（采矿工程专业论文）覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究.pdf

广西大学硕士学位论文 覆盖岩溶临空血处桩基础的稳定性研究 覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 摘要 岩溶地区的基岩表面起伏较大，承载能力大小各异，因而需要研究其稳定 性。本文在总结前人成果基础上，提出存在一个软弱结构面的覆盖岩溶临空面 的力学模型。并对影响其稳定性的上覆土层厚度、结构面摩擦系数、结构面倾 角、临空面倾角、结构面高度、桩径、桩岩边距以及桩基础的嵌岩深度进行模 拟。采用三维有限单元法对临空面在桩端嵌固力作用下的稳定性进行分析计算， 研究桩端嵌固力与上述各因素之间的关系。在此基础上，采用多元线性回归方 法求得桩端嵌固力与上覆土层厚度、结构面摩擦系数、结构面倾角、临空面倾 角、结构面高度以及桩径的回归方程，并采用逐步线- 眭回归方法对方程进行优 化。最后用此方程对5 个工程实例中的3 8 根桩基础进行验算，验证回归方程的 可靠性。得出计算结果与实际情况相吻合的结论。 关键词：覆盖岩溶临空面结构面桩基础稳定性分析三维有限单元法 计算机模拟多元线性回归方法 广西大学颂士学位论文 覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 r e s e a r c ho ns t a b i l i t y0 fp i l ef o u n d a t l 0 n a t0 v e r b u r d e n k a r s tlcf r e ef a c e a b s t r a c t t h eb e d r o c ks 砒f a c es l o p e ss t e e p l yi nk a r s ta r e a s ，a n dt h e i rb e a r i n gc a p a c i t ya c ed i f i ；。r e n ：ls oi t i sn e c e s s a r yt os t u d yt h e i rs t a b i l i t y o nt h eb a s i so fp r e c e d i n gm a i nr e s u l t s ，am e c h a n i cm o d e lo f o v e r b u r d e n - k a r s t i cf r e ef a c ew i t haw e a ks t r u c t u r a lp l a n ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r a sw e l la si t s i m p a c to nt h es t a b i l i t yo ft h eo v e r b u r d e ns o i ll a y e rt h i c k n e s s ，s t r u c t u r a lp l a n ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t , s t r u c t u r a lp l a n ea n g l e ，f r e ef a c ea n g l e ，s t r u c t u r a lp l a n eh e i g h t ，t h ep i l ef o u n d a t i o nd i a m e t e r ，t h e d i s t a n c ef r o mt h ep i l ef o u n d a t i o nt of r e ef a c ea n dt h ep i l ef o u n d a t i o nd e p t hi nr o c ki ss i m u l a t e d w i t hc o m p u t e r t h es t a b i l i t yo ff r e ef a c ea tt h ee f f e c to f t h ep i l ef o u n d a t i o ne n dg x i n gp r e s s u r ei s a n a l y z e da n dc a l c u l a t e db yt h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o ds oa st os t u d yt h er e l a t i o n s b e t w e e nt h ep i l ef o u n d a t i o ne n d f i x i n gp r e s s w ea n dt h ea b o v ef a c t o r s o nt h i sb a s i s ，t h er e g r e s s i o n e q u a t i o no ft h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep i l ef o u n d a t i o ne n df i x i n gp r e s s u r ea n dt h eo v e r b u r d e ns o i l l a y e rt h i c k n e s s ，s t r u c t u r a lp l a n ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，s t r u c t u r a lp l a n ea n g l e , f t e ef a c ea n g l e , s t r u c t u r a lp l a n eh e i g h t ，t h ep i l ef o u n d a t i o nd i a m e t e rc a l lb eg o tb ym e a n so fm u l t i v a r i a t el i n e a r r e g r e s s i o nm e t h o d ，m o r e o v e r , t h i sr e g r e s s i o ne q u a t i o nj s0 p 血眦别b ys t e p w i s em u 】f i p l el i n e 盯 r e g r e s s i o nm e t h o d f i n a l l y ，v e r i f i c a t i o ni sd o n et o3 8p i l ef o u n d a t i o n si n5e n g i n e e r i n ge x a m p l e s b yt h i sr e g r e s s i o ne q u a t i o na b o v e - m e n t i o n e di no r d e rt ov e r i 分t h er e l i a b i l i t yo ft h er e g r e s s i o n e q u a t i o n i tm a yd r a wac o n c l u s i o nt h a tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sc o i n c i d ew i t ht h ee n g i n e e r i n gf a c t k e y w o r d s ：o v e r b u r d e n - k a r s t i c ；f r e ef a c e ；s t r a c t u m lp l a n e ；p i l ef o u n d a t i o n ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ； t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；m u l t i v a r i a t e l i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d 2 广西大学硕士学位论文覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知 识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内 容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其 它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均己在论文中明 确说明并致谢。 论文作者签名：易猢好 学位论文使用授权说明 年6 月琴日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：易翩将导师签名：1 扩扣砖汐刀年f 月z 4 z - n 广西大学硕士学位论文覆盖岩溶临空画处桩基础的稳定性研究 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 岩溶又名喀斯特，是可溶性岩层( 石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等) 以被水溶解为主要 的化学溶蚀作用，并伴随以机械作用而形成沟槽、裂隙、洞穴等一系列现象和作用的总称。 我国的岩溶地区分布十分广泛，以广西、四川、云南、贵州最为发育，其余如湖南、广东、 浙江、江苏、山东等地均存在规模大小不同的岩溶地区。据有关资料统计，在我国辽阔的疆 土内，分布着大片碳酸盐地层，总面积达3 4 6 万k m 2 ，占国土面积的1 3 ( 其中广西碳酸盐地 区面积占到全区面积的4 1 ) ，其中9 1 万k m 2 的碳酸盐岩裸露于地表。由于地表水和地下 水的溶蚀作用，发育着各种类型的岩溶地貌和岩溶形态，破坏了岩石的完整性，大幅度降低 了岩石的强度和稳定性，从而影响着建筑物的安全。另外，岩溶的发育给工程建设也带来了 一定的复杂性。岩溶问题与许多工程有关，诸如水利水电工程、公路和铁路工程、桥梁工程、 工业与民用建筑工程、地质灾害的防治与环境保护工程、旅游资源的综合开发工程等等。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旌，确保建筑物的基础可靠地建立 在岩体上，这是一项非常有意义的工作。 以往，由于建筑物规模较小，基础轻丽浅，可以第四系松散层为地基。目前，我国随着 社会经济和基础设施建设的飞速发展，高层、重型、大型建筑物如雨后春笋，纷纭兴建，一 般均要求基础深埋并置于基岩上。由于城市土地规划等原因的限制，其中很大一部分基础不 可避免地位于隐伏岩溶化的岩体上。由于岩溶地质条件的复杂性，给基础型式的选择带来了 很大的困难，桩基础是一种具有悠久历史的古老基础型式，也是最常用的一种深基础。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，且又 不适宜采取地基处理措施时，往往需考虑桩基础。它能适应各种地质条件、各种类型的工程 条件和荷载情况，被水利、桥梁、建筑工程广泛采用旺1r 3 j o 由于岩溶地区的地质情况非常复 杂，桩基础因其独特的特点在岩溶地区被广泛使用，但是随着桩基础在岩溶地区的大量使用， 许多桩基础稳定性的问题也越来越突出。由于岩溶发育的不均一性，基岩表面溶槽溶沟起伏 不平，形成许多临空面，岩体内溶洞发育，岩溶地下水下向基坑及桩孔内大量涌水突泥，造 成场地及周围地面塌陷，使在岩溶地区采用桩基础时，从工程地质勘察、设计到旌工过程中， 广西大学硕士学位论文 覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 都存在一些特殊的尚未解决好的技术问题，导致基础不牢固，给建筑物产生不安全因素，或 者设计过于保守，造成各方面的巨大浪费。实践证明，仅以少量钻孔岩芯的抗压强度作为地 基承载力的评价依据可能导致严重的工程失误。真正影响地基强度和稳定性的因素是埋藏的 古岩溶面形成的各种临空面，岩体中的溶洞、溶隙、溶蚀带以及基坑开挖过程中抽排水可能 引起的突水涌泥、地面塌陷的环境效应。因此，在考虑桩基础在岩溶地区的稳定性问题时， 一定要将各个因素综合考虑，在勘察、设计和施工方面综合运用。 广西是全国主要岩溶分布区之一，随着我国基础设施建设规模的不断加大，特别是西部 大开发以来，在广西岩溶地区使用桩基础越来越广泛，桩基础的稳定性阿题也越来越突出， 广西合山电厂扩建工程、田东电厂扩建工程和贵港电厂工程建设中都遇到了岩溶桩基础的稳 定性问题，且桩基础造价都在两千万元以上。由于现有的地基基础设计规范及桩基础规范都 未给出岩溶地区桩基础的定量设计计算方法，所以给岩溶地区桩基础的勘察和设计带来了很 大的盲目性：当设计不能确保桩端持力层的承载力时，将给工程安全带来很大的隐患；当设 计过于保守时，将给工程造成巨大浪费“1 。因此，加强对这一技术问题的勘察、设计和施工 方面的研究，使岩溶地区的桩基础设计更合理，施工更快，同时也确保工程安全，节省工程 造价，对整个广西乃至全国的岩溶地区桩基础设计与施工都有重要的指导意义。 1 2 国内外研究现状及分析 根据岩溶发育的形态及与桩基础的相互关系，岩溶地区桩基础的稳定性问题可分为两大 类：一类是桩端下部存在有各种形态的溶洞，这时桩基础的稳定性问题实质为桩端下溶洞顶 板的稳定性问题( 见图1 1 ) ；另一类是桩端底落在溶沟、溶槽、石芽等形成的陡峭的岩壁上， 这时桩基础的稳定性问题实质为覆盖岩溶临空面的稳定性问题( 见图1 2 ) 。 图1 1 溶洞顶板稳定性分析示意图 f i 9 1 1s k e t c ho f a n a l y s i so nr o o f s t a b i l i t y o f k a r s tc a v e s 2 广西大学硕士学位论文 覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 软弱结构面临空面 图1 2 覆盖岩溶临空面稳定性分析示意图 f i 9 1 2s k 酏c ho f a n a l y s i s0 1 1s t a b u i t yo f o v e r b u r d e n - k a r s t i cf l e ef a c e 溶沟和溶槽是地表水沿可溶佳岩层表面的裂隙流动，进行溶蚀、冲蚀，使岩层表面形成 一些大小不同的沟槽。溶沟、溶槽进一步发展后，沟槽间的石脊遭受切割破碎，残留着顶端 尖下部粗的锥状柱体，称为石芽。溶沟与石芽是共生的。溶隙是水流沿碳酸盐节理裂隙渗流， 经溶蚀扩大而形成。落水洞是地表水向地下集中渗流的通道，常作垂直状或者稍作倾斜状， 多产于漏斗、洼地及干谷的底部或者边缘，常与地下暗河相联系，系由溶隙受水流溶蚀扩大， 并伴随坍塌作用而形成。溶蚀漏斗是溶隙经溶蚀作用扩大后形成的漏斗状形态，常做垂直形 态，多分布在山丘的顶部与坡脚。在地形陡峻、岩石裸露的斜坡上，地表径流大，以表面溶 蚀为主，岩溶多呈溶沟、溶槽、石芽等地表形态；在平缓地区，地表水易下渗，岩溶形态以 漏斗、落水洞、竖井为主。 在覆盖岩溶场地，由于上述溶槽、溶沟、石芽、落水洞和漏斗等岩溶现象的存在，使得 基岩岩面起伏很大，在槽谷或裂隙边缘常形成陡峭的岩壁。当建筑基础落在陡壁边缘时，陡 壁相对于基础就构成临空面，称这种临空面为“覆盖岩溶l 临空面川卯。它是指覆盖岩溶场地 中建筑物基底压力影响范围内具有陡倾角土岩交界面的一种岩土组合地质体。当基础埋置在 基岩上时，有可能使基础沿岩体中临空的软弱结构面产生滑动，造成失稳。可见，覆盖岩溶 临空面的稳定性问题实际上是桩基础抗滑稳定性问题。然而，这种情况与岩石边坡不同，表 现在以下三个方面： ( 1 ) 在稳定意义及失稳内容方面。覆盖岩溶临空面的稳定意义是对于建筑基础或者整 个建筑结构而言的，因其作为建筑地基的特殊性，其失稳应同时包括l 笛空面岩体整体破坏、 致使桩基础失稳的局部破坏和致使桩基础失稳的较大变形位移三种形式。而边坡的稳定意义 3 广西大学硕士学位论文覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 既可能对坡上也可能对坡下甚至边坡内的人类活动而言，其失稳内容一般考虑边坡的整体破 坏，有时也考虑危及人类活动的边坡局部破坏和较大位移； ( 2 ) 在失稳原因方面。覆盖岩溶临空面一般是天然稳定的，往往因承受外荷载而失稳。 边坡在天然状态下也可能不稳定，失稳原因复杂，如暴雨、地震、人类活动都可能诱发边坡 失稳； ( 3 ) 在加固处理方面。覆盖岩溶临空面处于地下，能获得的关于临空面岩体的信息较 少，处理时多以改变基础形式或者设计参数为主，以确保覆盖岩溶临空面的稳定性。而岩石 边坡发生失稳时处理的是边坡本身，而且因其在地表，有关边坡岩体的信息如岩体结构、软 弱面性质等易于获得，边坡分析处理可应用的资料较多。 对于存在岩溶临空面的情况，实际工程中常遇到，因而覆盖岩溶临空面的稳定性问题也 越来越成为人们关注的问题。 由于临空面被松软土层覆盖，因此在稳定性分析中对覆盖岩溶临空面应考虑土层、地下 水对坡体侧向和垂向的压力。 覆盖岩溶临空面的稳定性分析可以分为定性分析和定量分析两种方法。 定性分析方法主要以国内的相关规范为依据，但相关规范对此说明极少。建筑地基基 础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 第6 5 3 条指出：当在岩体中存在倾斜软弱结构面时，可按滑 动面的稳定性进行分析，显然这种方法不适用于覆盖岩溶临空面的稳定性分析，因为覆盖岩 溶临空面的稳定性分析与临空面的形态参数、岩体中存在的倾斜软弱结构面参数、桩的位置 及几何参数等多个因素有关；第8 5 5 条指出：应在桩底应力扩散范围内无岩体临空面，而 这一规定在实际工程中由于地点等原因的限制有时是难以做到的；岩土工程勘察规范 ( g b 5 0 0 2 1 - 2 0 0 1 ) 第5 1 1 1 条指出：在基础近旁有洞隙和临空面时，应验算向临空面倾覆或沿 裂面滑移的可能，但没有给出具体的计算方法。 覆盖岩溶临空面的稳定性定量分析方法的研究相对比较少。 桂林岩溶所一硕士论文，针对覆盖岩溶临空面作过研究哺1 。在分析覆盖岩溶临空面特点 和稳定性影响因素的同时，采用数值分析法，编制有限元程序，以广东南海市民企大厦为例， 得出一些有意义的结论。文中结论认为临空面愈高，倾角愈大，愈不利稳定。文中同时也指 出，岩体结构面也应作为其稳定性的影响因素，希望以后的研究予以考虑。 中国有色金属工业总公司昆明勘察院黄经秋等针对岩体中存在不利倾斜软弱结构面的 覆盖岩溶临空面建立了一个平面刚体力学模型刀，分析了覆盖岩溶临空面的稳定性，如图1 2 所示。由临空面、滑移面以及两侧平行的切割面所构成的楔形滑块，其两侧切割面可以是垂 4 广西大学硕士学位论文 覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 直的节理或溶蚀接口( 包括溶缝或岩、土交界面) ，所以，滑块的宽度一般不是单位宽度， 在进行抗滑力和下滑力计算时，应该采用实际切割宽度。 文献1 7 中指出滑块除其自重外，还受到桩载的作用。滑块深埋于红粘土之下，一般 情况下，其临空面不是自由面，而是被红粘土掩埋，红粘土对滑块起两种作用：在滑块水平 投影面上，红粘土的竖向自重应力相当于在滑块上加载；而滑块竖向投影面上，红粘土自重 引起水平向应力对滑块起着侧向约束作用。按工程要求，桩的竖向位移和侧向位移要求严格， 不允许产生滑移，因此，竖向荷载按红粘土的竖向自重应力考虑，水平向的约束按静止土压 力考虑，当岩土交界面上存在土洞时，可视临空面为自由面，滑块既不受上覆红粘土的荷载， 也不受对临空面的水平约束。假设楔形滑块两侧的切割对滑块不产生阻力，滑块受力简图如 1 3 所示。 地藿 w 一滑块自重；p a - 桩的设计荷载； p l 上覆土层对滑块水平投影面的作用力； p 广上覆土层对滑块的侧向约束力； 卜滑床对滑块的抗滑力。 图1 3 滑块受力简图 f 培1 3s k e t c ho f s l i d i n gb l o c ks u b j e c l 耐t of o r c e s w = r 2 h 2 b l ( 彤p a - - 3 6 0 0 或5 0 0 0 ( k n ) p l = 7 1 h l b l c o s e ( k n ) p 2 = k o t l h l b l s i n 0 ( k n ) t = c b l + 【( w + p a + p i ) c o s 0 + p 2s i n o t a n q b ( k n ) 5 西太堂硕士学位论文覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 上式中的符号意义： y 1 上覆土的容重( k n r a 3 ) ： 丫2 白云岩的容重( k n m 3 ) ； b - 一e 覆土的考虑宽度( m ) ； h l 帽块形心至地表的高度( m ) ； h 2 滑块的平均高度( m ) ； 伊滑块的平均宽度( m ) ； i 骨块平均长度( 越) ： c 一滑面上的粘聚力( k p 。) ； 卜滑面倾角( 。) ； 妒- 滑面上的内摩擦角( 。) ； k o - 前止土压力系数。 由静力学的力学平衡知识，可得计算公式如下： i 临空面为红粘土掩盖时，滑块的稳定计算式： k：ebl+(w+pa+p,)cos0+p2sinotand p _ + p 2 c o s 0 ( w + p a + p , ) s i n o 当土岩交界面存在土洞时，滑块的稳定计算式： k ：c b l + 7 ( w + p a _ ) c o s 0 t a n 一巾 1 w + p a ) s i n e 当k 值大于1 2 5 时为稳定。 广西水文地质工程地质勘察院李炳行等也运用梁板理论分析了两个工程的岩体临空面 稳定性钉。 文献 9 - 1 1 0 建立了一个相对较简单的三维弹性力学分析模型，通过三维有限单元法 计算机模拟建立了一个覆盖岩溶临空面存在的情况下桩的承载力和多个影响因素之间的定 量关系式。计算简图与表达式分别见图1 4 和式1 3 与1 4 。 p = 4 8 1 4 4 h + 5 9 6 0 3 8 9 f + 2 1 9 7 a z - 2 4 0 0 c t 2 8 3 6 4 0 + 7 7 1 1 2 d + 7 8 2 1 0 6 11 0 根据文献 11 ，取容许桩段嵌固力 p = p 3 ，可得如下方程： p 】= 1 6 0 4 8 h + 1 9 8 6 7 9 6 f + 7 3 2 a 2 8 0 0 a 一9 4 5 5 0 + 2 5 7 0 4 d + 2 6 0 7 0 2 1 _ 4 上式中的符号意义： 卜桩界桩端嵌周力( k n ) ： 6 二堕查兰堡主兰垒堕苎一 壅重量整堕至塑竺丝量壁箜整塞丝塑塞 卜结构面摩擦系数； p 容许桩端嵌固力( k n ) ： 卜岩体上覆土层的厚度( m ) ； d 一结构面高度( m ) ； i ，一桩到临空面的距离( m ) ： e 一临空面倾角( 。 ： a 一结构面倾角( 。) 。 m 。) 图l4 计算模型剖面图 f i 9 1 4s e c t i o n a ld r a w i n go f c a l c u l a t i o nm o d e l 国外对于岩溶地区基础稳定性的研究工作主要集中在浅基础的稳定性分析及地基处理 方面，对岩溶地区桩基础的研究几乎没有涉及。 1 3 研究思路与主要工作内容 1 3 1 研究思路 本文采用a n s y s 有限元分析软件对覆盖岩溶临空面问题进行三维力学分析，建立覆盖 岩溶临空面桩基础承载力与各影响因素( 上覆土层厚度、上覆土层的物理力学性质、结构面 的摩擦系数、结构面倾角、临空面倾角、结构面高度、临空面所在岩体的物理力学性质、桩 自自位置及几何参数、桩基础嵌岩深度、岩体的节理裂隙、地下水等) 之间的数学关系式，然 后，再通过收集大量工程实例进一步验证这些计算公式。 1 3 2 主要工作内容 7 广西大学硕士学位论文覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 ( 1 ) 建立覆盖岩溶临空面状态下的桩基础稳定性分析三维力学模型，在模型中考虑岩 体的节理裂隙、地下水、上覆土层厚度、上覆土层的物理力学性质、结构面的摩擦系数、结 构面倾角、临空面倾角、结构面高度、临空面所在岩体的物理力学性质、桩基础的位置及几 何参数、桩载的大小、桩基础嵌岩深度等多个因素的影响。 ( 2 ) 对建立的力学模型进行大量的计算机模拟，建立覆盖岩溶临空面桩基础承载力与 各影响因素之间的数学关系式。 ( 3 ) 收集大量工程实例来进一步验证计算公式。 8 广西大学硕士学位论文覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 第二章覆盖岩溶临空面稳定性力学分析模型 覆盖岩溶临空面稳定性影响因素众多，其中包括岩溶j 艟空面上方覆盖土层厚度、上覆土 层的物理力学性质、结构面的摩擦系数、结构面倾角、临空面倾角、结构面高度、临空面所 在岩体的物理力学性质、桩的位置及几何参数、桩载的大小、桩基础嵌岩深度、岩体的节理 裂隙、地下水等因素的影响。本文收集了大量南宁、柳州和桂林的岩溶现场地质资料，并对 现场地质资料进行了整理，为力学模型的建立提供可靠和翔实的数据。 2 1覆盖岩溶临空面稳定性影响因素统计分析 通过对现场工程资料的分析并考虑到利用力学模型分析的可行性，对以下几个影响因素 做了较为详尽的分析，为力学模型计算确定各种指标奠定基础。 2 1 上覆土层物理力学的统计 通过从现场收集的2 0 多份资料发现，上覆土层的厚度的离散性很大，浅的只有3 m ，深 的达到3 2 m ，上覆土层一般为第四系松散沉积物，土层由上而下一般为杂填土粉质粘土 粘土粉土中密状圆砾。根据所收集的上覆土层资料，统计出了上覆土层的物理力学参数 的范围值，结果如表2 1 所示。 表2 1 上覆土层计算参数 t a b l e2 im e a nv a l u e so f p a r a m e t e r sf o rs u p e r s t r a t u m i 天然容重 粘聚力 内摩擦角变形模量泊松比 y 1 幽m - 3c 1 k p a由l ( o )e o l 仔a埘 1 0 1 5 2 5 f 3 48 5 8 3 0 2 01 5 4 01 8 5 6 4 2 2 30 1 8 0 4 2 2 1 2 覆盖岩溶临空面所处岩层特征描述 根据现场岩样的室内试验，现场揭露的岩溶临空面基本上处于灰岩中，灰岩主要为微晶 灰岩以及硅质灰岩，其特征是：灰色，岩性较硬，大都为弱风化，部分地区岩体中节理局部 发育，且由于岩体本身包含有许多裂隙、节理、空穴，所以岩体都是非连续的。岩石的应力 应变关系大致分为六种类型如。而灰岩一般认为是类型i 和类型i i ，极为坚固的灰岩属于i 9 广西大学硕士学位论文 覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 类型，其应力应变关系如图2 1 ；而较为软弱的灰岩属于类型，其应力一应变关系如图 2 2 。 图2 1 弹性模型应力一应变图 f i 9 2 1s l m s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i po f e l a s t i cm o d e l 图2 2 弹塑性模型应力一应变图 f i 醇2s 血 e s s - s h - a i nr e l a t i o n s h i po f e l a s t i c - p l a s t i cm o d e l 由图形可知，类型i 为一条直线，或近似直线，直到试样突然破坏为止，岩石属于弹性 性质；类型i i ，在应力较低时应力应变关系近似直线，当应力增加到一定数值，该曲线向下 弯曲，而且随着应力的增加，曲线斜率也越来越小，直至破坏，岩石属于弹塑性。 对于本文所收集的现场资料来看，大多数灰岩较为坚硬、脆性，桩基入岩微风化。经过 统计，实际工程的灰岩物理力学性质指标如表2 2 所示： 而根据文献 1 3 1 4 ，灰岩的物理力学性质指标如表2 3 所示。 根据表2 2 和表2 3 对比，可知对实际工程统计的数据资料是真实可靠的，对于力学模 型建立后力学参数的选取是切实可行的。 2 1 3 桩的几何参数与单桩承载力 1 0 广西大学硕士学位论文覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 桩。 岩溶地区的成桩施工工艺中主要采用人工挖孔桩和和钻孔灌注桩，有时也使用冲孔灌注 桩体尺寸主要指桩长和桩径，桩长将通过上覆土层的厚度体现。在现场的工程资料中， 桩径范围一般为0 8 2 m ，其中桩径在l m 左右的桩更为常用。 表2 2 实际工程灰岩岩性指标 t a b l e2 2m e mv a l u e so f l i m e s t o n eo f s i t e 密度抗压强度弹性模量抗拉强度 泊松比 ( g c m 3 )m p ac , p am p a1 2 6 3 2 7 82 4 8 9 1 4 2 3 02 2 8 11 9 1 1 20 1 6 o 3 6 表2 3 灰岩物理力学性质指标经验数据表( 节选) t a b l e2 3t h ee x p e f i e n c 2m e a nv a l u e so f l i m e s t o n e ( e x c e r p t ) 密度抗压强度弹性模量抗拉强度泊松比 ( g c m 3 )m p ac , v am p a 弘 1 7 2 21 0 1 70 6 1 oo 3 1 o 5 1 2 2 2 52 5 5 51 5 3 3 o 2 5 o 3 l 2 1 8 4 2 5 2 7 57 0 1 2 84 3 7 60 ，1 6 o 2 5 3 11 8 0 2 0 01 0 7 1 1 80 0 4 0 1 6 桩基础的嵌岩深度一般不大于1 5 d ( d 为桩径) ，但也不小于o 5 m 。 单桩承载力特征值在4 0 0 1 5 0 0 0k n 之间均有设计，其中设计荷载在5 0 0 0 8 0 0 0k n 的 桩基础更为普遍。 2 1 4 临空面与结构面形态参数 根据本文所收集的现场资料看，岩溶临空面倾角为6 0 0 9 0 0 ，软弱结构面倾角范围一般 为2 0 。6 5 。，结构面高度范围一般为o 5 1 5 m ，结构面摩檫系数为0 1 8 0 6 7 。 l l 广西大学硕士学位论文 覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 2 ，1 5 其他影响因素 其他影响因素包括岩体的裂隙发育和节理发育情况，地下水的分布和影响情况等。由于 这些情况非常复杂，在统计分析中暂时不作考虑。 2 2 覆盖岩溶临空面稳定性力学模型建立 2 2 1 覆盖岩溶临空面稳定性模型计算简图 根据调研收集到的有关资料与实际工程情况，考虑到岩溶临空面上方覆盖土层厚度、上 覆土层的物理力学性质、结构面的摩擦系数、结构面倾角、临空面倾角、结构面高度、桩的 位置及几何参数、桩载的大小、桩基础嵌岩深度、岩体的裂隙发育和节理发育、地下水的分 布和影响等因素，并按有限元分析计算原理，拟建一个高l o m ，宽l o m ，长2 0 m 的岩体模型 ( 如图2 3 ) ，在含有一个不利软弱结构面的岩体上有一单桩荷载作用。桩基础的直径为d ， 桩基础嵌岩深度为h ，软弱结构面距岩体顶面垂直距离为d ，水平倾角为a ，临空面倾角为 0 ，桩基础到临空面的距离为l ，计算简图如图2 4 ( 只考虑圆形桩，且作用在中心线上) 。 图2 3 分析模型示意图 f i 嚣3s k e t c ho f a n a l y s i sm o d e l 考虑到计算和分析的可行性，对模型进行了适当的假设和简化： ( i ) 对于岩溶岩，岩体本身包含有许多微裂隙、节理、空穴，因此实际岩体是非均匀 连续体。本文在宏观上将其简化为均匀连续体来处理，且采用第1 i 类的弹塑性模型； 1 2 广西大学硕士学位论文覆盖岩洛临空面处桩基础的稳定性研究 ( 2 ) 荷载为静力竖向荷载： ( 3 ) 岩溶临空面的上覆土层简化为一层，材料性质为连续的各向同性； ( 4 ) 作用于分析体上的外力，主要考虑上覆土层的自重应力和外加荷载的作用，不考 虑构造应力场的作用，外荷载的施加是一次性的： ( 5 ) 不考虑桩与上覆土层、岩体之间的侧摩阻力； ( 6 ) 含有不利软弱结构面的覆盖岩溶临空面在天然状态下是稳定的； ( 7 ) 不考虑桩本身的强度、刚度达不到设计要求的破坏情况。 图2 4 计算模型剖面图 f i 9 2 4s e c t i o n a ld r a w i n go f c a l c u l a t i o nm o d e l 2 2 2 上覆土层物理参数的确定 根据表2 1 对实际工程的统计值，粘聚力取为o 0 1 m p a ，内摩擦角取为2 8 。，变形模量为 3 5 0 m p a ，泊松比为o 3 3 ，天然容重2 0k n 皿p ，通过对实际工程勘察资料的统计，上覆土层 的厚度在3 2 1 m 之间选取。 2 2 3 灰岩物理力学参数的确定 表2 2 是通过收集实际工程资料确定的灰岩物理力学参数指标，表2 3 是灰岩的物理力 学指标经验值，考虑覆盖岩溶临空面岩体的节理裂隙和地下水等情况( 即覆盖岩溶临空面岩 体的完整性问题) ，覆盖岩溶临空面各物理力学参数可通过g s i ( 地质强度指标) 法和非线性广 义h o c k - - b r o w n 破坏准则相结合的方法来确定卯。 地质强度指标( g s i ) 由h o e k 、k a i s e r 和b r o w n “6 3 于1 9 9 7 年建立，用来估计不同地质条 1 3 广西大学硕士学位论文覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 件下的岩体强度。它根据岩体结构、岩体中岩块的嵌锁状态和岩体中不连续面质量，综合各 种地质信息进行估值。 对于质量较差的岩体( g s i 2 5 ) ，h o e k 、k a i s e r 和b r o w n 建立了g s i 值与r _ m r ( r o c km a s sr a t i n g ) 值之间的关系式n 7 1 。 r m r ( 工程岩体地质力学分类) 法是由比尼奥斯基于1 9 7 3 1 9 7 5 年问提出d 8 3 其中共 有6 个基本参数：岩块单轴抗压强度、岩体质量指标r q d 、节理间距、节理面性状、地下水 条件及节理产状。6 个基本参数都通过表格给出了相应得评分值，然后由这些评分值总合构 成得到r m r 值，最后按规定对总分作适当的修正( 但该方法不适用于软岩参数的估算) 1 1 9 。 ( 1 ) 当r m r l 9 7 6 1 8 时，g s i = r m r l 9 7 6 ； ( 2 ) 当r m r l 9 8 9 2 3 时，g s i = r m r l 粥9 - 5 ； ( 3 ) 当r m r l 9 7 6 1 8 或r m r l 9 8 9 2 5 ，当a = 0 5 时， o c t 4 ：1 + 丝巫与 a 仃，2 b - i d ，j 对于g s i 2 5 ，当s = 0 时。 差0 0 - 小埘时 ，l 盯r j 式中： m r 岩体的霍克布朗常数； s 、卜取决于岩体特征的常数； 一完整岩石的单轴抗压强度。 。一f 一d ：r 一往r 盯蟹 忙叶瑚【一b 。j 。- 仁盯，j 式中： 瑚 c ：垒一塾t a n 西2 1 2 甩 n e 蚓：f z 一手临( 掣) 中岩体的内摩擦角； c _ 岩体的粘聚力； e 。变形模量( 计算此参数时a c 必须小于1 0 0 ) 蹦3 。 1 5 蒜撅 矗 b 广西大学硕士学位论文覆盖岩溶临空呵处桩基础的稳定性研究 表2 4 是当g s i 取值为4 0 8 5 时，根据非线性广义h o e k - - b r o w n 岩体破坏经验准则计 算出的相应物理力学参数，表示不同程度覆盖岩溶临空面岩体的完整性，g s i 值越大表示岩 体的完整性越好1 2 2 该方法相当于对室内岩石试验数据的一种折算1 2 3 3 。 表2 4 不同完整程度下灰岩的物理力学参数表 t a b l e2 4m e a nv a l u e so f l h n e s t o n ei nd e g r e eo f i m p e r f e c t i o n g s i 值 o c io 咖 cme 肛丫 ( a )o 腰a )( m a ) ( o )( g p a ) k n m 。 8 51 5 04 01 6 0 54 27 5 00 22 7 8 0 1 3 03 21 1 6 53 8 56 3 o o 2 2 2 7 7 01 1 02 27 8 23 6 33 2 0o 2 32 7 5 57 01 23 5 53 01 1 。oo 2 62 7 4 03 0o 51 0 62 3 53 oo 32 7 表中氐。为岩石的单轴抗压强度，o 。为岩石的抗拉强度 通过表2 2 、表2 3 、表2 4 的比较，选取g s i 值为8 0 时，灰岩的物理力学指标作为岩性 指标，该指标表示覆盖岩溶临空面岩体的完整程度较好。选取该指标就能适当地反映岩溶的 裂隙和节理的发育、地下水等情况。 2 2 4 临空面形态参数的选取 临空面形态即临空面的倾角和临空面的空间形状。临空面的倾角如图2 4 中的0 ，在本 文中取0 变化范围6 2 0 8 6 。，而且临空面简化为一空间平面。 2 2 5 软弱结构面形态参数的选取 结构面的基本力学性质主要决定于物质组成、结构特征以及水的作用c 2 4 3 。它表明结构面 的力学性质主要受地质结构和水文地质条件控制( 如图2 5 ) 。 本文将软弱结构面视作上下盘为同刚度的石灰岩，结构面为物质充填，充填物稍大于起 伏差，结构面强度主要由充填物强度控制，但在正应力作用时塑性挤出量很少，岩体破坏方 式为岩体结构面滑移。 结构面抗剪强度可以用库仑判据表示，即： 1 6 广西大学硕士学位论文 覆盖岩溶临空面处桩基础的稳定性研究 箍构面力学住 质椽翱因素 图2 5 结构面力学性质控制因素示意图 f i 9 2 5s k e t f ho f e o n t r o u i n gf a c t o r so f m e c h a m c a lc h a “t e r so ns t r u c t u r a lp l a n e t = o 。t a n 由+ c2 - - 1 4 t = fo 。吒 2 - 一1 5 式中： t 结构面抗剪强度( m p a ) ； 一结构面法向应力( m p a ) ； 西结构面摩擦角( o ) ； f 一结构面摩擦系数； c 粘聚力( m p a ) 。 结构面的抗剪强度取决于充填状况。结构面充填状况对结构面力学性能的影响表现在充 填物的厚度、充填成分及状态三个方面。 物质成分对结构面的影响表现为其强度随夹层内粘土含量增加两降低，随碎屑成分增 加，颗粒增大而增加，如表2 5 所示 1 4 3 。 实际工程中，摩擦系数f 和粘聚力c 值变化很大。从偏于安全考虑，常取c = o 瞠钉。根据 收集到的资料和文献1 1 3 3 1 4 2 4 2 5 ，本文选取摩擦系数f 值从0 3 到o 4 8 进行计 算。 结构面倾角，指结构面与水平面夹角，如图2 4 中a ，取值范围应在0 0 9 0 。之间。本 文依据研究内容和实际工程中常遇到的情况，对a 在2 6 。5 0 0 范围内变化予以考虑。 结构面的高度如图2 4 中的d ，在本文中取d 变化范围4 9 i n 。 2 2 6 桩的几何参数与单桩承载力的确定 在现场的工程资料中，桩径d 一般为o 8 2 m 范围，其中桩径在l m 左右的桩更为常用， 1 7 一 一 一一 一 一 一 一 一 幻 n q ，j、 ： 畋 庸 特 酩 组 面 翰 叫一 厂，、， 广西大学硕士学位论文覆盍岩溶临空丽处桩基础的稳定性研究 本文取桩径为0 8 1 4 m 。 桩岩边距是指桩的外边到岩体临空面的距离，用l 表示，如图2 4 。根据本文建立的模 型特点，取桩岩边距为1 7 m 。 考虑桩基础嵌岩深度h 对桩基础稳定性的影响，本文取桩基础嵌岩深度为0 5 1 1 m 。 岩体赋存环境可以使岩体结构的力学效应和岩体力学性能发生改变。环境是一项活的因 素、易交的因素嗽1 。本文主要考虑地应力的影响。 表2 5 夹层物质成分对结构面抗剪强度的影响 t a b l e 2 5 i n f l u e n c e o f m a t e r i a l i n g r e d i e n t i n d o u b l o - l a y e r t os h e a r i n gs n c n g t u s t r a c t u r a l p l a n e 夹层物质成分摩擦系数 粘聚力值c ( m p 。) 泥化夹层和夹泥层 0 1 5 o 2 50 0 0 5 0 0 2 破碎夹泥层0 3 0 a o 0 2 o 0 4 破碎夹层0 5 o 60 o 1 含铁锰质角砾破碎夹层0 6 5 o 8 50 0 3 o ，1 5 本文假设岩溶临空面的上覆土层厚度h 为3 2 1 m ，且为均质粘性土，土体密度为 p 咤o g c m 3 ，侧压系数 - - 0 5 。由此可知： 岩体顶面承受的土体重力： pm = p 曲