地下洞穴对岩土体稳定性的影响机理及应用研究

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我国岩溶发育茂盛,众多房屋建筑以及基础设施包括市政道路、公路和铁路需在浅埋岩溶地下洞穴密布和发育的地区修建,而这些设施可能因为地下洞穴的影响发生地面变形、滑坡等灾害从而严重影响各类设施的安全与使用,所以在岩溶地方开展各类建设项目时,往往需要对有关场地进行稳定性评估。目前国内外的研究成果中,有关地下洞穴与岩土体稳定性关系的研究绝大部分专注于研究岩溶与地下洞穴的关系、地下洞穴本身的力学参数及其形成规律等内容且研究对象多为位置大小固定且易被测量的地下洞穴影响下的岩土体,涉及不易测量监控、位置大小未知的地下洞穴影响下的岩土体稳定性相关问题的研究成果非常少。为了更好地对位置大小未知且不易检测的地下洞穴影响下的岩土体进行稳定性研究,本文以目前理论较为成熟的极限分析上限法为基础,结合有限元思想和最优化方法对受未知地下洞穴影响下的岩土体进行稳定性分析,并做出了如下研究:(1)详细阐述了本文选题的研究意义和背景,对岩土体稳定性分析方法、极限分析相关方法、受地下洞穴影响的岩土体失稳机理与演化过程国内外研究现状等内容分别做了介绍,通过对上述研究方法与成果中存在的优势与缺陷进行逐一分析,指出以塑性极限分析上限法为基础结合有限元思想与最优化原理对受地下洞穴影响的岩土体进行失稳机理与演化过程研究是十分必要的。(2)提出了一种运用塑性极限分析法研究未知地下洞穴对岩土体失稳机理与演化过程影响的新方法。即以塑性极限分析上限法理论为基础,结合有限元的数理规范方式,对目标岩土体积进行了离散化,并根据具体的条件建立求解超载系数的非线性数学规划模型。(3)根据数学规划模型建立了对应的数值求解程序与策略,通过编制对应的计算程序并运用对应的求解软件CPLEX中的最优化方法,就能够求得在目标岩土体进入极限状态时的最大安全系数和极限荷载上限解,以及模拟了相应的破坏过程。通过算例,来检验本文中建立的具体理论、数值方法及其运算程序,并在上述基础上编程绘制了对应算例的安全系数(极限荷载)等值线。(4)针对现有国内外研究成果中地下洞穴主要为圆形洞穴或拟合成圆形的洞穴,本文在已有理论的基础上进一步研究了方形和圆形两种地下洞穴对岩土体稳定性的影响规律,并着重分析了规律中存在的相同点与不同点。(5)综合考虑了地下水与地下洞穴对岩土体稳定性的影响,对同时受地下水以及地下洞穴影响的岩土体的稳定性问题进行了研究并分析了相应结果,确定了地下水位对地基稳定性具有影响的同时地下水位与地基稳定性之间的变化规律受到地下洞穴相应参数影响两个结论,并在此基础上进一步得到了地基稳定性受地下水位与地下洞穴之间位置关系影响这一结论。
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