一种基于岩溶发育区灌注桩基础桩端溶蚀石灰岩稳定性、桩基承载力验证方法

技术领域

本发明涉及桩基承载技术领域，特别是涉及一种基于岩溶发育区灌注桩基础桩端溶蚀石灰岩稳定性、桩基承载力验证方法。

背景技术

在岩溶地区，溶蚀作用会导致石灰岩地层产生洞穴、裂隙等空隙，影响桩基的稳定性，且岩溶地区石灰岩地层的物理力学性质与普通地层存在差异，为了施工需求以及工程风险可控，需要验证岩溶地区灌注桩基础在石灰岩地层中的承载能力以及溶蚀石灰岩地层的稳定性。目前，现有的验证方法往往只关注单一因素，如石灰岩的物理力学参数或地下水位的影响，而缺乏对多种因素的综合分析，并且没有充分考虑石灰岩溶蚀对桩的影响以及桩土相互作用的修正，然而在岩溶发育区，桩基的稳定性受到多个因素的综合影响，桩土相互作用对桩基的承载力和稳定性也具有重要影响，忽略这些因素容易导致评估结果的偏差。

发明内容

基于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于岩溶发育区灌注桩基础桩端溶蚀石灰岩稳定性、桩基承载力验证方法，通过结合了地质调查、室内试验、水文地质监测、数值模拟和现场试验等多种数据采集方法，全面获取目标区域的地质背景、岩层情况以及溶蚀石灰岩地层的特征信息，提高了验证结果的准确性和可靠性；通过数值模拟方法，不仅考虑了目标区域的静态特征，还考虑了时间变化可能引起的岩层溶蚀变形、溶洞扩展等因素对桩基稳定性的影响，使得验证结果更接近实际情况；在评估桩基稳定性和承载力时，结合了工程设计和规范要求，考虑了桩基的结构参数、施工工艺和材料特性，使得验证结果更具实际指导意义；通过设置单桩或多桩仪器来测量桩侧阻力的变化情况，并进行静载试验来监测桩基的承载力响应和变形特性，从而直接验证了桩基在溶蚀石灰岩地层中的稳定性和承载能力；通过分析石灰岩溶蚀与桩土相互作用的影响，并对桩身和桩端的承载力进行修正，使得对桩基的承载能力评估更准确，能够更好地应对岩溶地区的特殊情况。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于岩溶发育区灌注桩基础桩端溶蚀石灰岩稳定性、桩基承载力验证方法，包括以下步骤：

S1：对目标区域及其周围的地质进行勘探调查和采样，获取该范围内的地质背景、岩层情况以及溶蚀石灰岩地层等特征信息；

S2：对由步骤S1得到的样品进行室内试验分析，测定石灰岩的溶蚀性能和物理力学参数，确定溶洞、溶缝、溶蚀槽等地质构造特征的发育程度和分布情况；

S3：结合目标区域的水文地质条件，对地下水位进行监测，分析地下水位对桩基周围岩体的溶蚀作用，以判断对桩基的影响程度；

S4：基于步骤S1、S2、S3的数据，在结合时间变化可能发生的岩层溶蚀变形、溶洞扩展等因素下进行数值模拟，评估桩基端石灰岩的稳定性；

S5：根据步骤S4得到的结果以及工程设计和规范，确定桩基的结构参数，同时考虑灌注桩的施工工艺和材料特性，初步估算桩基的荷载；

S6：在岩溶地层中设置单桩或多桩仪器来测量桩侧阻力的变化情况，计算出桩身周围岩体和土体的摩擦角和承载力，用于评估桩基在溶蚀石灰岩地层中的承载能力；

S7：在岩溶地层中设置静载试验仪器对桩端施加荷载，同时监测荷载-沉降曲线来确定桩基的承载力响应和变形特性，用于评估桩基在溶蚀石灰岩地层中的稳定性；

S8：分析石灰岩溶蚀带来的桩土相互作用，对桩身和桩端的承载力进行修正，从而确定桩基的承载力。

作为一种实施方式，所述步骤S2中的室内试验分析包括使用酸性溶液与石灰岩样品接触，观察其溶解速度和溶解后的形态变化，通过测量溶解产物的质量损失或溶解后的体积变化，确定石灰岩的溶蚀性能、将石灰岩样品切割或制备成适当的样本形状，安装到力学实验仪器上，根据所研究的物理力学参数，设置合适的实验条件，使用力学实验仪器对样本施加相应的力，记录加载过程中的变化情况，同时使用传感器和测量工具对物理力学参数进行实时测量并记录。

作为一种实施方式，所述步骤S3中监测地下水位的过程包括确定需要监测的地区并选择合适的监测点，在选定的监测点周围进行监测井的安装，在监测井中安装水位计测量地下水位的变化，将水位计与数据采集系统连接记录并保存水位数据，对收集到的地下水位数据进行处理和分析，编制地下水位监测的报告。

作为一种实施方式，所述步骤S4中数值模拟包括：

S41：根据地质背景、岩层情况和溶蚀石灰岩地层等特征信息建立三维地质模型；

S42：根据地下水位数据设定合理的地下水位作为数值模拟的边界条件，并根据施加在桩基上的荷载条件确定合适的荷载大小和施加方式；

S43：根据物理力学参数的分析结果，将合适的岩石力学参数应用于模型；

S44：根据地质模型的复杂程度和计算资源的可用性，选择合适的网格密度在建立的地质模型上进行网格划分；

S45：在有限元软件中输入所建立的地质模型、材料参数和边界条件，进行数值模拟计算；

S46：对结果进行分析和处理，且针对不同的参数设置，进行参数敏感性分析，评估各个参数对模拟结果的影响程度。

作为一种实施方式，所述步骤S5中的桩基结构参数包括桩的直径和长度、桩的材料和强度、桩的布设方式、桩基的锚固方式和预压设计；所述施工工艺包括桩孔准备、钢筋骨架安装、混凝土灌注方式、输送管撤离处理、预留砂嘴、锚固、端头处等处理；所述桩基荷载包括垂直荷载和水平荷载。

作为一种实施方式，所述步骤S6中的桩侧阻力测量包括在桩身上确定多个间距均匀分布的测量点，在每个测量点上安装应力测量器以及位移传感器，并与数据采集系统连接，利用数学模型和统计方法解读数据，得出岩体和土体的摩擦角和承载力的变化情况，基于应变片测量的弹性应变力学理论和基于位移传感器测量的弹塑性力学方法计算桩身周围岩体和土体的摩擦角和承载力。

作为一种实施方式，所述步骤S7中的桩端阻力测量包括将试验桩放置在目标位置上，使用沉桩装置逐渐施加垂直荷载使桩身沉入土壤或岩石中，保持匀速的间歇加载方式，实时监测和记录桩顶位移、沉降和倾斜等参数，绘制出荷载-位移曲线。

作为一种实施方式，所述步骤S8包括收集前面步骤S1-S7获得的地质调查数据、室内试验结果、现场监测数据和数值模拟结果等相关数据，综合考虑前面步骤的分析结果，评估石灰岩溶蚀与桩土相互作用的潜在影响，选定修正方法及修正公式。

作为一种实施方式，所述修正方法包括桩身的承载力修正和桩端的承载力修正，其中，桩身的承载力修正根据溶洞、溶缝的发育程度和位置分布，通过修正系数或修正公式，将桩身侧阻力按照一定比例进行降低或削弱，对桩身侧阻力进行修正计算；桩端的承载力修正依据溶蚀槽的形态特征及其侵蚀桩端的速率，通过修正系数或减少有效桩端面积，对桩端阻力进行修正计算。

作为一种实施方式，所述修正公式包括桩体抗拔承载力修正公式和桩体侧阻力修正公式，所述桩体抗拔承载力修正公式为Qa＝Q0·Kf·Kad，其中，Qa为修正后的桩体抗拔承载力，Q0为未修正的桩体抗拔承载力，Kf为岩溶区修正系数，考虑岩溶地层的影响，Kad为桩端岩石溶蚀系数，考虑桩端岩体的溶蚀程度；所述桩体侧阻力修正公式为Qs＝Q0·Ks，其中，Qs为修正后的桩体侧阻力，Q0为未修正的桩体侧阻力，Ks为修正系数，考虑岩溶地层的影响。

与传统技术相比，本发明的基于岩溶发育区灌注桩基础桩端溶蚀石灰岩稳定性、桩基承载力验证方法的有益效果是：

本发明通过结合了地质调查、室内试验、水文地质监测、数值模拟和现场试验等多种数据采集方法，全面获取目标区域的地质背景、岩层情况以及溶蚀石灰岩地层的特征信息，提高了验证结果的准确性和可靠性；通过数值模拟方法，不仅考虑了目标区域的静态特征，还考虑了时间变化可能引起的岩层溶蚀变形、溶洞扩展等因素对桩基稳定性的影响，使得验证结果更接近实际情况；在评估桩基稳定性和承载力时，结合了工程设计和规范要求，考虑了桩基的结构参数、施工工艺和材料特性，使得验证结果更具实际指导意义；通过设置单桩或多桩仪器来测量桩侧阻力的变化情况，并进行静载试验来监测桩基的承载力响应和变形特性，从而直接验证了桩基在溶蚀石灰岩地层中的稳定性和承载能力；通过分析石灰岩溶蚀与桩土相互作用的影响，并对桩身和桩端的承载力进行修正，使得对桩基的承载能力评估更准确，能够更好地应对岩溶地区的特殊情况。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明基于岩溶发育区灌注桩基础桩端溶蚀石灰岩稳定性、桩基承载力验证方法的流程示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域的普通技术人员应能理解其他可能得实施方式以及本发明的优点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解对本发明的限制。

请参阅图1，本实施例提供一种基于岩溶发育区灌注桩基础桩端溶蚀石灰岩稳定性、桩基承载力验证方法，包括以下步骤：

S1：对目标区域及其周围的地质进行勘探调查和采样，获取该范围内的地质背景、岩层情况以及溶蚀石灰岩地层等特征信息；

S2：对由步骤S1得到的样品进行室内试验分析，测定石灰岩的溶蚀性能和物理力学参数，确定溶洞、溶缝、溶蚀槽等地质构造特征的发育程度和分布情况；

S3：结合目标区域的水文地质条件，对地下水位进行监测，分析地下水位对桩基周围岩体的溶蚀作用，以判断对桩基的影响程度；

S4：基于步骤S1、S2、S3的数据，在结合时间变化可能发生的岩层溶蚀变形、溶洞扩展等因素下进行数值模拟，评估桩基端石灰岩的稳定性；

S5：根据步骤S4得到的结果以及工程设计和规范，确定桩基的结构参数，同时考虑灌注桩的施工工艺和材料特性，初步估算桩基的荷载；

S6：在岩溶地层中设置单桩或多桩仪器来测量桩侧阻力的变化情况，计算出桩身周围岩体和土体的摩擦角和承载力，用于评估桩基在溶蚀石灰岩地层中的承载能力；

S7：在岩溶地层中设置静载试验仪器对桩端施加荷载，同时监测荷载-沉降曲线来确定桩基的承载力响应和变形特性，用于评估桩基在溶蚀石灰岩地层中的稳定性；

S8：分析石灰岩溶蚀带来的桩土相互作用，对桩身和桩端的承载力进行修正，从而确定桩基的承载力。

可选地，本实施例的步骤S2中的室内试验分析包括使用酸性溶液与石灰岩样品接触，观察其溶解速度和溶解后的形态变化，通过测量溶解产物的质量损失或溶解后的体积变化，确定石灰岩的溶蚀性能、将石灰岩样品切割或制备成适当的样本形状，安装到力学实验仪器上，根据所研究的物理力学参数，设置合适的实验条件，使用力学实验仪器对样本施加相应的力，记录加载过程中的变化情况，同时使用传感器和测量工具对物理力学参数进行实时测量并记录。

其中，试验中可以分别使用不同浓度的酸性溶液(如盐酸、硝酸等)与石灰岩样品进行接触，观察溶解速度、溶解后的形态变化以及产生的气体释放情况；测量溶解产物的质量损失或溶解后的体积可以使用称量器或容积计等设备进行准确测量，并记录实验过程中的数据；为确定石灰岩的溶蚀性能，可将石灰岩样品切割或制备成适当的样本形状，如圆柱形、立方体等，在力学实验仪器上进行安装，根据所研究的物理力学参数，设置合适的实验条件，如应力大小、加载速率等，对样本施加相应的力，并记录加载过程中的变化情况；使用传感器和测量工具对物理力学参数进行实时测量并记录，例如，使用应变计测量样本的应变变化，使用位移计测量样本的位移变化，以及使用力传感器测量加载过程中的力变化。

进一步地，本实施例的步骤S3中监测地下水位的过程包括确定需要监测的地区并选择合适的监测点，在选定的监测点周围进行监测井的安装，在监测井中安装水位计测量地下水位的变化，将水位计与数据采集系统连接记录并保存水位数据，对收集到的地下水位数据进行处理和分析，编制地下水位监测的报告。

其中，确定监测地下水位的区域需要根据工程需求和岩溶发育情况进行选择，监测点应代表地下水位变化的典型情况，并考虑到岩溶地质特征、水文地质条件等因素；此外，监测井的建设应遵循地下工程施工规范和设计要求，选择适当的管材、井壁材料以及井径和井深等参数；同时，水位计应选用合适的类型，可以是悬浮式、蒸汽式、压力传感器等，并根据设计要求进行安装和校准；在数据采集上可以采用自动化的监测系统或人工记录方式，实时记录地下水位的变化，以确保数据的准确性和完整性；对于收集到的地下水位数据包括数据校核、异常值剔除、数据平滑化等，可以采用统计方法和数学模型对地下水位变化趋势进行分析和预测，以获取更多有关水文地质特征的信息；另外，地下水位监测报告应包括监测井的位置、监测期间的水位变化曲线图、主要变化趋势的描述和分析，以及对地下水位对桩基周围岩体溶蚀作用的评估和影响程度的判断。

可选地，本实施例的步骤S4中数值模拟包括：

S41：根据地质背景、岩层情况和溶蚀石灰岩地层等特征信息建立三维地质模型；

S42：根据地下水位数据设定合理的地下水位作为数值模拟的边界条件，并根据施加在桩基上的荷载条件确定合适的荷载大小和施加方式；

S43：根据物理力学参数的分析结果，将合适的岩石力学参数应用于模型；

S44：根据地质模型的复杂程度和计算资源的可用性，选择合适的网格密度在建立的地质模型上进行网格划分；

S45：在有限元软件中输入所建立的地质模型、材料参数和边界条件，进行数值模拟计算；

S46：对结果进行分析和处理，且针对不同的参数设置，进行参数敏感性分析，评估各个参数对模拟结果的影响程度。

为了进一步提高数值模拟的精度和可靠性，以及更全面地考虑岩溶地区的特殊情况，在S46之后，可以通过与实测数据进行比对，如现场观测数据、岩石力学试验数据等，以验证模型的合理性和准确性，在模拟计算过程中，通过与现场监测数据进行对比，采用参数反演方法，结合敏感性分析结果，调整和优化模型中的各个参数，提高模拟结果的准确性和可靠性；对于岩溶地区中深埋桩基，需要考虑温度对岩体及桩基的影响，根据实际工程情况，引入温度效应，模拟岩体和桩基温度的变化对结构行为的影响，并且根据地震参数和地震波谱，进行地震响应分析，模拟岩溶地区地震荷载下桩基的动力响应，评估桩基受地震作用下的稳定性和抗震能力，同时根据建立的地质模型和溶蚀特征，通过数值模拟方法模拟岩溶演化过程，包括溶洞发育、岩层塌陷等现象，通过岩溶演化模拟，对桩基的长期变形和稳定性进行评估，此外，考虑岩体、水流、渗流、溶蚀、岩土相互作用等多个因素的耦合效应，进行多场耦合分析，例如，模拟岩体的渗流和溶蚀过程对桩基稳定性的影响；严谨地，可将不确定性因素引入数值模拟中，进行可靠性分析，通过构建概率模型，分析模拟结果的可靠度和不确定性，评估桩基在不同概率水平下的可靠性。

进一步地，本实施例的步骤S5中的桩基结构参数包括桩的直径和长度、桩的材料和强度、桩的布设方式、桩基的锚固方式和预压设计；所述施工工艺包括桩孔准备、钢筋骨架安装、混凝土灌注方式、输送管撤离处理、预留砂嘴、锚固、端头处等处理；所述桩基荷载包括垂直荷载和水平荷载。

其中，根据具体工程需求和地质条件，除了直径和长度外，可以考虑更复杂的桩身截面形状，如圆形、多边形、变截面等，选择合适的截面形状以提高桩基的承载能力，同时，也可以考虑材料的可持续性和环保性，选择符合环保要求的高强度材料或纤维增强复合材料，以增加桩身的强度和耐久性；对于岩溶地区特殊的地质条件，在具体的工程需求和地质情况下，选择适当的锚固方式和设计参数，可以采用特殊的锚固系统来增加桩基的稳定性，如喷射锚固、预应力锚杆等；与此同时，针对岩溶地区的特殊情况，可以进行预压设计的优化，通过合理安排预压力的大小和施加方式，在桩基施工初期就确保了与岩体的良好接触，提高桩基的承载能力和稳定性。

另外，在岩溶地区，地下水流较发达，可能对施工有一定影响，需要采取适当的排水措施，如井点抽水、管线排水等，以保证施工的顺利进行，并且针对岩溶地区的特殊情况，可以采用特殊的钻孔方法和设备，如钻孔机具有较大的转速和推进力，能够应对硬质岩层和溶洞等复杂地质条件；为了防止岩溶作用对桩基钢筋骨架产生不良影响，可以采取防腐防锈措施，如喷涂特殊的防腐涂料或使用防锈钢筋等，此外，对于岩溶地区的混凝土灌注过程中，输送管的撤离处理非常关键，可以采用清洗、水冲等方式，确保输送管完全撤离，避免岩溶作用对桩基留下负面影响。

在本实施例中，考虑到岩溶地区的特殊地质条件及工程需求，可以使用抓挠摩擦桩、摩擦斜桩等形式，增加桩体与土体之间的摩擦阻力，进一步优化水平荷载的设计参数，以提高桩基的抗水平荷载能力，在岩溶地区，地震活动可能导致较大的地震荷载作用于桩基，因此，需要进行地震荷载评估，并通过增加桩基的抗震性能来提高桩基的稳定性，同时由于地层的不规则性和溶洞的存在，桩基常常面临侧向荷载的作用，因此，在设计中应考虑桩基的抗侧向位移能力，并采取适当的措施来增强桩基的承载能力。

可选地，本实施例的步骤S6中的桩侧阻力测量包括在桩身上确定多个间距均匀分布的测量点，在每个测量点上安装应力测量器以及位移传感器，并与数据采集系统连接，利用数学模型和统计方法解读数据，得出岩体和土体的摩擦角和承载力的变化情况，基于应变片测量的弹性应变力学理论和基于位移传感器测量的弹塑性力学方法计算桩身周围岩体和土体的摩擦角和承载力；步骤S7中的桩端阻力测量包括将试验桩放置在目标位置上，使用沉桩装置逐渐施加垂直荷载使桩身沉入土壤或岩石中，保持匀速的间歇加载方式，实时监测和记录桩顶位移、沉降和倾斜等参数，绘制出荷载-位移曲线。

由此可知，应变片测量能够提供桩身周围土体和岩体在加载过程中的应变信息，通过应变力学理论可以计算得出相应的摩擦角，而位移传感器测量则可以提供桩身周围土体和岩体的位移信息，结合弹塑性力学方法可以计算得出承载力，绘制曲线图可以了解桩端在不同荷载下的响应情况，提供关于桩基在岩土体中的承载能力的信息。如此一来，通过分析这些数据，可以确定桩顶的承载能力、桩身周围土体的变形情况以及桩侧阻力和桩端阻力的贡献程度，提供了评估桩基在岩溶地层中的稳定性和承载能力的重要数据，这对岩溶地区的工程建设具有指导意义，可以帮助工程师确定合适的基础设计和施工方案，确保工程的安全和可靠性。

进一步地，本实施例的步骤S8包括收集前面步骤S1-S7获得的地质调查数据、室内试验结果、现场监测数据和数值模拟结果等相关数据，综合考虑前面步骤的分析结果，评估石灰岩溶蚀与桩土相互作用的潜在影响，选定修正方法及修正公式。

其中，修正方法包括桩身的承载力修正和桩端的承载力修正，桩身的承载力修正根据溶洞、溶缝的发育程度和位置分布，通过修正系数或修正公式，将桩身侧阻力按照一定比例进行降低或削弱，对桩身侧阻力进行修正计算；桩端的承载力修正依据溶蚀槽的形态特征及其侵蚀桩端的速率，通过修正系数或减少有效桩端面积，对桩端阻力进行修正计算；修正公式包括桩体抗拔承载力修正公式和桩体侧阻力修正公式，所述桩体抗拔承载力修正公式为Qa＝Q0·Kf·Kad，Qa为修正后的桩体抗拔承载力，Q0为未修正的桩体抗拔承载力，Kf为岩溶区修正系数，考虑岩溶地层的影响，Kad为桩端岩石溶蚀系数，考虑桩端岩体的溶蚀程度；所述桩体侧阻力修正公式为Qs＝Q0·Ks，Qs为修正后的桩体侧阻力，Q0为未修正的桩体侧阻力，Ks为修正系数，考虑岩溶地层的影响。

由此，通过采用修正方法和修正公式，在评估桩基的稳定性和承载能力时，可以更准确地考虑石灰岩溶蚀对桩土相互作用的影响，修正方法的选择和修正公式的应用将帮助工程师更好地理解和预测桩基行为，为岩溶地区的工程建设提供更可靠的设计依据，需要注意的是，修正方法和修正公式的选择应根据具体工程情况、地质条件和数据分析结果进行调整和优化。

与现有技术相比，本实施例的基于岩溶发育区灌注桩基础桩端溶蚀石灰岩稳定性、桩基承载力验证方法通过结合了地质调查、室内试验、水文地质监测、数值模拟和现场试验等多种数据采集方法，全面获取目标区域的地质背景、岩层情况以及溶蚀石灰岩地层的特征信息，提高了验证结果的准确性和可靠性；通过数值模拟方法，不仅考虑了目标区域的静态特征，还考虑了时间变化可能引起的岩层溶蚀变形、溶洞扩展等因素对桩基稳定性的影响，使得验证结果更接近实际情况；在评估桩基稳定性和承载力时，结合了工程设计和规范要求，考虑了桩基的结构参数、施工工艺和材料特性，使得验证结果更具实际指导意义；通过设置单桩或多桩仪器来测量桩侧阻力的变化情况，并进行静载试验来监测桩基的承载力响应和变形特性，从而直接验证了桩基在溶蚀石灰岩地层中的稳定性和承载能力；通过分析石灰岩溶蚀与桩土相互作用的影响，并对桩身和桩端的承载力进行修正，使得对桩基的承载能力评估更准确，能够更好地应对岩溶地区的特殊情况。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明基于岩溶发育区灌注桩基础桩端溶蚀石灰岩稳定性、桩基承载力验证方法范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。