复杂溶洞地层中大直径桥桩基础的动力稳定性研究

摘要

我国岩溶发育的地区约占国土面积的1/3，同时我国又是一个地震多发国家，总面积的80％以上处于Ⅵ~Ⅸ度地震区，其中岩溶区占了很大一部分。随着中国经济的发展和西部大开发战略的推进，在岩溶地区进行的铁路、公路桥梁建设日益增多，由于岩溶区的特殊地质情况，使得较小的地震震级容易造成桥梁桩基较为严重的破坏。
　　目前，我国桥梁桩基围岩稳定性的评价理论尚不完善，缺乏对设计和施工的可操作性。尽管对溶洞-桩基共同作用体系的整体稳定性的问题许多专家学者也做过了研究，但是岩溶地区对桩基影响的大部分现有研究成果，为考虑静力作用以及单个溶洞的情况，事实上，岩溶地区溶洞分布较为复杂，通常以串珠状溶洞的形式出现，而目前的桩基础设计规范规定的计算方法并不能对这种相对复杂的溶洞分布情况提供有效的结果。因此，研究串珠状溶洞-桩基共同作用体系在地震作用下的整体稳定性对于指导岩溶地区工程建设，保障交通基础结构的安全与稳定性能，减少经济投资，加快施工进度等都具有较为重大的现实意义。本文采用理论计算与数值模拟相结合的方式，对复杂岩溶地层特别是串珠状溶洞地层中大直径桥桩基础的动力稳定性进行了较为系统深入的研究。论文的主要研究内容和成果如下：
　　①对岩溶地区“小震级高烈度”震害特点的原因进行分析，并利用EERA程序模拟岩溶区的地层分布进行地震波反演。将反演之后的地震波时程曲线以及地震波加速度短时均方根曲线与原曲线进行对比分析，探讨造成“小震级高烈度”现象的原因。
　　②根据溶洞-桩基体系在静力作用下的稳定性评价方法，利用莫尔库伦准则结合波动理论对不同烈度以及埋深的岩体强度进行分析，并根据弹塑性力学椭圆孔洞平面问题的应力计算公式求解存在溶洞的地层中溶洞周边的应力值。然后对溶洞顶板分别采用冲切、剪切、弯拉三种破坏模式进行分析，得到三种破坏模式下溶洞顶板安全厚度的理论计算公式，并对各公式中的自变量进行单因素敏感性分析。
　　③利用Abaqus软件对地震作用下单溶洞-桩基的稳定性进行分析，研究了洞径、桩径、单桩荷载、岩体黏聚力、地震波以及桩基荷载偏心距离等对溶洞顶板安全厚度以及桩端竖向位移的影响，并得到了各单因素与溶洞顶板安全厚度和桩端竖向位移的拟合曲线关系式。然后通过多元线性回归的方法得到溶洞顶板安全厚度和桩端竖向位移与各影响因素的回归模型，并对其进行优化。最后将溶洞顶板安全厚度的回归模型与理论计算公式进行对比分析，验证数值模拟的有效性。
　　④利用Abaqus软件对地震作用下串珠状溶洞-桩基的稳定性进行分析，研究了竖向排列双溶洞距离变化和尺寸变化分别对桩基作用溶洞顶板和溶洞底部两种情况的影响。比较了两种自变量的变化对地基内应力状态、位移分布等的影响，分析了在地震作用下桩岩接触面的相对位移以及下部溶洞对顶板安全厚度的影响等情况。