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综合论述工程实践中常用的岩溶地基稳定性分析评价方法

日期:2017-4-24作者:无忧论文网编辑:wangli点击次数:59
销售价格:免费论文论文编号:lw201011190927214611论文字数:3265 
论文属性:职称论文论文地区:中国论文语种:中文 

摘 要:根据影响溶洞和土洞顶板稳定性的多种的因素,综合论述了工程实践中常用的岩溶地基稳定性分析评价方法及其适用范围。

岩溶洞、隙、沟、槽等岩溶地貌和岩溶的特殊形态(土洞)都是岩溶范畴内的不良地质现象,由其所构成的岩溶地基常常引起地基承载力不足、不均匀沉降、地基滑动和塌陷等地基变形破坏。因此,随着越来越多的工程兴建在岩溶地区,岩溶地基稳定问题就成为工程建设中的突出问题。岩溶地基处理不好,就会造成公路铁路断道、桥涵下沉开裂、建筑物损坏、水库渗漏,影响生产,危及人民生命财产安全。故加强岩溶地基稳定性分析评价,采用合理、经济的地基处理措施,有着重大的技术价值和经济意义。影响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http://www.51lunwen.com/EngineerPMP/ 况及洞内充填情况;外因有荷载大小、作用次数和时间、温度、湿度等。岩溶空洞实质上是一种自然水动力开挖的隧道,故可将其视为隧道模型,采用各种简化方法进行研究和评价。故岩溶空洞稳定性分析评价过程的一般步骤为:实际洞体→几何模型→力学模型→数学模型→计算方法→结论。其核心内容是力学模型、数学模型及计算方法的研究。近年来在该领域内的研究取得较大进展,对岩溶空洞地基稳定性的分析评价经历了从定性→半定量→定量的过程。


1 定性评价法定性评价法适用于初勘阶段选择场地及一般工地基稳定性分析评价,包括综合分析法、经验比拟法。1)综合分析法。该法可根据洞隙各项边界条件,对比所列影响洞体的诸因素进行综合分析并作出评价.2)经验比拟法。该方法根据评价对象洞隙条件,与条件相似的已有成功或失败工程实例进行类比评价。

2 半定量评价方法目前已有一些对洞体稳定性分析评价的定量方法,但是由于洞体受力状况、围岩应力场的演变十分复杂,要确定洞体破坏形式和取得符合实际的岩体力学参数又很困难,加之受到探测手段的局限,很难查清洞体与围岩的边界条件与性能指标。因此,定量评价方法的应用在工程实践中受到很大限制,而半定量的评价方法较为实用,并且目前也在不断的探索提高。
2.1 顶板厚跨比法[3]该法常用于稳定围岩。根据近似的水平投影跨度L和顶部最薄处厚度h,求出厚跨比h/L,作为安全厚度评价依据,不考虑顶板形态、荷载大小和性质。因水平洞顶比拱形差,故取近似水平状态的h/L作为估算安全厚度的最小比值,由经验知h/L≥0.5是安全的,一般可取h/L≥1.0作为安全界限。
2.2 估算顶板安全厚度法对稳定围岩,将溶洞围岩视为结构自承重体系,据洞体形态、完整程度、裂隙情况进行内力分析,所得h再加适当安全系数,即为顶板安全厚度。
2.2.1 结构力学近似分析法1)按梁板抗弯估算安全厚度[1,4]结合顶板厚跨比值,抗弯厚度的估算可采用梁板拱的简化计算模型。当厚跨比h/L<0.5、弯矩为主要控制条件时,设溶洞宽度为L,顶板总荷载(自重和附加荷载)为q,梁板宽度(路基或桥基)为b,据抗弯验算:6Mbh2≤[σ] h≥6Mb[σ],其中M =α·q·L2式中[σ]为岩体允许抗弯强度,灰岩一般为其抗压强度的1/8,见表2;α为系数,当顶板有裂缝,两端支座处岩石完整时,按两个悬臂梁计算,α取值为1/2;当顶板一支座处有裂缝,而顶板其它地方完整,按简支梁计算,α取值为1/8;当顶板岩层完整时,按两臂固定梁计算,α取值为1/12。当厚跨比h/L>0.5,按拱计算,可近似为圆拱。在内力分析后根据岩石力学指数进行应力验算进行计算。2)按梁板抗剪估算安全厚度当洞顶板完整、岩层较厚、强度较高,但洞跨较小、剪力为主要控制因素时,采用这种估算法。设路基或桥基范围内溶洞顶板总荷载(自重和附加荷载)为q,该范围内顶板抗剪力为T,据极限平衡条件:q-T =0,T =τ·h·L,则h = q/τ·L式中τ为岩体允许抗剪强度的1/12;L为溶洞的平面周长。
2.2.2 散体理论分析法借助于隧道工程设计中采用的松散介质力学平衡理论,结合地质条件,简化引用。1)坍塌填塞法[4,5]适用于顶板严重风化,裂隙发育,有可能坍塌的溶洞、土洞。该方法认为洞顶坍塌后,塌落体体积增大,当坍落到一定高度时,洞体自行填满,无需考虑其对地基的影响,塌落高度再加适当的安全系数,便为顶板安全厚度。设溶洞体积为V0,高为H0,坍塌体积为V,高为h,岩石碎胀系数为K(石灰岩一般取1.2),由假定得:V·K= V0+ V,则V= V0/(K-1)若溶洞断面接近矩形和锥形,则计算式分别简化为:h = H0/(K-1)和h =3H0/(K-1)  蒋继昭[6]对塌塞法进行了改进后,用下式计算溶洞顶板安全厚度h:h =λ·α(H0+β·M)/(K-1)式中h为溶洞稳定时所需顶板厚度,m;H0为溶洞无充填物洞段高度,m;β为洞内充填物修正系数;K为岩石碎胀(松散)系数,一般取K=1.2;M为溶洞充填物厚度,m;λ为洞形修正系数,为安全计可取λ=1;α为顶板岩石风化完整性修正系数,一般取α=0.3。

当溶洞顶板厚度大于h时,溶洞稳定,反之则不稳定。2)经验公式法[7]松散层坍塌形成空洞,引起围岩强度降低,围岩应力重分布及空洞应力释放,形成松弛带,具有平衡拱作用。据大量隧道塌方统计,经验公式为h =0.45·W×26-S式中h为垂直荷载计算高度,m;W为空洞宽度影响系数;S为围岩类别。3)坍塌平衡法[6]据坍塌体平衡条件可以导出下面公式:h = B/(2ξ·tgθ)式中h为洞顶以上维持坍塌体平衡的最小稳定厚度,m;B为空洞宽度, m;ξ为侧压力系数,ξ=g2(45°-/2);为松散体的内摩擦角,(°);θ为滑移面的摩擦角,θ<。所求厚度h加上荷载作用高度,即为顶板的安全厚度。胡宗汉[8]在考虑松散体的粘聚力并忽略地表水渗流的动水压力和旋吸作用情况下,也利用坍塌体平衡条件导出相似的维持坍塌体平衡的最小厚度公式:h = (γ·R-2C)/2γ·ξ·tg式中h为维持坍塌体平衡的最小稳定厚度,m;γ为松散体的容重,kN/m3;为松散体的内摩擦角,(°);R为坍塌体半径,m;ξ为侧压力系数,ξ=tg2(45°-/2);C为松散体的粘聚力,kPa。2.2.3 试验测试法[1]1)电阻应变片测试法对已查明的浅层洞体,为验证在外荷载下洞顶板岩体的应力状态或已知裂隙面的变形情况,可在洞顶施加载荷,沿纵横洞轴方向贴设电阻应变片及布置挠度量测,在加荷过程中追踪测量。根据测得的最大应力与岩体抗剪强度对比,若后者大于前者的5~10倍,则认为岩溶洞体的顶板是可靠的。为了解顶板岩体中某些裂隙处是否存在应力集中及明显的变形,可在裂面上及其一侧分别贴电阻应变片量测,若二者无明显差别,则说明裂隙的存在并不影响顶板整体受力。2)载荷试验法在有代表性的浅层洞体上,将顶板岩体修凿呈一梁状,有条件时在底面和侧面也可贴设电阻应变片,并于其上分级加荷,观察其应力和变形。通过试验可以了解在特定条件下洞体的变形特征、破坏形式和顺序。此外,通过试验可以反求顶板岩体参数,建立它与岩样强度指标、岩体纵波速度等的相关性,借此评价其它洞体的


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