞周最大压应力出现位置基本为两侧,最大拉应力出现位置基本为顶部,当地震波加速度幅值较大(超过0.4g)时主应力最值位置可能改变;溶洞半径、桩基直径、桩基荷载和地震波加速度幅值的增大不利于溶洞的稳定,顶板厚度的增大有利于溶洞的稳定;存在溶洞半径临界值(1.5倍桩径)和桩基荷载临界值(5.5MPa),超过临界值后,溶洞洞周围岩应力的随溶洞半径和桩基荷载的变化趋势发生改变。(3)基于有限元分析方法,建立桩基础-串珠状溶洞-岩土层分析模型,开展了下部溶洞半径、溶洞间竖向距离和下部溶洞偏离中心距离对溶洞洞周围岩稳定性影响的研究。研究结果表明,存在下部溶洞半径临界值(1.5倍上部溶洞半径),在临界值之前随着下部溶洞半径的增大,桩基-串珠状溶洞-岩土层是趋于稳定安全的,稳定状态变化趋势在超过临界值后发生转变。随着溶洞间竖向距离和下部溶洞偏离中心距离的增大,整个桩基-串珠状溶洞-岩土层的是趋于失稳危险的,但存在变化临界值,超过临界值后,桩基-串珠状溶洞-岩土层接近转变为单溶洞体系,此时两因素改变产生的影响较小。
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