随着我国西部大开发战略的实施,高等级公路建设将大量穿越西部山区,大量工程桩基础将穿越岩溶发育区。由于岩溶发育具有隐蔽性的特点,即使是详细勘察也难以获得完整的工程地质资料。因此在地质资料有限的情况下如何合理确定基础的荷载传递规律及承载能力,成为确保岩溶区桩基施工及运营安全的关键所在。本文结合国家自然科学基金“岩溶区基桩竖向承载机理及其设计计算方法研究”(项目编号:51278187),以室内大尺寸模型试验、理论分析及现场试验为手段,对岩溶区域的桩基的承载机理及竖向承载能力进行了探讨,主要在以下几个方面进行了研究:(1)论述了已有岩溶区基桩受力分析的已有成果。在此基础上,基于相似理论,以现场工程为原型,开展了规则下伏溶洞岩溶区的竖向加载破坏试验,获取了加载过程中基桩、溶洞顶板的变形及应变发展规律。试验结果表明,岩溶顶板厚度与跨度是影响基桩竖向承载机理的重要因素,在溶洞顶板强度和跨度不变的情况下,随着顶板的厚度变化顶板的破坏模式也随着不断变化,主要分为桩端冲切、剪切和弯拉组合破坏以及整体弯拉破坏三种典型破坏模式。该模式与溶洞顶板厚度紧密相关。当顶板的厚相对较小的时候,岩溶产生破坏的不利位置是拉应力和压应力的转换接触面,此时顶板容易产生局部的冲切破坏形式;当顶板的厚度相对较大的时候,拉应力和压应力的转换界面此时扩展到了顶板的边缘位置,此时顶板容易出现整体的弯拉破坏形式。对比剪切的应变增量图和室内模型试验的破坏图可知,溶洞顶板产生破坏的面和剪切应变增量最值的位置非常相似,所以可以认为:剪切应变产生增量最值的位置就是溶洞顶板的破坏临界面。随着溶洞的顶板厚度与跨度的比值不断减小,顶板的极限承载能力也逐渐减小,顶板的破坏模式从整体的弯拉型破坏渐渐转变成局部的冲切型破坏。而基桩桩端荷载传递曲线则表明:基桩的极限桩端阻力随着溶洞顶板厚度的增加而不断增大。(2)基于室内模型试验结果,对岩溶区基桩的竖向极限承载力进行了理论分析。引进突变理论,重点描述了岩溶区域桩基破坏的突变特性,建立了三种破坏模式下力学简化后的模型和势能函数公式,由此推导了岩溶地区桩基桩端极限承载力尖点的突变分叉集公式。结合边界条件,推导分叉集公式得到岩溶地区桩基桩端的极限承载力公式,并且得到岩溶地区桩基的极限载荷的确定方程。(3)采用非确定性方法对岩溶顶板的稳定性进行了分析。利用有限的地质工程勘探资料,首先研究了岩溶顶板稳定性影响因素及相关岩土物理力学参数,由于在稳定性的分析过程中,桩端下伏的溶洞顶板的不确定因素比较多,所以利用区间数来表达计算参数的不确定性,且综合了区间的数学方法、RMR指标和Hoek-Brown的经验强度公式来共同形成一种参数区间的确定法则。基于现有的研究,建立了一个综合考虑抗冲切作用和抗剪作用以及抗弯的桩端下溶洞顶板的极限分析体系。基于研究功能函数确定方法,利用非概率的可靠性方法提出一种桩端下溶洞顶板的稳定非概率可靠性研究理论。(4)与第3章室内模型试验相比,第4章采用数值分析软件ABAQUS来建立岩溶桩基竖向承载的分析模型,探讨了岩溶区顶板的跨度和弹性模量、桩径等因素对岩溶桩基竖向承载性能的影响。(5)以自平衡技术及常规检测技术为手段,开展了多处岩溶区嵌岩桩的竖向承载力现场试验,并进一步分析了其荷载传递机理。最后,将本文所建立的岩溶区基桩突变性分析方法、不确定性分析方法应用于湖南省某高速公路桩基础工程,将理论分析结果与实际设计参数对比,验证设计的可行性,同时与分析结果对比验证了本文所建立的基于不确定性理论的岩溶桩基工程稳定性及风险分析方法的适用性与合理性。