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随着经济的快速发展,将会有越来越多的工程兴建在岩溶地区。岩溶地区发育有形状大小各异的溶洞,破坏了岩石的完整性,使岩体强度和稳定性降低。随之而形成的岩溶工程地质问题如岩溶地基的稳定性、岩溶渗漏、岩溶塌陷等就受到了国内外岩土工作者的普遍关注。其中复杂岩溶发育区的桥梁基础的稳定性研究更是成为岩溶区工程建设的技术难题之一。如果桥梁基础下伏存在溶洞,由于溶洞顶板厚度不够,在桥梁荷载的作用下,顶板被压碎,桥基丧失其承载力,进而导致桥梁结构破坏。因此研究岩溶地区桥梁基础的稳定性及其处治对策,有着重要的理论意义与工程实际意义。
乐-广高速公路沿线有部分地段穿越岩溶区,本文以此项目中鲮鱼坑大桥基础下隐伏溶洞为工程背景,在查阅大量的国内外已有的有关文献并进行综合分析的基础上,参考我国目前的工程实践经验以及现有的规范与设计手册的相关规定,通过现场地质调查、野外勘探和室内试验,详细了解实体工程的工程地质条件,运用结构力学知识和数值模拟技术,研究了岩溶地区桥梁桩基下伏溶洞顶板的稳定性及其处治对策,对如何确定溶洞顶板最小安全厚度进行了深入探讨。其具体研究内容如下:
1、详细了解岩溶区工程地质状况,掌握岩溶发育类型及其规律,获得岩土体力学参数。
2、综合归纳和总结了国内外有关岩溶桥梁桩基稳定性研究方法,分析岩溶顶板的稳定性的影响因素。
3、运用结构力学知识,把溶洞顶板概化为梁模型,对桥梁基础下隐伏溶洞进行了稳定性分析与评价,对大桥下存在的实际溶洞逐一进行评判。运用数值模拟技术,合理简化溶洞顶板与桩基作用系统,建立三维地质力学模型,对其稳定性进行模拟计算,并与力学计算结果对比。
4、总结岩溶地区桥梁基础的处治方案,对大桥下伏不稳定溶洞提出相应的处理方法。提出对复杂的溶洞群可以采取拱跨越处理措施,并进行相应的结构设计。
本文采用现场调研与室内试验、理论分析与数值模拟、定性与定量相结合的综合研究方法,分析了岩溶地区桥梁基础下溶洞的稳定性,并提出处治对策,得到了一些有意义的结论和规律:
1、根据我国处理溶洞顶板稳定性的经验,影响溶洞顶板稳定性的因素主要分内在因素和外在因素两个方面。内在因素是固有因素,是决定溶洞顶板稳定性的物质基础,而外在因素如外加荷载则可改变溶洞顶板稳定性状态。
2、根据岩溶顶板在桥梁桩基荷载作用下的变形特性和破坏模式,本文认为顶板主要会出现弯曲破坏、冲切破坏及剪切破坏这三种失稳破坏形式,通过结构力学分析计算,推导出了相应的验算公式以及溶洞顶板的临界厚度值查询表。根据计算结果知,大桥下伏溶洞处于不稳定状态。其中1号桩基下的溶洞,跨度5.7m,高16.7m,覆盖层厚度35.7m,通过计算可知溶洞顶板最小安全厚度应为5.5m。
3、运用三维数值模拟分析软件FLAC3D,对大桥的1号桩基荷载下的溶洞进行了数值模拟分析。计算结果显示,顶板及桩底的塑性区贯通,桩基和溶洞顶板处于不稳定的状态。通过调整顶板厚度进行数值模拟的试算,得到顶板最小安全厚度6米,并与结构计算相比较,得到综合确定溶洞顶板最小安全厚度的方法。
4针对大桥下发育强烈的深不见底的大型溶洞提出了采用拱形跨越的方法。通过结构设计计算,最终确定采用拱高f=24m,跨径为120m的抛物线型拱,中间带拉杆。主拱配筋,受压区50Φ32,受拉区84Φ32;拉杆配筋108Φ32;横系梁配筋40Φ25;桩基配主筋43Φ32,可以为该工程的设计和施工提供参考。