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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。而桥梁工程又是高速公路的控制性工程,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。
广乐高速公路沿线有部分地段穿越岩溶区,本文以此项目中杨溪河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相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、总结了国内外关于岩溶地区桥梁桩基础的研究现状,得出了关于岩溶地区桥梁桩基础的研究还处在初步阶段,对于岩溶地区桥梁桩基础的稳定性及其处置方案的研究都还没有形成系统的理论。
2、详细了解了广乐高速工程的自然地理概况、区域工程地质条件、区域水文地质条件、岩溶发育规律等。总结分析了杨溪河大桥工程场地的工程地质条件。
3、综合归纳和分析了岩溶顶板的稳定性评价方法及其国内外有关岩溶地区桥梁桩基础的稳定性评价方法,并运用抗弯、抗剪和抗冲切稳定性结构力学模型对杨溪河大桥桥梁桩基础的稳定性进行了评价。
4、选取杨溪河大桥6号桩基,运用三维数值模拟软件FLAC3D,合理简化了溶洞顶板与桩基作用系统,建立了三维地质力学模型,分别运用应力、应变、塑性区等评价原则对其稳定性进行评价。
5、总结了岩溶地区桥梁桩基础的处治方案,提出了针对复杂的溶洞群可以采取拱跨越处治方案,并进行了相应的结构设计。
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实践经验,影响溶洞顶板稳定性的因素主要分为外在因素和内在因素两个方面,外在因素如外加荷载可以改变溶洞顶板稳定性的状态,而内在因素则是固有因素,是决定溶洞顶板稳定性的物质基础。
2、论文综合研究和分析了国内外有关岩溶地区桥梁桩基稳定性的研究方法,建立了抗弯、抗剪和抗冲切稳定性结构力学模型,在桩基荷载一定的情况下,推导出了溶洞顶板最小安全厚度、覆盖层厚度和溶洞跨度三者之间的关系。并结合论文选定的具有代表性的大桥——杨溪河大桥作为计算模型,分别对其断面上不同桩基下的溶洞顶板进行抗弯、抗剪、抗冲切进行验算,由此判断杨溪河大桥桥梁桩基处于不稳定状态。计算结果符合实际情况,说明运用抗弯、抗剪和抗冲切稳定性结构力学模型评价岩溶地区桥梁桩基稳定性是合理可靠的。
3、运用三维数值模拟软件FLAC3D,对杨溪河大桥6号桩基进行了一定荷载下的数值模拟计算,并分别运用应力、应变、塑性区等评价原则对其稳定性进行了评价,得出的结论与运用抗弯、抗剪和抗冲切稳定性结构力学模型计算的结果一致,即符合实际情况,也就是说数值模拟计算的结果也是合理可靠的。
4、针对杨溪河大桥桥梁桩基的不稳定性提出了拱形跨越的设计方案,并进行了相应的结构设计。通过结构计算,最终确定采用拱高f=16m,跨径为100m的抛物线型拱,中间带拉杆。对于论文所提出的拱形跨越设计方案及其所计算的拱高及跨径的安全性、经济性和对环境的影响均未得到验证,此方案有待进一步的研究。