考虑岩溶区地基和基桩差异的桩基设计计算方法研究

摘要

我国岩溶区分布广泛，随着我国基础建设的迅猛发展，大量建筑物或构筑物不可避免地建在岩溶发育地区。当桩基础作用在该类地基上时，经常遇到复杂的岩溶地层，一旦发生基础下的溶洞塌陷，将造成严重的工程事故。因此工程中对桩端下溶洞的处治非常慎重，“见洞就穿”是岩溶区桩基设计施工中的普遍现象。但是，大多数情况下，构筑物的基础不是每根桩桩端都有溶洞，而且多桩群下只有少数基桩桩端存在溶洞的情况也很常见。这种情况下，考虑地基和桩基的联合作用，对基础进行优化设计，这对加快工程进度，减少工程投资具有重要的现实意义。为此，本文采用理论分析与数值模拟的方法，针对多桩群下只有少数基桩桩端存在溶洞的情况，对岩溶区桩基设计计算方法进行较系统深入的研究，主要完成了以下工作:
　　 首先针对岩溶区桩基承载机理和设计方法的特殊性，深入分析了岩溶顶板的安全厚度和嵌岩桩在竖向荷载作用下的承载特性。考虑到桩-梁基础具有较高的整体刚度和稳定性，探讨了加强原基桩之间的横系梁成为加劲横梁，通过优化加劲横梁的刚度和基桩的桩径，对各桩桩顶荷载进行合理分配，达到提高桩端岩溶顶板稳定性的目的，并提出了考虑岩溶顶板、基桩、加劲横梁共同作用的岩溶区桩基设计思路。
　　 其次，针对岩溶顶板与桩基共同作用系统的特征，对溶洞顶板进行合理的简化，并提出相应的假设，根据岩溶顶板形态和边界条件，将顶板简化成典型的力学模型。根据岩溶顶板的厚跨比，将顶板分为薄板和中厚板，并分别利用薄板理论和Reissner中厚板理论提出了顶板沉降的计算公式。利用ADINA非线性有限元程序探讨了岩溶顶板在跨度3～10m、厚度1～10m范围内的情况，详细分析了顶板厚度、跨度、厚跨比、桩径等因素对溶洞顶板变形的影响。
　　 第三，针对溶洞导致基础下各基桩的差异性，提出了岩溶区桩基础的内力计算方法。并提出将加劲横梁、基桩、岩溶顶板作为一个整体考虑的设计思想，推导了加劲横梁和基桩的内力计算公式以及岩溶区完整基岩和下伏溶洞地基上的基桩的刚度计算公式，并提出了考虑岩溶区差异地基的桩基础设计流程。
　　 最后，对某工程算例进行了优化设计，并对本文的计算方法进行了验证。

目录

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摘要

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附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 溶洞顶板稳定性评价研究现状

1．3 岩溶区桩基承载力研究现状

1．4 岩溶地区嵌岩桩设计施工方法研究现状

1．5 本文的主要研究内容

第2章 岩溶区嵌岩桩承载特性分析

2．1 嵌岩桩竖向荷载传递的基本特征

2．1．1 桩-土摩阻力分析

2．1．2 桩-岩侧摩阻力分析

2．1．3 嵌岩桩桩端阻力分析

2．2 嵌岩桩下溶洞顶板特性分析

2．2．1 嵌岩桩作用下岩溶顶板安全厚度的计算方法

2．2．2 岩溶区桩基嵌岩深度的探讨

2．3 加劲横梁-基桩-岩溶顶板共同作用机理分析

第3章 岩溶区桩端岩层变形计算方法研究

3．1 概述

3．2 岩溶顶板与基桩作用系统的力学简化模型

3．3 基于薄板理论的岩溶顶板沉降分析

3．3．1 周边固支椭圆板的力学模型分析

3．3．2 固支圆板的力学模型分析

3．3．3 四边固支矩形板的力学模型分析

3．4 基于Reissner中厚板理论的岩溶顶板沉降分析

3．5 岩溶顶板沉降规律数值分析

3．5．1 ADINA在土木工程中的功能

3．5．2 模型的建立

3．5．3 结果整理与分析

第4章 岩溶区考虑地基差异的桩基设计理论研究

4．1 概述

4．2 桩基设计控制指标研究

4．2．1 岩溶地基的稳定性控制指标

4．2．2 桩基承载力及变形控制指标

4．3 桩端下伏差异地基的桩基计算

4．3．1 加劲横梁内力计算模型

4．3．2 下伏完整基岩桩竖向变形和刚度计算方法

4．3．3 下伏溶洞基桩竖向变形和刚度计算方法

4．3．4 下伏完整基岩桩转角刚度计算方法

4．3．5 下伏溶洞基桩转角刚度计算方法

4．4 基桩下伏差异地基的桩基础设计流程

第5章 某高速公路岩溶区桥梁桩基优化设计实例

5．1 工程概况

5．2 岩溶区桥梁桩基设计步骤

5．2．1 设计资料的综合分析

5．2．2 桩型、桩长和桩径的选择

5．2．3 确定基桩的根数及其在平面的布置

5．2．4 桩基础设计方案检验及桩端基岩稳定性验算

5．3 桥梁基础地质资料与原设计

5．4 桩基优化可行性分析

5．5 桩基优化设计方案

5．5．1 加劲横梁刚度对基桩桩顶荷载的影响

5．5．2 基桩桩径对桩顶荷载的影响

结语

参考文献

致谢

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