Stability analysis of subgrade cave roofs in karst region

According to the engineering features of subgrade cave roof in karst region, the clamped beam model of subgrade cave roof in karst region was set up. Based on the catastrophe theory, the cusp catastrophe model for bearing capacity of subgrade cave roof and safe thickness of subgrade cave roof in karst region was established. The necessary instability conditions of subgrade cave roof were deduced, and then the methods to determine safe thickness of cave roofs under piles and bearing capacity of subgrade cave roof were proposed. At the same time, a practical engineering project was applied to verifying this method, which has been proved successfu1ly. At last, the major factors that affect the stability on cave roof under pile in karst region were deeply discussed and some results in quality were acquired.

桥梁荷载作用下巨型岩溶洞穴顶板稳定性研究

某高速公路桥墩基础完全置于巨型溶腔上部,通过定性、半定量、定量的方法对岩溶洞穴顶板稳定性进行综合分析评价,确定了桥型方案,然后通过地表变形监测,验证稳定性综合评价方法的合理性。

基于变权模糊综合评判理论的桩基下岩溶顶板稳定性评价

常权层次分析法在评价桩基下岩溶顶板稳定性中存在准确性较低的问题。基于变权理论对评价指标的结构模型进行改进,构建一种有效的判定稳定性的数学评价方法。以岩溶发育区深圳市轨道交通三号线停车场为研究区,利用故障树分析理论得到影响桩基下岩溶顶板稳定性的主要因素,通过解析结构模型理论确定稳定性评价指标的结构模型,依据模糊数学提出的层次分析法、变权理论的综合评价方法等手段对稳定性进行评价,并与常权下的稳定性评价结果对比。结果表明:(1)基于故障树分析理论得到的稳定性评价因素,可以系统评估稳定性,确定可能发生的事件路径,识别高风险区域,克服评价因素不全面的问题;(2)引入的变权模糊综合评价方法从“惩罚”变权的机制确定了需要变权的评价因素,通过放大评价因素的影响达到准确评价现场实际情况的目的;(3)变权模型下研究区稳定性等级为“不稳定”,相较于与常权模型下“较不稳定”的评价,变权模糊综合评价模型计算结果更符合现场勘查结果。研究表明基于变权理论的桩基下岩溶顶板稳定性评价方法能反映研究区整体稳定性水平,对类似岩溶工程的前期稳定性判别具有重要的参考意义。

考虑裂隙影响的桩端岩溶顶板破坏形态与安全厚度

为了研究桩端岩溶顶板破坏形态和安全厚度受岩体质量的影响,借助离散元软件,建立含节理裂隙的岩溶顶板承载计算模型,揭示顶板损伤断裂破坏细观机制,明确含裂隙顶板破坏形态,以此为基础提出考虑裂隙影响的顶板安全厚度修正计算法。研究表明:完整岩体岩溶顶板表征出典型的脆性破坏,破坏临界位移仅为较破碎岩体的60%,对应的破坏荷载则大了67.5%,岩体裂隙会明显影响桩基安全冗余度的判断,实际工程应充分考虑;桩基荷载作用下含裂隙岩溶顶板发生渐进破坏,主要经历局部压缩、微裂隙闭合→新裂隙萌生、旧裂隙扩展→形成宏观裂纹并张开→生成贯通破坏面与断口,岩体割裂成块→破坏面发展,岩体割裂加剧→形成滑动带,顶板整体破坏;岩溶顶板因错综复杂分布的节理裂隙,其空间破坏形态并非遵循规则的椎台,也非以特定曲线为母线的旋转体,而是源于裂隙的空间不规则破坏体;提出了考虑岩体节理裂隙和桩基荷载作用的岩溶顶板安全厚度修正分析方法,与模型试验结果对比表明,修正计算具备合理性。

断层裂隙带隐伏岩溶水条件下巷道冒顶处理技术应用

喀斯特地貌区域岩石经过长时间的溶蚀作用,形成了众多的地下溶洞和裂隙,这些裂隙在地下水的作用下会进一步扩大和发育,给地下工程和矿山开采等活动带来了一定的地质风险。针对断层裂隙带隐伏岩溶水巷道冒顶事故,以瓮福磷矿磨坊矿1080回风巷冒顶事故为工程背景,阐述了巷道冒顶地点的特征,综合提出了“钢拱架超前管棚+充填混凝土法”巷道支护方法,形成了包含施工工艺、人员配置与机械配置等内容的巷道冒顶处理方案;分析了施工期间的风险源,并提出了相应的防控措施与安全技术保证措施;最后通过施工实践证明了支护方案的可靠性,为相似条件巷道冒顶事故提供了借鉴参考。

岩溶顶板稳定性对桩基承载性能影响研究进展

基于岩溶区桩基承载性能问题,从研究方法、岩溶发育程度、影响因素3个层面对岩溶顶板稳定性对桩基承载性能影响进行介绍,并对其未来发展方向进行了展望。结果表面:①岩溶顶板稳定性对桩基承载性能影响研究方法有理论研究、现场及室内试验、数值分析;②对岩溶地区进行桩基础工程设计时需重复考虑该地区的岩溶发育程度;③岩溶顶板强度、岩溶顶板倾倒角度、岩溶顶板厚度为岩溶区桩基承载性能的主要影响因素;④实际工程缺乏实地观测和实测数据支撑,需要加强岩溶地区桩基与岩溶顶板之间的关系研究,还需要进行更多的室内试验和数值模拟分析,以深入研究岩溶顶板的形成机制和工程特性。

城市屋顶雨水回灌裂隙岩溶含水层的国内外案例介绍——兼对济南市屋顶雨水回灌裂隙岩溶含水层问题的思考

通过监测和分析济南市市区降水、屋面雨水水质和径流过程,屋顶雨水属微污染类水,经前期雨水弃流和预处理达到一定质量标准后,通过管井回灌到裂隙岩溶含水层,可用于饮用水供水和保护地下水环境。已做的示踪试验表明,北方岩溶含水介质多属多重裂隙岩溶通道,因此在人工开采条件下,回灌应关注快、慢速流带来的不同水质变化问题,包括屋面雨水与裂隙岩溶介质的水岩作用。澳大利亚的案例说明,裂隙岩溶含水层对不同污染物有着不同的衰变效果。100多年来Mount Gambier市城区雨洪水经非承压石灰岩含水层径流一直排放到作为城市供水的蓝湖,到目前它对蓝湖水质没有表现出任何可量度的损害。但对于济南市的屋顶雨水回灌裂隙岩溶含水层,仍有许多问题需要研究。

桥基岩溶洞穴顶板稳定性综合评价

以青溪大桥桥基岩溶洞穴围岩工程地质条件定性分析为基础,在岩土自重和桩基的外附荷载作用下,利用定性分析、结构力学的半定量分析方法和三维有限元定量计算手段,对桥墩所在位置的溶洞顶板稳定性进行了综合评价。通过对不同厚度下溶洞顶板的应力和位移的力学响应分析,认为在确保单桩桩端标高选在强岩溶发育带以下的稳定岩层上,且顶板厚度大于8.0m,才能满足溶洞顶板的稳定性要求。考虑到青溪大桥4#桥墩所在承台基坑开挖的爆破震动影响,设计溶洞顶板安全厚度取值为8.5m,并采用钻孔多点位移计对施工荷载施加过程中溶洞及顶板岩体的变形进行了现场监测,结果表明,突破常规设计要求的8.0m溶洞顶板厚度施工是安全稳定的,大大节约了溶洞处理费用,并为类似的岩溶洞穴稳定性施工提供了有力的技术支持。

不同厚度溶洞顶板与基桩作用机理室内模型试验研究

根据相似理论,设计了3组不同厚度条件下溶洞顶板破坏模式的大比例模型试验,得到了顶板和基桩的荷载-位移曲线、顶板底部的极限应变曲线和不同厚度条件下溶洞顶板的破坏特性。试验结果表明:当溶洞顶板厚度为1d,2d时,发生冲切破坏,冲切体为圆台;当溶洞顶板厚度为3d时,顶板则以弯拉破坏为主,无冲切体产生。在荷载-位移曲线中,线性阶段转变为非线性阶段的临界点约为极限承载力的一半。最后通过理论计算的方法,获得溶洞顶板最小安全厚度计算公式,分析结果与试验结果吻合较好,能满足工程计算精度要求。本文试验成果是基于工程最不利情况得出的,可供岩溶区基桩初步设计参考。

非均布路基荷载下溶洞顶板稳定性分析

基于Boussinesq解求得在非均布路基荷载作用下溶洞顶板上的附加应力,利用MATLAB采用高阶次函数拟合顶板上附加应力的分布形式;将计算结果与上覆土层和顶板的自重作用相叠加,得到溶洞顶板分别按简支梁、固支梁和悬臂梁计算时的最大弯矩和最大剪力;进而,通过对溶洞顶板最大拉应力和最大剪应力的计算,用以判定溶洞顶板抗弯和抗剪切的稳定性,从而提出一种非均布路基荷载下溶洞顶板的稳定性评价方法。最后,引入稳定系数,从路基荷载的分布形式、溶洞与路基荷载的相对位置、溶洞顶板的厚度以及顶板跨径四个方面进行参数分析;并通过工程算例对比分析,验证本文方法的可行性和合理性。

桩端岩溶顶板的破坏特征试验与理论计算模型研究

基于分离相似设计方法,开展了顶板厚度和溶洞直径变化下桩端顶板的破坏特征模型试验,并构建了相应的安全厚度理论计算模型。1)溶洞顶板厚度的大小影响了桩基嵌岩端荷载的传递路径,厚度越大传递范围越广,形成的剪切带体积越大。顶板厚度t≤1.0d时(d为桩径)顶板临空面处易发生冲切破坏,此时溶洞顶板的自身稳定性起控制作用,顶板厚度越小,溶洞临空面处脱落体积越小;顶板厚度1.0d<t≤2.0d时,表现为锥形冲切失稳驱动上部剪切错动的破坏;顶板厚度t>2.0d时,表现为上部剪切错动驱动临空面的锥形冲切失稳,且溶洞直径小于剪切错动体的横向宽度时,剪切破坏最终发生在桩-岩界面的竖向投影范围以内。顶板厚度较小,对应的Q-S曲线为典型的陡降型曲线,而厚度较大时Q-S曲线为典型的缓变型。2)顶板具有一定厚度情况下(t≥2.0d),洞径较小(l≤3.0d)时,桩端剪切变形较为显著,上部剪切错动达到一定程度后,顶板临空面才发生冲切破坏,此时Q-S曲线呈现缓变型趋势;洞径较大时(l>3.0d),顶板临空面处冲切现象较显著,且洞径越大锥形冲切块的体积越大,此时Q-S曲线呈陡降型变化特征。3)以锥形冲切破坏计算模型进行工程设计风险较大,而冲-剪破坏理论模型与顶板岩体强度、完整性、桩径、嵌岩深度、施工方法及工艺等相关,故现场条件下即可计算出顶板的最小安全厚度值。

西南地区煤层顶板岩溶含水层富水性评价指标体系构建及突水危险性评价

西南地区是世界上最大的连片裸露碳酸盐岩分布区,在长期的岩溶作用下,该地区二叠系煤层顶板的吴家坪组、长兴组、夜郎组玉龙山段等碳酸盐岩地层广泛分布溶洞、洼地、落水洞、地下暗河等岩溶形态,煤层顶板岩溶含水层富水性强弱具有明显的空间分布不均一性、各向异性。煤层开采过程中,一旦顶板导水裂隙带发育高度到达强富水区域,极易造成矿井突水灾害。根据西南地区岩溶地下水赋存特征,在考虑因素对含水层富水性影响程度的基础上,从岩溶发育程度、含水层岩性组合、地质构造、含水层水文地质参数和地形地貌5个方面,确定了12项评价指标,构建了较全面的西南地区煤层顶板岩溶含水层富水性评价指标体系。在此基础上,基于GIS和网络层次分析法(ANP)建立了煤层顶板岩溶含水层富水性评价模型,实现了典型煤矿煤层顶板岩溶含水层富水性分区。同时进一步根据开采厚度、开采深度和岩性组合的空间分布差异,制作了导水裂隙带高度分区计算图,对不同地质条件下的煤层开采过程进行了数值模拟计算,得到典型煤矿导水裂隙带发育高度分区计算结果。利用导水裂隙带高度与目标含水层底板标高进行比较判断突水发生的可能性,当导水裂隙带到达含水层,则根据含水层富水性的强弱判断突水危险性的大小,以此为原则,对典型煤矿煤层顶板突水危险性进行了分区评价,并结合以往突水案例,对评价结果的准确性进行了验证。提出的西南地区煤层顶板岩溶含水层富水性和突水危险性评价方法可以为相关领域的研究提供一定的参考。

岩溶区桥基下伏溶腔顶板安全厚度分析

研究目的:以某客运专线岩溶区大桥为例,结合溶腔实际空间分布形态,对桥基荷载作用下溶腔岩体应力特征进行三维有限元分析,确定溶腔顶板的安全厚度。研究结果可为岩溶地区高速铁路、客运专线桥梁基础设计提供参考。研究结论:溶腔顶板厚度为30m和25m时,桥基附近岩体安全系数均在1.2以上,溶腔顶板安全系数在1.3以上,溶腔顶板是安全的;溶腔顶板厚度20m时,溶腔洞周局部岩体安全系数约1.1,溶腔顶板基本是安全的,但岩体强度储备不足。本工程桥基荷载作用下溶腔顶板最小安全厚度约为20m,对应基础最大埋深为13m;基础设计埋深为8m,溶腔顶板是安全的。

广清高速改扩建工程桩基溶洞顶板稳定性研究

针对广清高速公路改扩建工程,选取两个典型桥梁桩基存在下伏溶洞工点,构建溶洞地质概化模型。采用理论分析和数值模拟方法研究桩基溶洞顶板的稳定性,以便为岩溶区桩基设计、施工提供依据。通过规范方法确定桩底作用在溶洞顶板上的荷载,通过成层地基和地应力计算方法计算上覆岩土层作用在顶板上的自重应力。对溶洞顶板分别进行抗冲切、抗剪切、抗弯验算,分别求出稳定系数和桩底竖向极限荷载。运用ANSYS数值模拟方法,对顶板位移、第一主应力和塑性应变进行分析,计算得出桩底竖向极限荷载。理论分析与数值模拟结果对比表明桩基溶洞顶板处于稳定状态,抗剪切、抗弯验算是桩基下溶洞顶板稳定性分析的主要验算指标。

岩溶区高速公路路堤及溶洞顶板稳定性数值分析

采用大型通用有限元软件ABAQUS对某室内模型试验进行了数值模拟,验证了三维有限元法进行洞室结构稳定性分析的可靠性。结合永武(永安-武平)高速公路A11合同段岩溶地质资料,将溶洞近似为与实际相近的椭球状,建立岩溶区路堤的三维有限元模型,分析溶洞顶板厚度、填方高度、溶洞位置以及溶洞充填状况对路堤及溶洞顶板稳定性的影响。为与现行顶板安全厚度确定方法进行比较,进行二维平面应变有限元分析。研究表明,对于较完整的顶板岩层,按顶板受拉破坏稳定安全系数为4确定的安全厚度过于保守,按梁板理论弯曲受拉破坏确定的安全厚度也偏于保守,是由于实际顶板岩层并不完全符合梁板理论的简化假设,而以有限元分析所得最大弯矩按梁板弯曲受拉破坏确定的安全厚度最为经济;实际工程中三维效应明显的溶洞,现行理论简化和二维数值分析法都较为粗糙,宜采用三维数值分析法。通过对上述问题的分析,为该高速公路岩溶区填方路段的设计和溶洞的处治与否提出指导性意见,已创造较好的经济效益和社会效益,可供类似工程应用时参考。

岩溶洞穴工程地质条件与顶板稳定性评价

从定性、半定量和定量分析三个方面对岩溶洞穴顶板稳定性评价方法进行了讨论。指出选用合适的物探手段进行调查,开展室内和现场的岩体物理力学试验,特别是加强相似模型试验和数值分析研究,综合考虑裂隙水、大气环境共同作用,是综合评价岩溶洞穴稳定性的发展方向。

相似理论在溶洞顶板稳定性数值分析中的应用

溶洞顶板稳定与否是多方面因素综合影响的结果。将相似理论应用于溶洞顶板稳定性的数值计算中,通过正交分析得到了各影响因素与临界安全厚跨比的相互关系。通过对大量数值模型计算结果的多因素回归分析,得出了临界安全厚跨比的计算方程,该方程既考虑了基础与洞室的几何因素,同时也考虑了岩体的力学因素。经工程实例检验,所得计算方程具有一定的适用性与可靠性。通过以上研究表明,相似理论可有效应用于岩土工程数值计算中。

考虑基桩嵌岩段侧阻的岩溶区顶板安全厚度计算

为考虑岩溶区基桩嵌岩段侧阻力的影响,提出了一组确定岩溶区桩端顶板安全厚度的计算方法。考虑顶板的整体承载效应,结合弹性力学及第一强度理论,得到了顶板抗弯安全厚度计算式;考虑嵌岩段桩侧摩阻力对桩顶荷载的分担作用,结合格里菲斯判据及摩尔判据,获得了顶板抗冲切和剪切的安全厚度计算公式,进而运用ABAQUS建立了岩溶顶板与基桩整体分析计算模型,有限元计算结果与理论计算值吻合良好。结合工程实例重点分析了顶板厚跨比对抗弯安全厚度的影响,顶板岩层厚度对抗冲切、剪切安全厚度的影响以及嵌岩段侧摩阻力系数?对顶板安全厚度计算的影响。

基于模糊综合判别的岩溶地区煤层顶板涌(突)水危险性总体评价

为了有效地预防煤层顶板水害的发生,在系统地分析了岩溶地区煤层顶板的含水层富水性特征、构造特征、有效隔水层性质、开采扰动对煤层顶板影响的基础上,结合模糊综合评判法,建立了岩溶地区煤层顶板涌(突)水危险性总体评价方法。结合贵州黔西地区青龙煤矿实例,对该矿煤层顶板涌(突)水危险性进行了总体评价,评价结果和实际情况相符,证明了该方法的可行性和准确性。

非对称荷载下溶洞顶板极限承载力计算

针对非对称荷载下溶洞顶板极限承载力问题,引入抛物线形式的Hoek-Brown强度准则,并假定非对称荷载下溶洞顶板的冲切破坏体为轴对称旋转体。采用极限分析上限法建立了冲切破坏体的功能方程,利用变分原理和偏导求得了非对称荷载下溶洞顶板冲切破坏模式的极限承载力计算表达式。最后通过室内试验验证了理论方法的合理性,并分析了厚径比h/D、荷载位置偏移量e及岩体地质力学分类指标GSI对溶洞顶板极限承载力的影响。结果表明:(1)当e一定时,随着厚径比h/D的增加,顶板极限承载力大致呈线性增长,增大到一定值时,溶洞对顶板承载力无影响,顶板极限承载力趋向于完整基岩承载力;(2)当h一定时,随着荷载位置偏移量e的增大,溶洞顶板极限承载力呈非线性增长,增大到一定值时,溶洞对顶板承载力无影响,顶板极限承载力接近完整基岩承载力;(3)当h一定时,随着GSI的增大,顶板极限承载力增长的幅度逐渐变大。其中对于h为2D的溶洞顶板,且当GSI为44,e为0,0.25l,0.5l时,顶板的极限承载力分别为1.8,2.2,3.6 kN;当GSI为100时,相应的极限承载力分别为24,29,43 kN,近似为前者的12倍。因此GSI的选取对承载力的确定有重要意义,可为实际工程设计提供参考。