一种基于多种破坏模式的溶洞桩基承载能力计算方法与流程

1.本发明涉及土层或岩石的钻进技术领域，具体而言，涉及一种基于多种破坏模式的溶洞桩基承载能力计算方法。


背景技术：

2.溶洞形态各异，且桩基与溶洞的相对位置有多种情况，不同的溶洞形态、溶洞顶板厚度、溶洞顶板倾斜角度通常决定溶洞与桩基的破坏模式，如剪切破坏模式、冲切破坏模式等。就目前而言，现有的研究方法通常针对桩基与规则不良地质体(溶洞)简单的相对关系下桩基极限承载力与溶洞顶板最小厚度，并在溶洞顶板倾斜的情况下对溶洞桩基的承载力进行考虑，当此情况出现时，极易造成严重的安全事故。基于此，我们设计了一种基于多种破坏模式的溶洞桩基承载能力计算方法，对岩溶区溶洞桩基的工程施工具有理论指导意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于多种破坏模式的溶洞桩基承载能力计算方法，其用于解决上述技术问题。
4.本发明的实施例通过以下技术方案实现：
5.一种基于多种破坏模式的溶洞桩基承载能力计算方法，该方法的步骤包括：
6.获取溶洞数据，设定溶洞直径为d，溶洞顶板厚度为h，顶板倾角为γ，结合顶板倾角、溶洞的直径大小及溶洞与桩基相对位置关系，获取溶洞桩基的多种破坏模式；
7.基于溶洞桩基的多种破坏模式建立以o点为原点，od为极轴的极坐标系方程组，通过matlab模块对极坐标系方程组进行计算，根据计算结果分析溶洞顶板厚度和溶洞直径大小对方程组解的相关关系，构建溶洞桩基极限承载力计算公式；
8.基于abaqus模块对溶洞桩基的多种破坏模式进行数值模拟，并基于数值模拟结果验证溶洞桩基极限承载力计算公式的可行性是否达到预期值，若否，则返回上一步骤；若是，则完成多种破坏模式下的溶洞桩基承载能力计算公式的构建，流程结束。
9.可选的，所述溶洞桩基的多种破坏模式分为第一破坏模式、第二破坏模式、第三破坏模式、第四破坏模式和第五破坏模式。
10.可选的，所述极坐标系方程组的计算公式为：
11.[0012][0013][0014][0015][0016][0017][0018]
其中，ψ、η为serrano理论参数，为溶洞岩石内摩擦角，d为溶洞直径，h为溶洞顶板厚度，γ为顶板倾角，ρ
ab
、ρ
ac
为以o点为中心的对数螺旋线，θ为极角，d为桩径，ω为∠koc，α为假定虚拟破坏面倾角。
[0019]
可选的，所述溶洞桩基极限承载力计算公式为：
[0020][0021]
其中，a为与拟合范围有关的系数，为hoek-brown参数，d为溶洞桩径，h为溶洞顶板厚度，&为形状系数，β为岩体强度模量。
[0022]
可选的，所述abaqus模块具体为在10
°
、30
°
、50
°
的顶板倾角下通过设置不同的溶洞顶板厚度h，以对溶洞桩基的多种破坏模式进行数值模拟，得到数值模拟结果。
[0023]
一种电子装置，包括：
[0024]
存储器，用于存储计算机程序；
[0025]
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述的一种基于多种破坏模式的溶洞桩基承载能力计算方法的步骤。
[0026]
一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述的一种基于多种破坏模式的溶洞桩基承载能力计算方法的步骤。
[0027]
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
[0028]
本实施例基于serrano理论建立了桩端倾斜溶洞顶板破坏计算模型，分析了桩基桩端极限承载力与最小顶板厚度，对岩溶区桩基的工程施工具有理论指导意义，对岩溶地区施工具有有益效果；
[0029]
本实施例针对目前岩溶地区溶洞形态复杂，与桩基位置关系多样，传统的破坏计算模型无法准确的计算桩基承载力等相关数据这一研究不足，需建立了多种破坏模式下力学简化模型和势能函数公式，推导出岩溶地区桩基的桩端的极限承载力计算公式，并进行验证，旨在提出计算岩溶地区桩基极限承载能力的确定方程，为岩溶地区桩基修建提供更具价值的施工依据。
附图说明
[0030]
图1为本发明提供的一种基于多种破坏模式的溶洞桩基承载能力计算方法的流程示意图；
[0031]
图2为本发明提供的数据采集设备安装位置示意图；
[0032]
图3为本发明提供的压力(q)-时间(s)试验曲线示意图；
[0033]
图4为本发明提供的嵌岩桩桩端极限破坏模式的示意图；
[0034]
图5为本发明提供的计算模型的示意图。
具体实施方式
[0035]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0036]
如图1所示，本发明提供了其中一种实施例：一种基于多种破坏模式的溶洞桩基承载能力计算方法，包括如下步骤：
[0037]
(1)研究岩溶发育的形态规律，分析岩溶区桩基病害特征、病害机理、岩溶与桩基的相对位置关系，分析影响岩溶区桩基稳定性的溶洞直径、溶洞形态、桩—洞位置关系等因素，建立岩溶区桩基地质模式体系；
[0038]
(2)依托某地铁路项目，采用地质雷达的方法实地探测岩溶区溶洞埋深、范围等发育特征，考察记录岩溶区桩基施工过程，采集研究区的土、岩样本，获取相关物理参数，为后续物理实验提供依据；
[0039]
(3)根据相似定理设计考虑岩溶区桩基与顶板作用的大型物理试验模型，通过配比试验确定模型顶板材料，并以溶洞顶板厚度为变量进行了室内模型试验，为分析岩溶区基桩的桩身荷载传递机理提供理论依据；
[0040]
(4)分析归纳桩底溶洞顶板的简化力学模型；
[0041]
(5)提出基于serrano嵌岩桩桩端极限承载力理论的倾斜顶板桩基桩端模型，分析
其破坏模式；
[0042]
(6)构建倾斜溶洞顶板极限端阻力计算方程，根据溶洞顶板厚度和溶洞直径大小对方程组解的相关关系，提出不同破坏模式下极限端阻力计算公式。基于荷载传递法、岩溶区桩基荷载传递模型和503e斜溶洞顶板下桩端极限阻力计算方法，提出基于溶洞顶板破坏控制的岩溶区桩基极限承载力计算方法；
[0043]
(7)基于abaqus软件对(4)提出的桩基溶洞破坏模式进行数值模拟，验证桩端荷载传递模型的合理性并分析误差。
[0044]
根据岩溶发育形态、岩溶区桩基病害特征和桩基与溶洞的位置关系等将岩溶区桩基地质模式分类如下：1、根据桩端是否嵌入岩溶地层分为岩溶区嵌岩桩和岩溶区非嵌岩桩；2、岩溶区非嵌岩桩根据桩与土洞位置关系分为无土洞桩基、桩端－土洞桩基、桩侧－土洞桩基和穿洞桩基；3、按照岩溶发育形态可分为岩溶区溶洞型嵌岩桩、岩溶区溶沟型嵌岩桩、岩溶区溶槽型嵌岩桩、岩溶区石牙型嵌岩桩和岩溶区溶洞型嵌岩桩；4、岩溶区溶洞型嵌岩桩根据桩基数量分为岩溶区溶洞型嵌岩单桩和岩溶区溶洞型嵌岩群桩；5、岩溶区溶洞型嵌岩单桩根据桩与溶洞的位置关系分为桩端型、桩侧型、穿桩型和复合型；6、岩溶区溶洞型嵌岩群桩根据桩与溶洞的位置关系和溶洞的大小分为群桩均位于溶洞之上型、群桩局部位于溶洞之上型。
[0045]
工程实践中、第5、6类岩溶区桩基地质模式对工程影响最大，也是本实施例涉及的工况。
[0046]
对施工现场进行工程地质地调查，获取当地层岩性信息，场区第四系地层主要为粉土、粉质粘土、粘性土及碎石土，下伏奥陶系o2石灰岩，钻探深度范围内地层可分为6个大层。对岩性进行取样和试验，获取岩石物理力学参数如表1所示。
[0047]
表1
[0048][0049]
根据钻探揭示的地层结构，场地下伏基岩面起伏不平，场地内有隐伏溶沟、溶槽存在的可能，在碳酸盐类地区，岩面石芽、溶槽密布。场地内石灰岩岩溶裂隙发育严重，在强风化灰岩及中风化石灰岩中多见溶洞，溶洞大小不一、层状分布，，溶洞内充填有裂隙粘土或粉质粘土，一般为硬塑状态，多为半充填。
[0050]
如图2所示，本实施例根据工程原型和现有试验条件，本实施例采用不完全相似模型试验。为便于试验，把岩层以上的多层桩周土按照加权平均的方法简化为单一土层。为研究顶板厚度、溶洞直径和溶洞顶板倾角对溶洞顶板破坏模式和桩基极限承载力的影响，试验分为不同顶板厚度、溶洞直径和顶板倾角的模型试验。在桩身贴应变片，轴承上安装位移传感器，桩端安装压力传感器，以便采集数据。为得到溶洞顶板破坏模式，模型试验均为破坏性试验。试验采用慢速维持荷载法，参考相关要求，结合本试验特点，制定了试验加卸载、
终止加载条件等，最终获取压力(q)-时间(s)试验曲线如图3所示，表明溶洞顶板厚度和顶板倾角对桩基承载特性均有影响，其中顶板倾角对桩基承载特性影响较大。
[0051]
目前，对桩底溶洞顶板的简化力学模型主要有：1、梁模型：将顶板看作完整岩体，简化为简支梁或固支梁模型，上部岩土荷载和顶板岩体的自重简化为均布荷载，桩端荷载采用对称布置；2、拱模型：溶洞发育过程中顶板逐渐形成稳定的压力拱，当顶板岩体稳定时，可简化为无铰拱或二铰拱，利用结构力学的分析方法求解拱承载力和桩承载力；3、板模型：根据弹性力学把溶洞顶板简化为简支或固支的圆板或矩形板，根据厚跨比不同分别采用薄板、中厚板和厚板的理论分析，厚板下溶洞对桩基影响可不考虑。以上力学模型均把溶洞顶面简化为水平面(拱模型除外)，本实施例对溶洞顶板设置一定倾角θ，分析不同溶洞顶板倾角对桩基承载力的影响并给出计算公式。
[0052]
serrano等对嵌岩桩柱端岩层破坏形式做了以下假设：1、岩体为均匀各向同性介质；2、岩石介质破坏时，符合hoek-brown强度准则。假定岩石在变形过程中不发生应变硬化；3、基于sokolovski提出滑移线法求出破坏区；4、假设材料同轴，并伴有剪胀，变形场特征线和应力场特征线相同；5、不考虑岩体自重。serrano等从桩的嵌岩深度、上覆土层厚度、地层物理特性等入手，对施工安全影响较大的浅覆盖层地基和倾斜顶板溶洞而言，嵌岩桩桩端极限破坏模式如图4所示。桩端一定距离内有岩溶发育，溶洞直径为d，溶洞顶板厚度为h，顶板倾角为γ。溶洞与桩的相对位置关系、溶洞直径大小和顶板倾角决定了溶洞顶板的破坏模式，据此将溶洞顶板的破坏划分为5个模式：
[0053]
第一破坏模式：当溶洞顶板的厚度h较大时，溶洞的顶面不与破坏螺旋线相交，则溶洞顶板不会贯通破坏，桩端岩石的破坏与普通嵌岩桩一致。
[0054]
第二破坏模式：当溶洞顶板的厚度h变小时，溶洞的顶面与破坏螺旋线左侧最低点相切，溶洞顶板处于破坏的临界模式。
[0055]
第三破坏模式：随溶洞顶板的厚度h变小，溶洞顶面与破坏螺旋线左侧相交，溶洞顶板部分处于滑移破坏线以内，该部分岩体先于右侧岩体破坏。
[0056]
第四破坏模式：当溶洞顶板的厚度h继续变小，溶洞的顶面与破坏螺旋线两侧均相交，溶洞顶板表现为极限破坏，溶洞顶板处于冲切破坏模式。
[0057]
第五破坏模式：当溶洞直径d较小，溶洞顶板的厚度h较大时，溶洞顶面两个角点与破坏螺旋线相交时，溶洞顶板表现为剪切破坏模式。溶洞直径大小影响溶洞顶板破坏模式。
[0058]
倾斜溶洞顶板破坏的桩极限端阻力计算：上节分析了岩溶区桩基桩端极限破坏模式，基于上述破坏模式建立以o点为原点，od为极轴的极坐标系，计算模型如图5所示。图中ab和ac为桩端岩石极限破坏滑移线，ab、ac曲线是以o点为中心对数螺旋线，表达式如下：
[0059][0060]
[0061][0062][0063][0064][0065]
ok＝d
[0066][0067][0068][0069][0070][0071][0072]
其中，ψ、η为serrano理论参数，η角可采用serrano理论获取，
为溶洞岩石内摩擦角，d为溶洞直径，h为溶洞顶板厚度，γ为顶板倾角，ρ
ab
、ρ
ac
为以o点为中心的对数螺旋线，θ为极角，d为桩径，ω为∠koc，α为假定虚拟破坏面倾角，如图5所示。
[0073]
根据上述方程联立建立方程组，方程组解的情况与溶洞顶板破坏模式直接相关。参数d、d、φ、ψ、γ、h等已知，借助大型数据处理分析程序matlab对方程组进行求解。通过计算得到以下结果：若方程组无解，说明溶洞顶板厚度较大，此时溶洞顶板线在极限破坏滑移线之下，即溶洞对嵌岩桩桩端极限承载力没有影响。若方程组有一个解，溶洞顶板边线与极限破坏滑移线有一个交点，即达到临界状态，桩端极限承载力计算采用serrano提供的式：
[0074][0075]
其中，pu为溶洞的嵌岩桩桩端极限承载力，&为形状系数，σc为岩石无侧限抗压强度，m、s为hoek-brown系数，n
β
为荷载参数，s
β
为形状系数。
[0076]
当溶洞直径较大时，方程组有2、3和4个解时溶洞顶面线与左侧滑移线相交、逐步与右侧相切到相交，滑移线内部分岩体处于临空状态，当桩端达到极限状态时，左侧溶洞顶板最先开始破坏，桩传递荷载达到极限；随左侧岩石破坏，桩端岩石能够提供的阻力减小，加速了右侧溶洞顶板破坏，最终破坏形态为冲切破坏，这与模型试验结果相一致，其极限承载力为：
[0077][0078]
其中，a为与拟合范围有关的系数，为hoek-brown参数，d为溶洞桩径，h为溶洞顶板厚度，&为形状系数，β为岩体强度模量。
[0079]
最后，本实施例基于abaqus非线性有限元分析软件验证上述计算方法，设置不同溶洞顶板厚度和10
°
、30
°
、50
°
倾角顶板进行数值模拟，得到q-s曲线，其极限承载力与上述承载力计算方法十分相符。
[0080]
综上所述，本实施例基于serrano嵌岩桩桩端极限承载力计算理论，提出了岩溶区桩基多种桩端破坏模式，构建了岩溶区倾斜溶洞顶板极限端阻力计算方程组，根据溶洞顶板厚度和溶洞直径大小对方程组解的相关关系，确定了不同破坏模式下溶洞顶板极限端阻力计算式，并通过试验结果验证了理论的正确性。根据模型试验结果，建立了岩溶区桩端阻力传递模型；基于荷载传递法、岩溶区桩基荷载传递模型和倾斜溶洞顶板下桩端极限阻力计算方法，形成了基于溶洞顶板破坏控制的岩溶区桩基极限承载力计算方法，对岩溶地区施工具有有益效果。
[0081]
本实施例针对目前岩溶地区溶洞形态复杂，与桩基位置关系多样，传统的破坏计算模型无法准确的计算桩基承载力等相关数据这一研究不足，需建立了多种破坏模式下力学简化模型和势能函数公式，推导出岩溶地区桩基的桩端的极限承载力计算公式，并进行验证，旨在提出计算岩溶地区桩基极限承载能力的确定方程，为岩溶地区桩基修建提供更具价值的施工依据。
[0082]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。