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岩溶桥梁基础的稳定性及工程处理问题,关系到工程建设的成败,有关岩溶区桥梁基础稳定性课题,无论是铁路还是公路部门目前均无深入的专题研究,一直沿用的传统的定性分析方法及半定量分析方法评判结果的可靠性受到限制,因而怎样在理论上寻求更合理的分析方法及其应用值得深入探讨。本文以广东省交通厅项目:“广—乐高速岩溶专题研究”为工程依托,采用多种手段对岩溶桥基的稳定性评价进行了深入研究和探讨,并针对坳背湾大桥桥址区存在的大型溶洞群提出了采用拱型结构跨越的初步设计方案,对该工程的设计、施工及运营具有一定的参考价值,对类似的工程建设具有一定的借鉴意义。归纳起来,本文的主要研究内容如下:
1、区域岩溶发育规律研究
通过现场勘察、调研,分析总结出广—乐高速的岩溶发育特征及规律;同时运用碳酸盐岩岩溶化程度分级标准将其分为:极强岩溶化岩体、强岩溶化岩体、岩溶化岩体与弱岩溶化岩体。并且依据地层岩性、地质构造、地下水、溶洞形态等因素,对区域溶洞的稳定性做出初步定性评价;然后根据岩溶化程度分级和溶洞稳定性评判两个方面确定岩溶桥基路段的危险程度。
2、研究区工程地质与水文地质模型
对坳背湾大桥桥址区进行大比例尺工程地质测绘,采用物探、钻探等勘察方法,查明工程区的地层岩性、地形地貌、地质构造、岩溶发育特征等。对坳背湾大桥桥基岩溶化程度、稳定性及危险程度作出定性评价。
3、岩溶桥基稳定性分析与评价
分别运用近似结构力学方法、二级模糊综合评判方法、模糊极限平衡分析方法及数值模拟的方法对桥基下伏溶洞稳定性进行分析评价。
4、岩溶桥基处治方案研究
对处于不同地质环境、不同规模的溶洞,提出安全、经济、可行的处治方案,并对特大规模的溶洞提出运用拱型结构跨越的施工方案,同时进行设计计算,以保证方案的可行性及合理性。
通过现场调查、室内试验、半定量与定量分析及归纳总结规律等一系列的研究工作,本文得出了一些结论如下:
1、引入结构力学基本原理,建立了桩基与溶洞互相作用的结构力学简化模型,分别对溶洞顶板的抗弯、抗剪情况进行了分析及公式推导。并以坳背湾大桥为例,对桥梁桩基下伏溶洞顶板进行了抗弯、抗剪切的稳定性验算及评价。
2、引入模糊数学方法,根据坳背湾大桥的工程地质勘查成果,并参考前人研究理论,筛选出11个桥基下伏溶洞顶板稳定性的影响因素,结合层次分析建立起二级模糊评判模型。由隶属度函数曲线及隶属度函数表分别确定出连续型及离散型因素的隶属函数,运用专家打分法与层次分析法给出各个因素的权重集,最终建立了岩溶桥基基桩下伏溶洞顶板稳定性的二级模糊综合评判方法。
3、建立了桥基下伏溶洞顶板稳定性的模糊极限平衡分析模型,并依据扩展原理,确定出顶板稳定性安全系数的计算公式,根据决策者不同的偏好,建立了从隶属度到可能性评价的转换标准及评价方法。运用上述二级模糊综合评判及模糊极限平衡分析法对实际溶洞进行了稳定性分析,结果吻合,表明该方法是可行的。
4、运用三维数值模拟分析软件FLAC3D对坳背湾大桥8号桩基荷载作用下的溶洞进行了数值模拟计算。通过计算,发现该模型在不平衡力达到6e-5时计算不收敛,可见溶洞此时已经处于失稳状态,据此展开分析。溶洞顶板产生了较大的向下弯曲变形,同时基础和溶洞周围产生很大的拉应力集中区,塑性区范围已贯穿至上伏粉质粘土层,表明溶洞已经处于不稳定状态。另外,分别研究了不同嵌岩深度、不同桩径的工况下桩基对溶洞变形的影响,结果表明,嵌岩深度及桩径与溶洞变形均呈正相关关系。
5、依照相关规范、实际工程中溶洞的处治方法及坳背湾大桥的工程地质特征,提出了一系列溶洞处治方案,对整个广—乐高速溶洞处理有很强的借鉴意义。尤其针对坳背湾大桥桥址区的大型溶洞群提出了拱型结构跨越的处置方法,并进行了相应的结构设计。经过反复验算,采用拱高f=15m,跨径为75m的抛物线型拱,中间加钢绞线以提高其抗拉强度。主拱配筋:受压区20(Φ)28,受拉区54(Φ)32;钢绞线:1860级;横系梁配筋:36(Φ)25;基桩配主筋:25(Φ)20,可为该工程的设计、施工提供参考。