【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 位，所呈現(xiàn)的特性不同。樁身上部土層極限側(cè)阻值，隨長(zhǎng)徑比的增大而 變大，承載能力得到充分發(fā)揮；樁身中段土層極限側(cè)阻值，發(fā)揮比較穩(wěn)定；樁身下部土 層極限側(cè)阻值，隨長(zhǎng)徑比的增大而變小；即便是同一類型的土層，由于樁基礎(chǔ)長(zhǎng)徑比的 影響，樁身下段范圍的土層其極限側(cè)阻值，也比同一土層上部極限側(cè)阻值小。朱向榮[16]等認(rèn)為樁身軸力傳遞與成孔時(shí)間長(zhǎng)短、孔側(cè)壁土的松弛效應(yīng)大小以及“泥 皮”厚度等因素有關(guān)。樁成孔時(shí)間越長(zhǎng)，樁孔上部側(cè)壁土的松弛效應(yīng)越顯著,“泥皮” 厚度越大，上部軸力衰減越慢，樁身軸力傳遞的越深。樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮與樁的施工質(zhì)3第一章 緒論量密切相關(guān)。賴天文等[17]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)樁側(cè)摩阻力沿深度呈非線性變化。荷載較小時(shí)，變化較小，荷載較大時(shí)，變化增大。在同一深度處，地基土的摩阻力是隨著荷載的增大而逐漸發(fā)揮出來(lái)，其發(fā)揮程度與荷載水平有關(guān)；隨著荷載的增大，側(cè)摩阻力的最大值有逐漸向下移動(dòng)的趨勢(shì)。地基土摩阻力的極限值是按深度逐漸發(fā)揮。張建新等[18][19]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)分析，研究了嵌巖樁樁端阻力與樁側(cè)阻力的相互作用。分析結(jié)果表明，樁側(cè)阻力受樁端巖層影響較大，樁端巖石強(qiáng)度的提高有助于樁側(cè)阻力的增大，但增強(qiáng)效果只在樁端附近比較明顯，其他地方?jīng)]有明顯的增強(qiáng)效果。同時(shí)利用該模型，探討了樁側(cè)的粗糙程度對(duì)樁側(cè)阻力的影響。分析認(rèn)為，樁側(cè)孔壁粗糙程度直接影響著樁側(cè)阻力的大小和分布，并對(duì)其發(fā)展也產(chǎn)生一定影響。通過(guò)增大樁側(cè)孔壁的粗糙度，可以有效的提高鉆孔灌注樁的承載能力。戴國(guó)亮等[20]利用二維HockBrown破壞準(zhǔn)則為巖石破壞標(biāo)準(zhǔn)，基于“小孔擴(kuò)張理論”模擬嵌巖段樁側(cè)摩阻力的“剪切–滑移–膨脹”發(fā)揮機(jī)理，綜合考慮了樁體單元受到樁徑發(fā)生改變后由于巖體的徑向約束作用而產(chǎn)生的法向應(yīng)力，以及土、巖體由于重力的作用產(chǎn)生的豎向應(yīng)力導(dǎo)致的樁體表面的水平向法向應(yīng)力，分析討論了樁身軸力、巖石強(qiáng)度模數(shù)、巖體抗拉強(qiáng)度系數(shù)、巖樁剛度比、樁徑以及嵌巖比等因素對(duì)極限側(cè)阻力的影響。 溶洞問(wèn)題研究目前，對(duì)于巖溶區(qū)樁基礎(chǔ)的研究，主要集中于樁端存在溶洞時(shí)，溶洞頂板的安全厚度和穩(wěn)定性等問(wèn)題上，而對(duì)于樁側(cè)存在溶洞時(shí)樁基承載特性的問(wèn)題則鮮有研究?？岛駱s等[21]采用樁基自我平衡測(cè)試法與三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來(lái)研究隱藏有溶洞的橋梁樁基承載特性。研究結(jié)合實(shí)體工程，采用數(shù)值模擬方法建立溶洞樁基礎(chǔ)有限元分析模型，系統(tǒng)研究了溶洞頂板厚度、溶洞大小和溶洞位置不同條件下，對(duì)樁基礎(chǔ)承載力的影響。研究發(fā)現(xiàn)樁端底部到溶洞頂部的厚度是影響樁基承載力的主要因素。趙明華[22]等在總結(jié)歸納巖溶區(qū)溶洞頂板穩(wěn)定性分析方法的基礎(chǔ)上。針對(duì)目前樁端下伏溶洞頂板穩(wěn)定性驗(yàn)算方法中存在的問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。研究將格里菲斯判據(jù)和莫爾判據(jù)分別引入到巖溶頂板的抗沖切、抗剪驗(yàn)算中，并且全面考慮了樁端巖層剪切破壞和溶洞平面投影邊緣處巖層剪切破壞兩種破壞模式，研究還對(duì)完整、無(wú)裂隙頂板采用圓形固支板模型的抗彎穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。黎斌等[23]用三維有限單元法對(duì)樁基下的溶洞頂板進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算。采用多元線性4長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文回歸的方法分析得出樁底到溶洞頂部距離臨界值與溶洞大小與單樁設(shè)計(jì)荷載之間的關(guān)系式，并結(jié)合實(shí)際工程對(duì)所得關(guān)系式的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。蔣沖等[24]根據(jù)巖溶區(qū)樁端溶洞頂板系統(tǒng)的工程特點(diǎn)，引入突變理論和模糊理論，對(duì)巖溶區(qū)樁端溶洞頂板系統(tǒng)進(jìn)行多層次目標(biāo)分解，建立出符合其工程特點(diǎn)的巖溶區(qū)樁端溶洞頂板穩(wěn)定性評(píng)判層次結(jié)構(gòu)模型；依據(jù)突變理論基本原理，對(duì)各評(píng)判指標(biāo)進(jìn)行突變類型確定和突變類型歸一化公式的推導(dǎo)，并根據(jù)歸一化公式進(jìn)行量化遞歸運(yùn)算得到巖溶區(qū)樁端溶洞頂板穩(wěn)定性評(píng)判的總突變隸屬函數(shù)值的計(jì)算方法；引入模糊隸屬函數(shù)構(gòu)造方法，利用初始模糊隸屬函數(shù)和突變級(jí)數(shù)將突變理論和模糊分析結(jié)合起來(lái)，建立出巖溶區(qū)樁端溶洞頂板穩(wěn)定性分析的突變?cè)u(píng)判新方法。程曄等[25]定義溶洞頂板穩(wěn)定性安全系數(shù)為頂板巖體實(shí)際剪切強(qiáng)度與折減到臨界破壞時(shí)的剪切強(qiáng)度之比值。采用強(qiáng)度折減技術(shù)、彈塑性有限元和二分法等相結(jié)合的方法對(duì)基樁下溶洞頂板穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行探索。結(jié)果顯示，所提出的方法既能得到符合溶洞頂板穩(wěn)定性且物理意義明確的安全系數(shù)，而且可以預(yù)測(cè)到可能出現(xiàn)的破壞面及破壞過(guò)程。曹文貴等[26][27]基于巖溶區(qū)樁基樁端巖溶頂板穩(wěn)定性影響因素取值的隨機(jī)性、模糊性以及區(qū)間性特征，采用三角模糊數(shù)表示計(jì)算參數(shù)取值可能性分布，以此為基礎(chǔ)建立出同 時(shí)考慮抗沖切、抗剪與抗彎作用的樁端巖溶頂板穩(wěn)定性模糊極限平衡分析模型；綜合運(yùn) 用 HoekBrown 經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則、巖體質(zhì)量分類指標(biāo) RMR 以及模糊數(shù)學(xué)理論建立起計(jì)算參 數(shù)三角模糊數(shù)確定方法，并運(yùn)用截集技術(shù)與區(qū)間數(shù)運(yùn)算規(guī)則計(jì)算相應(yīng)的安全系數(shù)模糊 集；在探討功能函數(shù)合理確定方法基礎(chǔ)上，采用模糊能度可靠性理論，對(duì)樁端巖溶頂板 穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出其模糊能度可靠性分析方法。采用數(shù)值流形分析方法對(duì)巖溶區(qū)公 路路基頂板安全厚度進(jìn)行確定，在此基礎(chǔ)上利用強(qiáng)度折減技術(shù)對(duì)公路路基巖溶頂板穩(wěn)定 性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并采用枚舉優(yōu)化法探討巖溶頂板穩(wěn)定性與溶洞頂板厚度、溶洞跨度及規(guī)模 等的關(guān)系，從而建立起確定巖溶區(qū)路基頂板安全厚度的新方法。符策簡(jiǎn)[28]認(rèn)為溶洞頂板以及溶洞本身的變形是評(píng)價(jià)含隱伏溶洞巖溶地基穩(wěn)定性最 為直觀的技術(shù)指標(biāo)，在巖土自重和樁基的外附荷載作用下，確定橋基隱伏溶洞頂板安全 厚度為 m 能夠滿足穩(wěn)定性要求，突破了設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)溶洞厚跨比必須大于 的要 求。采用數(shù)值模擬分析，研究了橋基下溶洞及頂板的變形規(guī)律。在施工荷載加載過(guò)程中，通過(guò)鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶洞及頂板巖體的變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)模擬分析結(jié)果的可靠性給予了驗(yàn)證。5第一章 緒論對(duì)于巖溶頂板安全厚度的問(wèn)題，陳勇鴻等[29]提出了最小安全厚度的確定思路。先對(duì)公路路基的變形破壞判據(jù)進(jìn)行確定,然后根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論對(duì)巖溶坍塌引起的上覆巖體的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后根據(jù)變形破壞判據(jù)確定開(kāi)挖引起的巖體損害向上傳遞的高度，依靠所得傳遞高度來(lái)確定溶洞頂板最小安全厚度。該方法不僅可以用于評(píng)價(jià)公路下伏巖溶對(duì)路基的穩(wěn)定性影響，而且可預(yù)測(cè)出溶洞坍塌引起的地表變形。廖春芳等[30]在探討巖溶頂板安全厚度傳統(tǒng)半定量分析方法存在缺陷的基礎(chǔ)上。結(jié)合某工程巖溶及采空區(qū)路基穩(wěn)定性的特點(diǎn)，提出利用有限元分析手段和枚舉優(yōu)化理論確定巖溶及采空區(qū)巖層頂板安全厚度的方法。既可以給出全部分析范圍的各種應(yīng)力等值線，還可以得到破壞域、節(jié)點(diǎn)位移等。 研究思路與內(nèi)容 研究思路國(guó)內(nèi)外對(duì)巖溶樁基存在溶洞時(shí)的研究主要考慮溶洞在樁底部時(shí)的溶洞頂板穩(wěn)定性以及樁穿越溶洞時(shí)的受力特性問(wèn)題，而對(duì)考慮樁側(cè)存在有溶洞時(shí)對(duì)樁基承載特性的影響的研究較少。當(dāng)實(shí)際工程中存在此類問(wèn)題時(shí)，樁基的設(shè)計(jì)與施工往往缺乏理論依據(jù)，多 種不確定因素的出現(xiàn)往往會(huì)造成資源的浪費(fèi)。為此，本文通過(guò)分析巖溶地區(qū)樁側(cè)存在溶 洞時(shí)對(duì)樁基承載特性的影響因素，來(lái)研究樁側(cè)溶洞對(duì)樁基穩(wěn)定性的影響；采用數(shù)值模擬 方法研究溶洞與樁在不同水平距離下對(duì)樁基承載力的影響變化規(guī)律，對(duì)樁基荷載傳遞特性及受力分析進(jìn)行研究。 研究?jī)?nèi)容基于對(duì)國(guó)內(nèi)外巖溶區(qū)樁基礎(chǔ)相關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)真研究分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合非巖溶區(qū)樁基礎(chǔ) 的受力特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)巖溶區(qū)大直徑樁豎向承載特性進(jìn)行了深入研究，主要研究?jī)?nèi)容為：（1）巖溶區(qū)樁巖間相互作用機(jī)理分析；（2）巖溶區(qū)樁長(zhǎng)、樁徑、溶洞大小及樁洞間水平距離對(duì)大直徑樁豎向承載特性影響的研究；（3）巖溶區(qū)大直徑樁基合理設(shè)計(jì)與施工方法的研究。6長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 樁巖相互作用機(jī)理分析巖石的變形特性既與巖石本身的材料特性密切相關(guān)，同時(shí)還會(huì)隨著環(huán)境變化和作用 時(shí)間長(zhǎng)短不同而發(fā)生變化。對(duì)巖石的基本工程性質(zhì)及其變形特性進(jìn)行研究分析，有利于了解樁基荷載傳遞規(guī)律。對(duì)于巖溶地區(qū)采用大直徑嵌巖樁，樁側(cè)阻力作用不可忽視，有時(shí)甚至作為樁基承載 力組成的主要部分。由于目前大直徑樁的受力機(jī)理尚未完全清晰，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行巖溶 地區(qū)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)仍持謹(jǐn)慎態(tài)度。巖溶地區(qū)嵌巖樁的廣泛應(yīng)用，使得對(duì)其承載機(jī)理的研究變得很有價(jià)值，因?yàn)橹挥性谂鍣C(jī)理的基礎(chǔ)上，才能使樁的設(shè)計(jì)盡可能地合理化。 巖石工程性狀 巖石變形特性巖石受力產(chǎn)生變形，其變形特性對(duì)巖土工程的安全性及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要意義，與巖石相關(guān)的工程設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)都應(yīng)以了解巖體的變形特性為基礎(chǔ)[31]。巖石的變形特性既與巖石本身的材料特性有關(guān)，同時(shí)還與其所處周圍環(huán)境變化和作用的時(shí)間長(zhǎng)短密切相關(guān)。對(duì)于一般情況下的巖石來(lái)說(shuō)，通常可以認(rèn)為是一種近似的彈脆性體，主要依靠彈性理論的方法對(duì)其進(jìn)行研究。巖石的變形只有通過(guò)在應(yīng)力作用下的變形過(guò)程才能表現(xiàn)出來(lái)。因此，研究巖石的變形特性就必須先研究應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。不同的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征決定了巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀，通過(guò)對(duì)大量資料的總結(jié)、分析及研究，發(fā)現(xiàn)不同種類巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以用一條典型應(yīng)力應(yīng)變曲線表示，如圖 21 所示。根據(jù)其變化特點(diǎn)，可將巖石變形的整個(gè)過(guò)程劃分為四個(gè)階段：（1）微裂隙閉合階段（圖 OA 段）：是巖石剛開(kāi)始受力的階段，由于壓力很小，此時(shí)巖石內(nèi)部承載能力最低的薄弱部分的變化是導(dǎo)致巖石表觀上變形的主要原因。實(shí)際上這是巖石中原本存在的微小裂隙閉合或者被壓緊，形成的早期非線性變形。此曲線呈上凹型，斜率隨著應(yīng)力的增加而逐漸增大，表明開(kāi)始階段微裂隙閉合較快，隨壓力增大呈減小趨勢(shì)。（2）彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（ABC）：巖體中的微小裂隙進(jìn)一步閉合，巖體受壓而出現(xiàn)彈性變形，隨著應(yīng)力的增加逐漸產(chǎn)生新的裂隙。s e 曲線在 AB 段呈直7第二章 樁巖相互作用機(jī)理分析線形式，應(yīng)力應(yīng)變成正比關(guān)系，隨s 增大逐漸變?yōu)榍€關(guān)系。由以上分析知，該階段可劃分為彈性變形階段（AB）與微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（BC）。AB 段的變形主要是彈性變 形，B 點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力稱為比例極限或彈性極限。BC 段的變形主要是由新裂隙而引起的 塑性變形，當(dāng)荷載保持不變時(shí)，微裂隙將停止發(fā)展。C 點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服極限。σDCBAε0圖 21巖石典型應(yīng)力應(yīng)變曲線（3）裂隙非穩(wěn)定發(fā)展和破壞階段（CD 段）：由于微破裂所造成的應(yīng)力集中顯著，破裂在外荷載保持不變的情況下仍會(huì)發(fā)展，其破壞先發(fā)在某些薄弱部位，造成應(yīng)力重新分布，繼而又引起新的薄弱部位破壞，依次循環(huán)下去直到試樣完全破壞。此時(shí)，試樣體積由減小轉(zhuǎn)為增大，試樣所承受的荷載達(dá)到最大值。在此階段，對(duì)于具有剛性聯(lián)結(jié)的致密堅(jiān)硬巖石應(yīng)變量很小，而具有柔性聯(lián)結(jié)的粘土巖應(yīng)變量則很大。D 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為峰值應(yīng)力，在單軸應(yīng)力條件下即巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。（4）破壞后階段（D 點(diǎn)以后）：巖石承載能力達(dá)到最大值以后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)被全部 破壞，裂隙快速發(fā)育并形成宏觀斷裂面，但基本上扔保持整體狀態(tài)。巖石變形主要表現(xiàn) 為沿?cái)嗔衙娴幕?，試樣的承載力隨變形的增大迅速下降，達(dá)到很小但不為零，說(shuō)明即使碎裂的巖石，仍具有一定的強(qiáng)度。圖 21 是巖石在單軸壓力條件下變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線，呈現(xiàn)出巖石變形的一般規(guī) 律。但現(xiàn)實(shí)中，巖溶地區(qū)的巖石由于自身的礦物成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不一定與一般規(guī)律一 致。但總體而言，巖石的變形主要分為兩個(gè)階段：一是峰值前階段；二是峰值后階段。所謂三軸壓縮試驗(yàn)，是指在試樣上同時(shí)施加 3 個(gè)方向相互垂直的力的壓縮試驗(yàn)。一8長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文般將這三個(gè)力按主應(yīng)力大小分為以s1 ，s2 和s3 表示。3 個(gè)主應(yīng)力的組合中s1 s2 = s3 ，稱等圍壓三軸狀態(tài)，是我們主要討論的。 對(duì)于巖石在三軸壓力下的變形特征通常也是利用應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)研究。像單軸壓力下那樣，三軸壓力下的應(yīng)力應(yīng)變曲線也有多種，其中最常用的是應(yīng)力差（s1 s3 ）軸向應(yīng)力應(yīng)變（ε）關(guān)系曲線。日本學(xué)者茂木清夫?qū)⑵涞湫突癁槿鐖D 22 所示的形狀，并分為四個(gè)變形階段：OA 段：稱彈性變形階段。彈性模量主要表征這一階段的性質(zhì)。A 點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力即比例極限，對(duì)于巖石來(lái)說(shuō)，此值與屈服極限極相近。AB 段：稱塑性變形階段。在此階段內(nèi)微裂隙不斷發(fā)展，直至 B 點(diǎn)，巖石破壞。B點(diǎn)的應(yīng)力為破裂應(yīng)力或巖石的峰值強(qiáng)度。BC 段：稱應(yīng)力下降階段。B、C 兩點(diǎn)間的應(yīng)力差稱為應(yīng)力降。C 點(diǎn)以后：稱摩擦階段。巖石已經(jīng)破裂，對(duì)于作用力全靠破裂面上的摩擦力維持，即巖石的殘余強(qiáng)度。σ 1σ 3BACε0圖 22 三軸壓力下（s1 s3 ）ε 曲線3．圍壓對(duì)巖石變形與破壞的影響圍壓對(duì)巖體變形模量的影響因巖體自身性質(zhì)不同而變化，對(duì)裂隙少且較硬的巖石具有較小影響，對(duì)裂隙較多且相對(duì)較軟弱的巖石有較大影響。隨著圍壓增大，巖石的變形模量和泊松比都有不同程度的提高。這時(shí)的變形模量 E 可用式（21）確定：E = e1 (s1 2ns3 )a（21）式中 a、σ1——分別為軸向應(yīng)變與應(yīng)力；9第二章 樁巖相互作用機(jī)理分析σ3——圍壓。在三軸壓縮條件下，巖石的破壞形式主要分為脆性劈裂、剪切及塑性流動(dòng)等