文摘

许多地下岩溶洞穴被发现之前构建昌黎公路。将近一半的洞穴的thickness-to-span比率小于0.05,和最大的比率只有0.35,远低于当地建筑规范要求的值(0.8)。洞穴位于K50 + 700和K178 + 800是目前仅有的两个洞穴变得不稳定。只有一个被动测量是建造高速公路的时候,即,building 0.5 m thick continuous reinforced concrete slabs above the embankment; this measure did not contribute to the improvement of the stability of the underground caves. Numerical solutions based on strength reduction and analytical solutions based on the beam hypothesis are used to assess the stability of underground caves. The capacity of an underground cave to bear embankment construction is observed to be proportional to the tensile strength of the rock mass and the square of the thickness-to-span ratio of the cave roof. The tensile strength of the rock mass isψ次低于完整岩石。的价值ψ主要是由地质强度指数(GSI)。为了防止不稳定的地下洞穴,路堤高度应合理控制。然而,当地建筑规范要求地下洞穴的thickness-to-span比率大于0.8是保守的。

1。介绍

路堤施工可能造成潜在危险的地下洞穴,尤其是那些洞穴大跨度和薄的屋顶。已经受到了人们足够的关心,防止地下洞穴的崩溃和表面土木工程的失败作品。

在实践中,thickness-to-span比率(即。,the ratio of the roof thickness to the cave span) is a simple indicator to determine whether the underground cave is stable. Chinese specifications for the design of highway embankments (JTG D30-2015) demand that engineering actions be taken in an underground cave when its thickness-to-span ratio is less than 0.8; this excludes disintegrated rock mass. An informal guideline in the United Kingdom suggests that the underground cave would be stable if the roof thickness is equal to or greater than the cave span (i.e., thickness-to-span ratio ≥ 1.0). However, many civil engineering works do stand on caves with much thinner roofs than recommended by the guidelines [1]。全面的加载测试后在诺丁汉和物理模型试验在实验室里,沃尔瑟姆和迅速1]表明,地下洞穴thickness-to-span比率大于0.7适合轴承最表面土木工程工作。thickness-to-span比率指标允许简单稳定的地下洞穴,估计很容易实现在工程实践。这种方法的缺点是它不区分对岩石强度和载荷大小、稳定性上都有很大的影响(2- - - - - -4]。

antibend估算方法基于简支梁的假设是推荐的方法之一的中国公路基础设计与施工技术指导karstified区域。antibend估计方法可以用来判断地下洞穴的稳定性与不同数量的岩石强度和负载大小;然而,它与最小承载力提供了一个坏的情况下,因为它忽视了一个事实:岩石边缘可以提供强大的约束弯矩(5]。分析解决方案基于简支梁假说是保守的。

摘要地下洞穴的稳定性评估基于强度的数值解决方案减少基于梁的假设和分析解决方案。几个程序执行的力量减少Hoek-Brown标准进行了讨论,其中两个选择并用于案例研究。一个近似岩体的抗拉强度之间的关系和无侧限抗压强度σ_ci,岩石类型米_我,干扰指数D,地质强度指数(GSI)派生和作为基本参数分析的解决方案。基于梁的假设推导出解析解与数值解相比。可行性推导出thickness-to-span比的解析解。

2。Hoek-Brown标准

Hoek-Brown标准经常被用来描述岩石强度(6,7),可以表示如下: 在哪里σ₁和σ₃分别是主要和次要的主应力和压缩被认为是积极的。强度参数米_b,年代,一个是地质强度指数GSI的函数: 在哪里米_我代表了完整岩石材料常数D代表了干扰因素。

3所示。强度降低

3.1。简要回顾

强度降低是一种方便的工具,计算稳定。目前,有四个不同的程序来执行的力量减少Hoek-Brown标准。

方法1(减少等效c-φ值)。首先,相当于c- - - - - -φ值确定一组Hoek-Brown参数使用方程所描述的隐谷和Carranza-Torres8]。在这种方法中,以下地区莫尔-库仑情节(线在图1)和下面的区域Hoek-Brown情节(B行图1)是利用等效平衡c- - - - - -φ价值观: 在哪里和的上限是围压应力。的价值可以确定通过搜索最大σ₃在这个案子。
随后,相当于c- - - - - -φ值被用于执行全球c- - - - - -φ减少的经典方法(7,9- - - - - -11]。这种方法的缺点是等价的c- - - - - -φ值忽略当地应力状态在一个指定的元素。

方法2(减少当地c-φ值)。如果压力状态(σ₁,σ₂,σ₃),尤其是σ₃一个元素是已知的,那么相应的瞬时的c和φ值可以计算。这些瞬间c和φ值是用于执行的地方c- - - - - -φ减少(例如,12- - - - - -14])。该方法的关键问题是如何确定瞬时c和φ值。傅和廖瞬时派生而来c和φ值,通过求解牛顿迭代公式。尽管技术的复杂性,它可以应用于任何非线性失效标准。推荐简单的方法来获得瞬时c和φ值是使用公式(3)和(4)通过设置 ,由沈和Karakus [14]。

等效shear-normal信封的方法3(降低)。首先,基于关系由先前的研究[8],shear-normal应力包络线(线在图2)相当于Hoek-Brown主应力信封可以确定。接下来,相当于shear-normal压力信封是降低安全系数(B行图2),由Hammah et al。15]。最近,修改方法进行抗剪强度降低提出了由克劳森和Damkilde [16]。

方法4(减少Hoek-Brown参数)。该方法选择一个或多个Hoek-Brown参数(例如,助教,σ_ci,米_我)来执行强度降低。该方法的关键问题是,Hoek-Brown参数的选择影响安全的因素(FOS)提交。歌等。17)发现,通过减少GSI和安全系数值σ_ci收敛与获得的极限平衡方法。
方法1和3,相当于信封是一个安全系数降低。然后,确定减少Hoek-Brown参数和 ,降低信封应安装一个Hoek-Brown曲线使用非线性回归算法。因此,减少Hoek-Brown剪切曲线是一个近似适合降低信封。它可能会导致一些错误决定减少Hoek-Brown参数拟合过程中(18]。方法2,瞬时c和φ每个元素的值必须推导出。因此,安全系数结果决定方法2被认为是比这更准确的确定方法1 (18]。方法4,既不相同也不拟合是必要的。因此,方法4提供了一个更加方便的方式在实际使用比方法1 - 3。

3.2。讨论参数减少计划

比较两个不同参数的减排方案。两种方案都属于上述的方法4。

方案1(减少σ_ci和助教)。的参数σ_ci和助教是降低安全系数,减少参数和得到如下: 替代在方程(2)获得减少参数 , ,和 :

方案2(减少σ_ci和 )。的参数σ_ci和减少了安全系数,减少参数和得到如下: 在哪里 。
替代在方程(2)获得减少参数 , ,和 : 瞬时的关系 , , ,和与安全系数可以用来强调还原过程,如图3。以下参数被用于计算:GSI = 60D= 0.1;安全系数的值从0.8到5.0不等。
使用方案1, , ,和大幅下降时,安全系数范围从0.8到大约1.5。使用方案2,锋利的曲线明显缓解。在图3 (d)参数的非线性增长趋势变成了近似线性使用方案2。

3.3。强度减少的比较方法

折减强度验证法用于这项工作,安全因素分析进行了文献中描述的一些例子。

示例1(岩石边坡)。10米高的安全因素页岩边坡(18)与上述计算45°坡角强度降低方法,如图4(一)。结果见图4 (b)。参数如下:杨氏模量= 5000 MPa,泊松比= 0.3,单位重量= 0.025 MN / m³,σ_ci= 40 MPa,米_我= 2,D= 0。GSI值范围从5到65。在数值模型中,底部边界是固定在垂直和水平方向和左右边界都是固定在水平方向。

例2(矩形洞穴)。安全的因素3米宽,4米高的矩形洞穴与上述强度降低方法计算,如图5(一个)。结果见图5 (b)。参数如下:杨氏模量= 12000 MPa,泊松比= 0.3,单位重量= 0.023 MN / m³,σ_ci= 18 MPa,米_我= 8,D= 0.5。GSI值范围从40到100。在数值模型中,底部边界固定在垂直和水平方向和左右边界都固定在水平方向上。
结果表明,安全系数值来源于方案2的方法4非常接近1 - 3的方法。然而,安全系数值来源于方案1的方法4明显小于其他方法。如果使用方法4,作者建议的安全系数值应该由方案2。

4所示。基于梁解析解的假设

antibend估算方法基于简支梁的假设是推荐的方法之一的中国公路基础设计与施工技术指导karstified区域。这种方法假定洞穴屋顶像一个简支梁。抗拉强度是一个重要的参数来确定洞穴顶板的稳定性。本文推导了岩体的抗拉强度之间的关系和无侧限抗压强度σ_ci,岩石类型米_我,地质强度指数(GSI)。接下来,基于简支梁的假设,轴承极限高度的解析解的路堤。最后,另一个解析解的假设的基础上提出了解决支撑梁。原位应力的影响和屋顶倾斜也考虑在内。

4.1。岩体的抗拉强度

因为关节和裂缝的存在,岩体抗拉强度的工程实践通常是低于测量在实验室完整岩石的抗拉强度。

一个趋势19- - - - - -22)来估算岩体的抗拉强度使用Hoek-Brown标准。本文推导过程如下。

替换σ₁= 0和σ_{“透明国际”}=−σ₃Hoek-Brown判据,它可以改变如下:

解体岩体(GSI的价值通常是小于30),它的抗拉强度是可以忽略不计。块状岩体(GSI的价值通常是大于30),它可以观察到从方程(2)的价值一个范围在0.5和0.52之间。因此,它是合理的假设一个≈0.5块状岩体。替换一个≈0.5到方程(9),可以获得以下方程:

因为通常是接近于0,利用等价无穷小的替换可以简化方程和解决问题很容易:

基于Hoek-Brown 1997标准,Cai (20.]推导出的抗拉强度与抗压强度的比值,即 。基于Hoek-Brown 2002标准,它可以推断 。比较方程(11)与Cai的研究结果,它可以观察到,造成的误差估计基于方程(11)是非常小的。最大误差不超过 ,和它的精度足以满足工程要求。

在实验室的助教价值完整岩石被称为100。用GSI = 100到方程(2),它可以观察到年代= 1.0,米_b=米_我。在这种情况下,方程(11)可以近似如下:

的米_我值范围从4 - 33对一些常见的岩石在工程实践20.]。根据方程(12),完整岩石的抗拉强度是其抗压强度的1/33至1/4。这个结果大致符合Sheorey[测试结果公布23),即。,1/39to 1/7.

岩体的工程实践,GSI值总是小于100。用方程(2)方程(11),我们得到以下方程: 在哪里 。

可以看到从图6的趋势η很非线性在整个正数域D> 0。然而,当D范围从0到1,近线性趋势是观察,如图7。事实上,根据隐谷的定义8),D只需要在值从0到1。使用线性近似η≈2D+ 7.54可以极大地简化原始方程 。使用这种线性近似,下列方程可以用来估计岩体的抗拉强度: 在哪里 。

通过比较方程(12)和(14),发现岩体的抗拉强度ψ次低于完整岩石。图8显示的值ψ增加时降低GSI和施工干扰。遭受重大的典型岩体扰动由于沉重的生产爆破(D= 1)的价值ψ从1 (GSI = 100)到6 (GSI = 80)。如果助教值小于30,岩体的抗拉强度是至少200倍低于完整岩石,在这种情况下,它的抗拉强度可以被忽略。

这是令人鼓舞的发现的价值ψ可以由D和GSI用一个简单的函数。但快乐是很短的,因为很快就注意到的价值ψ与先前的研究相比可能被夸大了。后直接张力测试自然粉砂岩和中细砂岩样品包含关节,床上用品,和矿物质的静脉,商et al。24,25)证实,岩体的抗拉强度是低于3倍的完整岩石。前寒武纪花岗质岩体的抗拉强度Harrat Lunayyir预计1 - 3 MPa,完整岩石样本的平均1/7倍(26),几乎高出一个数量级估计的Hoek-Brown标准。

研究由Aydan和川后27],Tokashiki和Aydan [28)提出了一个经验函数估计的价值ψ: 其中RMR表示岩体评级。

将地下水位设置为15(岩石完全干燥)和级别调整为0(非常有利的联合方向),Hoek [29日]链接RMR和GSI开发以下函数:

因此,的价值ψ可以估计如下:

的值ψ估计Hoek-Brown判据和Tokashiki图进行了总结9。传统遇到岩体和在任何施工扰动(GSI≥50;D= 0)的价值ψHoek-Brown准则估计的范围从1到43,估计Tokashiki范围从1到6。在数值方面,提出的估计Tokashiki比较与先前的研究一致(3 - 7)。

4.2。分析解决方案基于简支梁的假设

假设洞穴跨度l和均布荷载问,最大的时刻米_米洞穴的屋顶

为了防止失败,抗拉强度σ_{“透明国际”}应该大于拉伸应力: 在哪里h_r代表了洞穴屋顶和厚度b_r洞穴的宽度代表屋顶。

负载应用到洞穴屋顶可以表示如下: 在哪里h_年代代表土壤地层的厚度在洞穴屋顶;h_f代表了路堤的施工高度;γ_年代代表了土壤重量;γ_r代表岩石重量。

用方程(18)和(20.)方程(19),可以获得以下方程:

根据方程(21),轴承极限高度路堤正比于岩体的抗拉强度和thickness-to-span的平方比洞穴的屋顶。

简支梁假说与最小承载力提供了一个坏的情况下,因为它忽视了一个事实:岩石边缘可以提供强大的约束弯矩(5]。由于地应力的影响,工程实践中的拉应力明显低于假设只有重力。分析解决方案基于简支梁假说是保守的。

4.3。修改后的方案

岩溶基岩通常是极其不规则几何是因为底土溶解在土壤/岩石界面(5]。倾斜的屋顶洞穴因此相当常见。解决这种情况下,假设洞穴屋顶是一个导出梁倾斜,然后正确的弯矩力法,如图10。原位应力的影响也被认为是。

根据叠加原理,负载应用到洞穴顶板分为力应用于洞穴固定屋顶和目前应用的支持。总结两种类型的负荷所产生的弯矩收益率: 在哪里米_P产生的弯矩力应用于洞穴屋顶和计算 。的参数代表了垂直剪切力。的参数x代表的位置坐标。的参数代表洞穴屋顶的倾斜角度。米_l和米_R是弯矩在洞穴的左派和右派支持屋顶,分别。使用力法,得到以下方程: 在哪里δ₁₁和δ₁₂是左派和右派支持的旋转角度,分别生成的洞穴屋顶单位力矩的作用米_l= 1;δ₂₁和δ₂₂是左派和右派支持的旋转角度,分别生成的洞穴屋顶单位力矩的作用米_R= 1;∆_1便士和∆_{2 p}是左派和右派支持的旋转角度,分别洞穴的屋顶由单位统一力量的行动吗 。

洞穴的弯矩屋顶由单位力矩的作用米_l= 1可以确定如下:

洞穴的弯矩屋顶由单位力矩的作用米_R= 1可以确定如下:

所产生的弯矩力的作用问可以确定如下:

因此,参数方程(23)可以确定: 在哪里E代表了弹性模量和我代表了惯性矩。

用方程(27)- (30.)方程(23)收益率以下方程:

由方程(19),总弯矩可以确定如下:

最大的时刻米_米洞穴的屋顶

假设的原位应力跨度方向σ_年代。因为存在的洞穴,周围出现应力集中。假定应力集中系数在洞穴的中心屋顶λ。因此,方程(19)可以修改如下:

根据弹性力学30.)的因素λ可以确定: 在哪里h_c代表了洞穴的高度。

用方程(33)方程(34)收益率以下方程,它可以用来估计的轴承极限高度路堤在地下洞穴:

5。案例研究1:实验室洞穴模型

5.1。概述

评估稳定工程附加荷载下的地下洞穴,洞穴实验室加载测试模型由沃尔瑟姆和迅速1]。洞穴模型是由挖掘与无侧限抗压强度(完整的膏药σ_ci大约18 MPa)。洞穴模型集中加载1 m的基础垫²无围压,如图11。总结在表提供了模型参数和相应的值1。因为开挖导致不可避免的干扰膏药(8),扰动因素D被假定为0.5。

5.2。数字解决方案

共有25个数值模型来模拟实验室创建的洞穴石膏模型的加载测试。洞穴是使用FLAC数值模拟^{3 d},如图11。数值模拟中的变量覆盖包括洞穴顶板厚度(h_r)和洞穴的宽度(l)。Hoek-Brown模型采用数值模拟。所需的材料特性建模表中列出1。

折减强度两个方案来确定采用负载和安全系数之间的关系,如图12。方案1减少σ_ci和助教”丛书,直到最大不平衡力超过1×10⁻⁵。方案2可以减少σ_ci和通过安全系数,直到最大不平衡力超过1×10⁻⁵。计划都属于方法4节中提到的“力量减少。”

在自由场条件下(负荷= 0 MPa),洞穴石膏模型保持稳定,安全系数。随着负载的增加,安全系数的值逐渐减小。负载导致安全系数降低到1作为最终确定支承压力(UBP)。轴承极限压力取决于这两个方案是相当接近。然而,方案2提供了一个平滑负荷安全系数曲线和更敏感的安全系数数据。

等高线图是用来描述轴承极限压力之间的关系,洞穴顶板厚度、和洞穴的宽度,如图13。在图中,轴承极限压力由实验室加载测试由红色虚线表示和轴承极限压力由数值模拟是由一个黑色实线表示。实验室加载试验结果和数值模拟通常发现是一致的。然而,由于使用的材料的可变性测试中,这两个结果是完全重叠的一小部分情节。

5.3。分析解决方案

两个方案被采用来确定轴承极限压力的解析解。

方案1。分析解决方案是基于简支梁的假设。
方程(21)可以改变如下: 在哪里 。

方案2。修改后的解析解占固定支持,原位应力,屋顶倾斜。
洞穴的实验室加载测试模型进行无围压。因此,它是安全的假设σ_年代= 0 kPa。没有一个洞穴模型有斜屋顶。因此,它是合理的假设θ= 0°。替换σ_年代= 0 kPa和θ= 0°到方程(36结果在以下: 在这两个方案,完整的岩石抗拉强度的估计 。
在图14,轴承极限压力由实验室加载测试由红色虚线表示和轴承极限压力取决于分析的解决方案是由一个黑色实线表示。重大差距之间观察到的加载方案1和实验室测试。方案2有明显缩小这种差距,因此建议。
从所有来源的数据在图进行了总结15。它可以观察到,实验室加载试验和数值模拟一般相互一致。之间存在着显著的差距分析的解决方案(方案1)基于简支梁的假设和实验结果。修改后的解析解(方案2)执行良好的缩小这一差距。
解析解的应用负荷略有不同。在实验室加载试验和数值模拟,模型都集中加载1 m的基础垫²洞穴上方的屋顶。在分析解决方案,负荷应用于整个洞穴屋顶;因此,相比降低了数值稳定性的解决方案。因此,分析解决方案不能超过实验室和数值结果。
如图15,确定稳定的主要因素是thickness-to-span比率(即。,屋顶厚度的比例和洞穴跨度)。这里使用一个小技巧是利用轴承极限压力和thickness-to-span比率之间的关系(h_r/l),如图16。在新的情节,横轴是转换为thickness-to-span比的平方,即。,(h_r/l)²。发现洞穴稳定性一般线性增加的广场thickness-to-span比率。

6。案例研究2:昌黎高速公路下的地下洞穴

6.1。概述

昌黎高速公路,连接南昌主要公路和双力karstified区域进行建设在2015年。数十名地下岩溶洞穴调查之前建设路堤。张成的洞穴一般10-40米长;的岩石洞穴通常是1 - 4米厚。将近一半的洞穴的thickness-to-span比率小于0.05,和最大的比率只有0.35,如图17。当地规范高速公路路堤的设计(JTG d30 - 2015)表明,必须采取工程措施在一个地下洞穴thickness-to-span比小于0.8。防止堤防崩溃造成的潜在的洞穴不稳定,0.5米厚的连续配筋混凝土板建造堤坝。作为一个被动的工程措施,虽然地下洞穴的稳定性不能得到改善,这一措施可以防止高速公路的突然崩溃。

过多的关注已经支付到洞穴定位在K178 + 800,在路堤施工变得不稳定。其跨度大约是27米长;它的屋顶是大约2米厚。不稳定的洞穴造成路基的重要结算(图18)。

6.2。数值模拟

路堤的施工过程在K178 + 800模拟数值,如图19。在模型中,洞穴的高度是5米,屋顶的厚度是2米,屋顶的倾斜15°,土壤覆盖层的平均厚度是5米,平均填路堤是6米的高度。模型底部固定在垂直和水平方向,和左右边界都是固定在水平方向。

基于钻孔数据和地球物理数据,没有控制岩层结构面。很少在钻孔岩石裂缝。根据电阻率层析成象数据,岩层的电阻率曲线是光滑的,没有减免或剧烈的变化。设计区域工程地质调查的数据,这个地区的构造运动是不明显,和断层和褶皱都没有被发现。因此,岩石和土壤模拟地层的连续材料。

根据钻探调查和实验室测量,地下洞穴中形成石炭纪灰岩与杨氏模量(E)43000 MPa,泊松比( )0.26,密度(ρ)2700公斤·m⁻³完整的无侧限抗压强度(σ_ci)约130 MPa,地质强度指数(GSI) 70,完整岩石材料常数(米_我)8。由于路堤施工导致更少的干扰比爆破岩石和隧道8),扰动因素D被假定为0.3。摘要embankement和求职的模型参数和相应的值在表提供2。岩石和土壤都认为是干在这个研究。

钻井数据表明,地下洞穴包含少量的泥填充问题。填充问题可能有利于改变应力状态和改善洞穴稳定性;然而,影响可以忽略不计。因此,充填数值模拟没有考虑很重要。

现场原位应力[31日大约可以表示如下: 在哪里σ_H是最大的原位应力的水平分量,σ_h是最低水平分量,σ_v是最低的水平分量,H是深度。最大主应力的方向位于SE-NW和ESE-WNW之间(约垂直于轴向的岩溶洞穴)。

首先,模拟施工前的自然平衡状态。自由场模型,包括岩层,土层,洞穴,被创建。自重荷载下,单元模型中逐渐达到平衡。这一结果表明,地下洞穴将是稳定的自重荷载下的孤独。接下来,路堤分层施工过程的模拟。每一次,厚1米路堤层构造。

6.3。数值的繁殖失败的过程

在施工之前,多个点伸长计是嵌入在洞穴的垂直位移监测洞穴屋顶,如图20.。路堤施工过程如表所示3。后大变形发生在第34天,观察是停止和灌浆。灌浆后,路堤和底层洞穴更稳定。

两个造型方案采用模拟沉降过程,如图20.。方案1采用了几何模型如图19。方案2的洞穴变成一个平等面积矩形洞穴。在转换中,洞穴跨度和洞穴中心也保持不变。图20.显示仿真结果获得通过使用两个方案,监测数据之间的对比。可以看出两个方案的仿真结果接近,一般与监测数据一致。因此,在洞穴的跨度和屋顶厚度保持不变,洞穴的形状的影响并不显著。

位移向量场的演变在路堤施工过程如图21。仿真结果表明位移并不大(小于5毫米)当构建第一个三路堤层。因此,本节主要讨论了位移矢量演化过程,构建4日5日和6日路堤层,如图21。在结算过程中,逐渐倾向于剪切带形成的洞穴屋顶。洞穴屋顶幻灯片向下沿剪切带,提高潜在风险的牵引和滑动上覆土壤。逐渐丧失的基础支持后,覆盖土层开始下行。接下来,沉降差的土层触发垂直剪切带的形成。解决土壤后,覆盖堤开始下行。随后,水平层状撕裂乐队出现在路堤。

土壤和路堤开始解决下行后失去支持。然而,不同的断裂类型。在土层中,垂直剪切带。在路堤,水平层状撕裂乐队。这个观察主要是以下的结果:首先,土层仍承担的重量路堤落定的时候向下;因此,没有产生拉应力,因此,没有了乐队的形式。然后,路堤继续施加压力土层向下落定,而重要的拉应力出现在里面;最后,水平层状撕裂乐队开始产生,随后发展到表面。这种失效模式是一致的表面裂缝观察现场图22。

模型揭示了一个地下洞穴的失效机理的负载下路堤施工。因此有必要限制路堤高度,防止地下洞穴的失败。一旦发生结算或其他可辨认的前兆,灌浆或其他工程应采取行动来防止进一步的失败。

6.4。数字解决方案

两个强度降低方案采用确定路堤高度之间的关系H_f)和安全系数,如图23。方案1减少σ_ci和助教”丛书,直到最大不平衡力超过1×10⁻⁵。方案2可以减少σ_ci和通过安全系数,直到最大不平衡力超过1×10⁻⁵。

在自由场条件下(H_fm = 0),安全系数的值是仅略大于1。安全系数逐渐降低的价值随着路堤高度(H_f)。导致安全系数降低路堤高度1确定轴承极限高度(UBH)。估计UBH = 6米似乎符合现场观察到的情况。

6.5。分析解决方案

三个方案被采用来确定轴承极限高度的解析解。方案1计算使用方程(21);方案2计算使用方程(36),θ= 15°;方案3计算使用方程(36),θ= 0°。据的原位应力方程(39),它是合理的假设σ_年代= 2500 kPa。提供了其他模型参数表2上面的段落。

UBH总结在表的解决方案4。岩体的抗拉强度是由基于Hoek-Brown估计准则和Tokashiki提出的估计,分别。UBHs获得的估计基于Hoek-Brown标准和方案1被发现是负的;即。,the underground cave was unstable before the embankment construction. However, in practice, the settlement precursor was only observed after the embankment construction was completed. The UBH obtained by scheme 2 is very close to but slightly smaller than the numerical solution. Scheme 3 ignores the dip angle of the cave roof; thus, the results are somewhat conservative.

弯矩由所有的解决方案在图表示24。显著的差距之间的观察分析解决方案是基于简支梁的假设(方案1)和数值解。基于固定梁的解析解的假设(方案2和方案3)执行良好估计弯矩。因此,洞穴稳定性显著影响固定的支持。此外,弯矩两端的顶板由方案2更接近数值解比由方案3。因此,洞穴稳定性略受洞穴的倾角屋顶。

7所示。Thickness-to-Span比率

有必要确定thickness-to-span比之前构建一个地下洞穴上面的路堤。目前的高速公路路堤的设计规范(JTG d30 - 2015)表明,在中国必须采取工程措施对地下洞穴当其thickness-to-span比率(h_r/l)小于0.8。

这个规范可能是保守的。许多沿着昌黎堤防公路仍然站在一个地下洞穴thickness-to-span比小于0.8。在典型的石灰岩喀斯特,假设周围的岩体地下洞穴一般质量(GSI = 60),与参数总结在表5,两种情况考虑。案例1原位应力的假设σ_年代= 1000 kPa。相比之下,第二种情况假设σ_年代= 0 kPa。解析解(即验证轴承极限高度。方程(36)用于计算最终的填充高度。在案例1中,一个地下洞穴thickness-to-span率= 0.8能承受超过200的路堤高度。即使在情况2,它能承受超过50米的路堤高度。然而,当地的路堤高度一般不超过20米。

沃尔瑟姆和迅速1]表明,地下洞穴thickness-to-span比超过0.7能忍受传统负载小于2 MPa的基础。沃尔瑟姆的研究的唯一缺点是它只在自重应力下进行。然而,在浅地层,原位应力可能是几倍重力的压力。

推荐的方法来确定所需的thickness-to-span比本文变换解析解(即轴承极限高度。方程(36)) 的单位h_r,h_f,h_年代,lm;的单位γ_年代和γ_rkN·米⁻³;的单位σ_{“透明国际”}和σ_年代kPa;的单位θ°。λ是无量纲。

如果θ= 0°,更简化的形式可以获得如下:

假设一个20米高路堤是放置在高速公路上,所需的thickness-span比率计算中使用的参数表5。在第一种情况下,解析解要求thickness-to-span比例应大于0.28。thickness-to-span比率= 0.28显著低于thickness-to-span比率= 0.8规范所要求的高速公路路堤的设计(JTG d30 - 2015)。在例2中,解析解要求thickness-to-span比例应大于0.63。thickness-to-span比率= 0.63是非常接近的thickness-to-span比率= 0.7沃尔瑟姆和迅速1]。

8。结论

重大差距之间观察分析解决方案基于简支梁的假设和实验结果。修改后的分析解决方案执行良好的缩小这一差距,因此建议。地下洞穴的能力承受路堤施工观测是岩体的抗拉强度和成比例的平方thickness-to-span比洞穴的屋顶。岩体的抗拉强度ψ次低于完整岩石。的价值ψ主要是由地质强度指数。

为了防止不稳定的地下洞穴,路堤高度应合理控制。然而,当地建筑规范要求屋顶厚度大于0.8倍洞跨度似乎是保守的。很多土木工程作品用薄屋顶多做站在山洞里推荐的规范。thickness-to-span率导出本文能提供一种更合适的方式确定地下洞穴的稳定性。

数据可用性

所有数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由江西交通运输厅的技术项目(批准号2015 c0022)和中央大学的基本研究基金会(批准号310821175026)。