岩溶区隐伏空洞对路桥工程稳定性影响的研究

论文摘要

岩溶灾害是也是交通建设主要工程地质问题之一。而空洞是岩土工程稳定性影响中的一个重要因素,其表现形式以溶洞、巷道最为常见。岩溶区含空洞路（桥）基础和隧道在外部载荷和环境作用下会造成自身岩体强度的弱化,最终可能导致工程失稳破坏。空洞在其破坏过程中的作用和影响是一个及其复杂又具有挑战的研究课题。而这类研究所面对的对象尺度都比较大,如果采用常规的物理试验需要耗费大量的人力和财力,并且实验过程中也可能会受到其它因素的干扰而导致实验失败。而采用理论计算研究的话,又常常需要对模型进行大量的简化处理,计算结果与实际情况有时存在较大偏差。强度折减法已被广泛运用于岩土工程稳定性的研究分析,既能较为真实的反映实际情况,又更经济、有效。本文在路桥工程稳定性分析过程中首次采用距跨比代替距离作为稳定性分析评价的指标之一,使分析结果更加客观；而非均匀性是岩石的一个重要特性,本文在强度折减分析过程中引入了岩石的非均匀性,使分析结果更能反应实际情况；本文还将拉伸破坏准则引入模型的稳定性分析,采用带有拉伸破坏的修正摩尔-库伦准则作为临界强度判据,使所得安全系数为考虑了压剪和拉伸的一个综合安全储备系数。目前,工程中空洞影响的研究主要集中在具体工程实例中的分析以及处理方法的讨论上,对空洞影响进行系统性研究的不多。本文在前人的基础上,总结了岩溶地区路桥工程稳定性的影响因素以及评价方法,详细介绍了RFPA有限元强度折减方法的基本原理、强度准则、本构关系以及失稳判据和安全系数的定义。采用RFPA强度折减版对路桥工程中空洞对围岩稳定性的影响进行了研究。论文的主要从以下几个方面分析了空洞对稳定性的影响：（1）不同围岩均质度条件下,空洞对路、桥基以及隧道围岩稳定性影响的规律性；（2）不同空洞断面形式下（水平椭圆、圆形、竖直椭圆）,空洞对路、桥基以及隧道围岩稳定性影响的规律性；（3）空洞不同洞径大小及分布情况（对于路、桥基来说不同的埋深,对于隧道来说包括不同远近以及分布位置）对路桥工程围岩稳定性响的规律性；（4）以崇遵高速公路建设中所遇到的路、桥基础及隧道岩溶问题为工程依托,对实际工程中空洞的影响进行分析,研究隐伏空洞对围岩应力、位移的影响特性。通过以上四个方面的研究发现：1.岩石的非均匀性对路桥工程的稳定性影响较大。对于岩性较差,风化程度较高,比较破碎的岩体而言,岩体的安全储备系数对均匀性的变化更加敏感。在相同岩性条件下,随着岩体均匀性的增大,安全系数增大,岩体的稳定性也相应提高。路基下应变拱和路、桥基下弱应力区的监测对于判断其稳定性具有重要的意义。隧道顶板的稳定性受均匀性影响较小。2.对于不同空洞的断面形式,路桥工程的稳定性不同。横向近椭圆（长轴方向与最大主应力方向垂直）空洞对围岩稳定性的影响最大,竖向近椭圆空洞的影响次之,圆形空洞的影响最小。空洞跨度对于工程稳定性的影响要远大于空洞深度的影响。路基顶板的塌陷是由于顶板两侧的拉应力过大而产生的拉破坏,桥基的塌陷则是由于顶板上方的载荷过大,超过顶板抗压、抗剪力而产生的压剪破坏。3.空洞洞径大小和距跨比对隧道稳定性有显著影响。随着空洞洞径的增大和距跨比的增加,隧道的安全系数随之增大。当空洞洞径小于隧道洞径的时候,一般都是隧道先发生破坏。随着洞径的增大,破坏逐渐向空洞转移,特别是在空洞位于隧道底部时,甚至会发生孔洞将隧道破坏完全屏蔽,这时主要应注意隧道底部的变形。4.对路（桥）基础而言,随着空洞埋深的增大,安全系数逐渐增大,基础稳定性增强；在相同距跨比下,随着空洞洞径的增大,安全系数明显下降,基础稳定性减弱。5.对于隧道而言,空洞与隧道距离对稳定性的影响要大于洞径大小的影响；对于路（桥）基而言,空洞洞径的变化对稳定性的影响要大于空洞到路（桥）基距离变化的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景以及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 岩溶区路基研究现状
• 1.2.2 岩溶区桥基研究现状
• 1.2.3 岩溶区隧道研究现状
• 1.3 研究内容
• 第2章 岩溶区道路稳定性影响因素及评价方法
• 2.1 空洞稳定性的影响因素及危害
• 2.2 岩溶地区公路工程稳定性评价方法
• 2.2.1 稳定性评价定性分析方法
• 2.2.2 稳定性评价半定量分析方法
• 2.2.3 稳定性评价定量分析方法
• 2.3 小结
• 第3章 岩土破裂过程数值及红外热像分析方法
• 3.1 概述
• 3.2 数值模拟分析中的几个基本问题
• 3.2.1 材料的非均匀性
• 3.2.2 介质的非连续性
• 3.2.3 破裂过程的非线性
• 3.2.4 破坏的声发射
• 3.2.5 构建模型的单元尺寸与划分原则
• 3.3 RFPA强度折减法原理
• 3.3.1 材料力学参数的赋值
• 3.3.2 细观单元损伤本构关系
• 3.3.3 强度准则
• 3.3.4 岩土结构失稳判据
• 3.3.5 安全系数的定义
• 3.4 岩石破裂过程红外热像分析
• 3.4.1 单裂纹缺陷试样
• 3.4.2 单孔缺陷试样
• 3.5 小结
• 第4章 均匀性对空洞围岩稳定性的影响
• 4.1 空洞对路基稳定性的影响
• 4.1.1 模型的建立
• 4.1.2 结果分析
• 4.2 空洞对桥基稳定性的影响
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 结果分析
• 4.3 空洞对隧道稳定性的影响
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 结果分析
• 4.4 小结
• 第5章 空洞断面形状对工程稳定性的影响
• 5.1 断面形状对路基稳定性的影响
• 5.1.1 模型的建立
• 5.1.2 结果分析
• 5.2 断面形状对桥基稳定性的影响
• 5.2.1 模型的建立
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 断面形状对隧道稳定性的影响
• 5.3.1 模型的建立
• 5.3.2 结果分析
• 5.4 小结
• 第6章 空洞大小、位置对工程稳定性的影响
• 6.1 空洞对桥基稳定性的影响
• 6.1.1 模型的建立
• 6.1.2 结果分析
• 6.2 空洞对隧道稳定性的影响
• 6.2.1 模型的建立
• 6.2.2 结果分析
• 6.3 小结
• 第7章 空洞对围岩稳定性影响的工程实例分析
• 7.1 隧道稳定性工程实例分析
• 7.1.1 工程概况及地质条件
• 7.1.2 数值模型
• 7.1.3 结果分析
• 7.2 桥基稳定性工程实例分析
• 7.2.1 工程地质情况
• 7.2.2 数值模型
• 7.2.3 结果分析
• 7.3 路基稳定性工程实例分析
• 7.3.1 工程概况及地质条件
• 7.3.2 室内物理实验模拟
• 7.3.3 数值模型
• 7.3.4 结果分析
• 7.4 小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历