車輛荷載作用下巖溶路基注漿加固效果分析

鄭明新,歐陽(yáng)林,2，黃文君，袁 釬，胡國(guó)平

(1.華東交通大學(xué) 巖土與道橋工程研究所，江西 南昌 330013;2.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610081)

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車輛荷載作用下巖溶路基注漿加固效果分析

鄭明新1,歐陽(yáng)林1,2，黃文君1，袁 釬1，胡國(guó)平1

(1.華東交通大學(xué) 巖土與道橋工程研究所，江西 南昌 330013;2.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610081)

以滬昆高速公路K940+200處巖溶災(zāi)害為例，借助有限元軟件ABAQUS建立模型，對(duì)巖溶路基的注漿加固效果進(jìn)行了計(jì)算分析。車輛動(dòng)態(tài)荷載采用半波正弦形式，以此來(lái)模擬行車駛近和駛離巖溶區(qū)這一動(dòng)態(tài)過(guò)程。研究結(jié)果表明：當(dāng)4車道均施加行車荷載后，路基變形滿足規(guī)范要求，行車荷載對(duì)路基的影響深度為6～8 m，且行車駛離巖溶區(qū)過(guò)程比駛近過(guò)程對(duì)路基影響大。同時(shí)，考慮了注漿結(jié)石體與灰?guī)r之間的接觸面和兩者的彈性模量對(duì)加固效果的影響，發(fā)現(xiàn)接觸面的存在使注漿結(jié)石體與圍巖之間產(chǎn)生分離(脫空)現(xiàn)象，且兩者彈性模量越接近，溶洞周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象越不明顯，加固效果越好。

巖溶路基；注漿加固；ABAQUS軟件；車輛動(dòng)態(tài)荷載；加固效果

0 引言

巖溶塌陷是巖溶區(qū)公路路基面臨的首要問(wèn)題，也是目前國(guó)內(nèi)外認(rèn)可的六大類型地質(zhì)災(zāi)害之一[1-5]。隨著高速公路的快速發(fā)展，許多線路不可避免的要穿越巖溶發(fā)育區(qū)，路基下伏巖溶塌陷會(huì)導(dǎo)致基底沉陷、路面開(kāi)裂等一系列地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)通車運(yùn)營(yíng)構(gòu)成了巨大的威脅。目前，很多學(xué)者對(duì)巖溶區(qū)路基病害問(wèn)題及溶洞注漿加固效果分析等方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]針對(duì)湖北滬蓉西高速公路某路段巖溶發(fā)育特征，指出變形和水害是巖溶路基病害的主要形式，路堤不均勻沉降和路基失穩(wěn)是巖溶路基病害的具體體現(xiàn)，并根據(jù)各種不同巖溶形態(tài)提出各種處理措施。文獻(xiàn)[7]利用彈塑性理論和有限差分法，計(jì)算分析并評(píng)價(jià)了公路路基下伏溶洞注漿加固前后對(duì)路基變形和穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[8]對(duì)某高速公路路基下伏溶洞提出有效的處理措施，對(duì)下伏溶洞處理前后的路基穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。文獻(xiàn)[9]運(yùn)用數(shù)值模擬分析方法對(duì)某巖溶發(fā)育區(qū)公路建設(shè)前、運(yùn)營(yíng)后的路基穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。這些研究都考慮了后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中汽車荷載對(duì)路基的影響，但都是將汽車荷載簡(jiǎn)化為路基全斷面的均布荷載，沒(méi)有考慮車輛駛近和駛離巖溶區(qū)域這一動(dòng)態(tài)過(guò)程。

為了研究汽車動(dòng)荷載作用下地下溶洞對(duì)路基穩(wěn)定性影響，本文運(yùn)用有限元數(shù)值計(jì)算方法，采用ABAQUS軟件作為計(jì)算工具，對(duì)滬昆高速公路K940+200斷面溶洞處理前后及交通荷載作用下的路基穩(wěn)定性影響進(jìn)行了計(jì)算分析，并利用計(jì)算結(jié)果對(duì)處理效果做出了評(píng)價(jià)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

本文依托的工程為滬昆高速公路，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，雙向4車道，路基寬度為26 m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，巖溶路基地層由上往下有：第四系新近堆積物，主要作為路基填土；第四系全新統(tǒng)沖洪積物和中更新統(tǒng)殘坡積物，巖性主要為粉質(zhì)黏土；白堊系上統(tǒng)南雄組中風(fēng)化粉砂巖；二疊系下統(tǒng)茅口組石灰?guī)r，巖石溶蝕現(xiàn)象明顯，巖溶發(fā)育，主要表現(xiàn)為溶洞、溶槽，多被少量黏土、碎石充填。

1.2 巖溶路基病害情況

2011年9月2日凌晨，蘆溪縣銀河鎮(zhèn)紫溪村蛇形沖突發(fā)地面塌陷，出現(xiàn)3個(gè)塌陷坑，至9月2日下午地質(zhì)災(zāi)害開(kāi)始波及滬昆高速公路K939+478～K940+950路段，其中，K940+200附近出現(xiàn)近100 m長(zhǎng)的路基沉降，最大沉降量達(dá)60 cm，路面亦出現(xiàn)數(shù)條10余米長(zhǎng)的裂縫，裂縫最寬達(dá)3 cm。

1.3 溶洞處治措施

針對(duì)巖溶路基病害，對(duì)K940+200斷面下伏溶洞進(jìn)行灌漿加固處理，灌漿材料為425號(hào)普通硅酸鹽水泥，配比為m(水)∶m(水泥)=1∶1。如漿液消耗量大或出現(xiàn)漏漿可加入速凝劑(水玻璃或氯化鈣)，灌漿速度控制在40～60 L/min，灌漿壓力控制在0.5～1.5 MPa。當(dāng)灌漿終壓達(dá)到1.5 MPa時(shí)，注漿速度小于5～10 L/min且持續(xù)時(shí)間不小于5 min，灌漿即結(jié)束。

圖1 計(jì)算模型

2 模型的建立

根據(jù)工程地質(zhì)資料，選取斷面K940+200作為計(jì)算原型，該斷面路基中部下伏一溶洞，溶洞沿垂直道路行車方向截面形狀呈橢圓形。溶洞長(zhǎng)10.4 m，高4.2 m，溶洞頂面埋深17.9 m，其中上覆土層厚度為6.0 m。本文建立模型時(shí)，以橢球空單元代替溶洞，選擇計(jì)算范圍為80.0 m×44.7 m，經(jīng)試算，此模型尺寸下，邊界條件對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果幾乎無(wú)影響。以路基基底中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立有限元模型，如圖1所示。

2.1 材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查和材料試驗(yàn)報(bào)告，計(jì)算各材料的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

注：H為厚度；ρ為密度；E為彈性模量；ν為泊松比；φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力；η為阻尼。

2.2 邊界條件

模型底部邊界為固定約束，兩側(cè)邊界為水平約束，其他邊界為自由邊界。

2.3 本構(gòu)模型

所有材料都采用彈塑性本構(gòu)模型，其中彈性部分采用的是各項(xiàng)同性彈性模型，塑性部分采用的是Mohr-Coulomb模型。

2.4 車輛動(dòng)態(tài)荷載的模擬

為模擬行車駛近和駛離溶洞區(qū)的過(guò)程，汽車荷載采用文獻(xiàn)[10-11]提出的半正弦動(dòng)荷載：

P(t)=Psin(ωt)， 0 s≤t≤0.1 s，

式中:ω為振動(dòng)圓頻率，ω=2πv/L;v為汽車行駛速度,在此取正常運(yùn)行速度30 m/s；L為幾何曲線波長(zhǎng)，取L=6 m；P為標(biāo)準(zhǔn)軸載P0按照靜力等效原則適當(dāng)轉(zhuǎn)換而來(lái)，轉(zhuǎn)換后的大小為25×103/0.213 kPa/m=117.371 kPa/m。標(biāo)準(zhǔn)軸載P0[12]大小為0.7 MPa，作用在兩個(gè)荷載圓表面上，兩荷載圓半徑為1δ(10.65 cm)，圓心距為3δ(31.95 cm)，因此必須通過(guò)轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題。

荷載作用位置如圖2所示。分別將行車荷載施加到單車道(車道1)，雙車道(車道1和車道2)，3車道(車道1、2、3)，4車道(車道1、2、3、4)上，輪距取1.92 m。

圖2 荷載作用位置

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 路基沉降分析

在溶洞處于原始狀態(tài)而不進(jìn)行任何處理的情況下，直接在原有地基上填筑路基，分析整個(gè)計(jì)算模型在自重作用下的穩(wěn)定性。在軟件計(jì)算過(guò)程中，由于收斂條件超出上限要求，計(jì)算中途停止，所得到的路基豎向位移最大值為29.43 cm，路基底部豎向位移曲線呈“U”型對(duì)稱分布，如圖3所示。值得注意的是，在未收斂情況下得到的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等數(shù)值大小，不能反映模型最后的實(shí)際變化量，只能反映模型的變化趨勢(shì)。

用注漿結(jié)石體材料單元代替計(jì)算模型的橢圓空單元，并使注漿結(jié)石體橢圓單元與原計(jì)算模型(見(jiàn)圖1)合為一體，以此來(lái)模擬溶洞加固過(guò)程。加固之后，再進(jìn)行交通荷載的模擬，分析路基的豎向位移，如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以看出：巖溶注漿加固效果顯著，加固后的路堤底部豎向位移數(shù)值較小，路基基底最大豎向位移為3.69 cm，最小豎向位移為2.36 cm，即差異沉降[13]最大值為1.33 cm。隨著車流量的增多，路基豎向位移逐漸增大，影響范圍也增大。當(dāng)4車道都施加行車荷載時(shí)，路基基底最大豎向位移為4.19 cm，最小豎向位移為2.37 cm，路基的差異沉降量的最大值在1.80 cm左右，符合路基沉降要求[13]。從圖5可以看出：行車荷載對(duì)路基的影響集中在距路面以下6～8 m，超過(guò)這個(gè)深度后基本無(wú)影響。

圖3 溶洞加固前路基底部豎向位移曲線圖4 加固后及加載后路基基底豎向位移曲線

為更好地了解行車駛近和駛離巖溶區(qū)這一短暫過(guò)程對(duì)路基的影響，分析4車道均有行車荷載作用下路基中心線不同深度處豎向位移時(shí)程曲線，如圖6所示。由圖6可看出：在0～0.05 s的時(shí)間過(guò)程中，即行車駛近溶洞頂部，路基豎向位移無(wú)明顯變化；在0.05～0.10 s的時(shí)間過(guò)程中，即行車駛離溶洞頂部，路基豎向位移逐步增大，表明行車駛離過(guò)程比駛近過(guò)程對(duì)路基的影響大。距路面深度超過(guò)6.5 m之后，行車荷載對(duì)其基本無(wú)影響，再次論證了上述結(jié)論。

圖5 加固后及加載后路基中線豎向位移曲線圖6 不同深度豎向位移時(shí)程曲線

3.2 路基及溶洞周圍巖土體應(yīng)力分析

圖7 4車道加載后豎向應(yīng)力云圖(Pa)

經(jīng)過(guò)上述3步分析過(guò)程之后，得到各豎向應(yīng)力云圖。在巖溶加固之前，溶洞周圍出現(xiàn)了較大的應(yīng)力區(qū)，主要分布在溶洞頂部左右兩側(cè)位置，且有集中現(xiàn)象，軟件計(jì)算終止時(shí)洞周最大豎向應(yīng)力為1.340 MPa；溶洞注漿加固后，注漿結(jié)石體傳遞上部荷載給周圍巖體，洞周最大豎向應(yīng)力為0.108 MPa；當(dāng)4車道同時(shí)有行車經(jīng)過(guò)巖溶區(qū)上部時(shí)，溶洞充填物和周圍巖土體已經(jīng)融為一體共同抵抗外力，洞周最大豎向應(yīng)力為0.170 MPa，如圖7所示。

相比于溶洞周圍灰?guī)r，路堤基底處豎向應(yīng)力均較小，如圖8所示。溶洞加固后，無(wú)行車荷載時(shí)最大豎向應(yīng)力為0.008 3 MPa，發(fā)生在路堤中部。當(dāng)只有車道1通過(guò)車輛時(shí)，豎向應(yīng)力大小與前者大致相等；當(dāng)車流量越來(lái)越多，4車道同時(shí)有行車經(jīng)過(guò)溶洞頂部時(shí)，路堤基底中部的豎向應(yīng)力達(dá)到最大值，大約為0.027 0 MPa。

理論上，隨著深度的增加，路堤和下伏地基在自重作用下，其豎向應(yīng)力也隨之增大。但在巖溶區(qū)，由于橢球形溶洞頂部拱形體的力學(xué)作用抵消了一部分上覆土層壓力，導(dǎo)致在巖溶區(qū)域內(nèi)豎向應(yīng)力有所減小，巖溶區(qū)域下部豎向應(yīng)力隨著深度增加又逐漸增大，如圖9所示。當(dāng)有行車經(jīng)過(guò)時(shí)，路面處豎向應(yīng)力急劇增大，越往深部傳遞，應(yīng)力越來(lái)越?。贿_(dá)到一定深度，自重開(kāi)始發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，豎向應(yīng)力又開(kāi)始逐步增加。行車荷載對(duì)路基的影響深度在路面以下6.5 m左右，與圖5和圖6體現(xiàn)出來(lái)的影響深度一致。

圖8 路堤基底豎向應(yīng)力S22曲線圖9 中線豎向應(yīng)力S22隨深度變化曲線

4 加固效果影響因素分析

影響巖溶路基注漿效果的因素很多，在此主要分析注漿結(jié)石體與圍巖之間的接觸面和兩者的彈性模量對(duì)加固效果的影響。

圖10 注漿結(jié)石體與圍巖的分離現(xiàn)象(m)

4.1 接觸面

上述都是假定注漿結(jié)石體與圍巖之間不存在接觸面，兩者合為一體。為分析注漿結(jié)石體與圍巖之間的黏結(jié)程度對(duì)加固效果的影響，在兩者之間設(shè)置接觸面，其摩擦因數(shù)為0.5。為了更清楚了解溶洞區(qū)的變化，將注漿結(jié)石體與圍巖區(qū)域放大(見(jiàn)圖10)，在設(shè)置接觸面后，注漿結(jié)石體與圍巖之間存在分離(脫空)現(xiàn)象，路基基底豎向位移有所增大(見(jiàn)圖11)，且接觸面摩擦因數(shù)的大小對(duì)路基變形幾乎無(wú)影響。

圖11 路基基底豎向位移曲線

4.2 彈性模量

通過(guò)調(diào)試注漿結(jié)石體和灰?guī)r的材料力學(xué)參數(shù)，得到大量計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：溶洞周圍應(yīng)力集中程度與注漿結(jié)石體、灰?guī)r兩者彈性模量的相對(duì)大小密切相關(guān)，兩者彈性模量大小越接近，應(yīng)力集中現(xiàn)象越不明顯。

5 結(jié)論

(1)下伏溶洞加固前，計(jì)算模型失穩(wěn)破壞，整個(gè)路基處于不穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算終止時(shí)路基底部最大豎向位移為29.43 cm，溶洞周圍最大豎向應(yīng)力為1.34 MPa，且有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，表明必須對(duì)路基下伏溶洞采取處治措施。

(2)對(duì)溶洞進(jìn)行注漿加固處理，分析加固之后路基豎向位移和洞周應(yīng)力變化，發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)值均有大幅度減小。路基基底最大豎向位移為3.69 cm，且差異沉降量很小，溶洞周圍最大應(yīng)力為0.108 MPa，說(shuō)明注漿加固效果顯著。

(3)采用半正弦動(dòng)荷載模擬行車駛近和駛離巖溶區(qū)這一過(guò)程，在4車道都有行車荷載作用下，溶洞周圍最大豎向應(yīng)力為0.170 MPa，無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象，路基基底最大豎向位移為4.19 cm，路基的差異沉降量的最大值為1.80 cm，符合文獻(xiàn)[11]對(duì)路基差異沉降量的要求。行車荷載對(duì)路基的影響深度在6.5 m左右。

(4)當(dāng)在注漿結(jié)石體與圍巖之間設(shè)置接觸面時(shí)，上覆巖土層重力作用使注漿結(jié)石體與圍巖之間存在分離(脫空)現(xiàn)象，且接觸面的摩擦性質(zhì)對(duì)路基變形幾乎無(wú)影響；當(dāng)注漿結(jié)石體與灰?guī)r的彈性模量大小相接近時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，加固效果良好。

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江西省高等學(xué)?？萍悸涞赜?jì)劃基金項(xiàng)目(KJLD13036)；江西省研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(YC2013-S169)

鄭明新(1966-),男,陜西渭南人,教授,博士,主要從事路基與邊坡工程研究.

2014-08-29

1672-6871(2015)03-0065-05

U416.1

A