溶洞對高速公路路基施工穩(wěn)定性的影響研究

楊文軍

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100048)

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溶洞對高速公路路基施工穩(wěn)定性的影響研究

楊文軍

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京100048)

摘要:利用鄧肯—張模型和平面有限元方法，數(shù)值模擬計算分析了云梧高速公路下伏溶洞對路基變形和穩(wěn)定性的影響，分析結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，路基基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，不需要進(jìn)行路基處理。

關(guān)鍵詞:公路路基，溶洞，穩(wěn)定性分析，數(shù)值模擬

溶洞是高等級公路建設(shè)中的潛在威脅，有些路段溶洞埋深較淺，填土路基在附加荷載和交通荷載的作用下，導(dǎo)致溶洞坍塌可能性較大，容易引起路面開裂，甚至路基下沉和塌陷，嚴(yán)重影響公路路基的安全穩(wěn)定性以及公路的正常運營。在巖溶地區(qū)修建高等級公路一直是公路建設(shè)面臨的一個難題，目前不少研究者把溶洞看成與采空區(qū)類似的一種地下空區(qū)進(jìn)行研究［1］。目前這種研究工作開展的比較多，但計算和評價方法具有很大的局限性和經(jīng)驗性，現(xiàn)在更多的研究都轉(zhuǎn)向于彈塑性理論的數(shù)值計算方法。國內(nèi)外對溶洞上覆構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問題研究都有一定的啟發(fā)意義，但是由于工程地質(zhì)的多樣性，仍需對具體工程進(jìn)行針對性的分析研究。為了掌握含溶洞路段在施工過程以及開放交通后，溶洞對路基安全性的影響，施工階段進(jìn)行詳細(xì)的理論分析、數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測是非常必要的，它不僅有助于發(fā)現(xiàn)問題及時采取有效措施，而且可以避免不必要的經(jīng)濟(jì)浪費。應(yīng)用鄧肯—張模型理論和相應(yīng)的計算軟件作為計算工具，對云梧高速公路K76+107～K76+ 251典型路段的兩處溶洞對路基變形和穩(wěn)定性影響進(jìn)行數(shù)值計算分析，同時還根據(jù)現(xiàn)場沉降監(jiān)測情況對溶洞進(jìn)行了評價。

1　土石料本構(gòu)模型

1．1鄧肯—張E-ν模型［2］

鄧肯—張模型的切線彈性模量E和體積模量ν分別表示為:

其中:

依據(jù)鄧肯—張模型，對卸荷采用判別方法為:σ1－σ3＜(σ1－σ3)0，且S＜S0時，單元處于卸荷狀態(tài)，用Eur，否則用Et。其中(σ1－σ3)0為歷史上曾經(jīng)達(dá)到的最大變應(yīng)力，S0為歷史上曾經(jīng)達(dá)到的最大應(yīng)力水平。

對卸荷情況，彈性模量表示為:

其中，c為土體粘聚力;φ為土體內(nèi)摩擦角;Pa為大氣壓力;Rf，K，n，G，F(xiàn)，D，Kur均為模型參數(shù)。這些參數(shù)可以通過固結(jié)排水三軸試驗得到。近似取Kur=1．5K。

1．2單元破壞后的應(yīng)力修正

應(yīng)力調(diào)整時令調(diào)整前后的主應(yīng)力方向保持不變。

1)拉裂破壞。如果σ3＜0，則把σ3修正為0，同時令 σ1不變。可推得修正后的應(yīng)力分量:

其中，標(biāo)有“*”的為修正后的量值(下同)。

2)剪壞修正。修正原則為:將破壞單元的小主應(yīng)力保持不變，即，調(diào)整大主應(yīng)力，使得大小主應(yīng)力滿足摩爾—庫侖破壞準(zhǔn)則，即:。

然后，假定應(yīng)力修正前后的主應(yīng)力方向不變，則修正后的應(yīng)力分量為:

2　工程概況及數(shù)值計算模型

2．1工程地質(zhì)概況

廣東省云梧高速公路K75+900～K78+480路段為泥盆系地層，廣泛分布可溶性灰?guī)r，是產(chǎn)生巖溶不良地質(zhì)問題段主要地層巖性，在潮濕地區(qū)、大氣降水豐富、地下水能夠充分補(bǔ)給，水的來源充沛，巖溶易于發(fā)育，在由于地下水動力條件改變，在巖石裂隙極其發(fā)育和裂隙交匯處為巖溶易發(fā)地區(qū)。該段路基不良地質(zhì)主要為巖溶，特性巖土為軟土、紅粘土。根據(jù)所提供的鉆孔地質(zhì)柱狀圖，在里程樁號K76+224處揭示土體分層如圖1所示。

圖1　路基地層分布圖（單位：m）

2．2數(shù)值計算模型

由于鄧肯—張模型已經(jīng)為國內(nèi)科研、設(shè)計人員普遍接受，其結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)容易確定而得到廣泛應(yīng)用。因此，本研究將主要以鄧肯—張E-ν模型進(jìn)行計算。平面有限元靜力計算采用的是BCF平面有限元比奧固結(jié)程序。程序可以設(shè)置Goodman接觸面單元、薄單元等考慮土與混凝土等結(jié)構(gòu)物之間的相互作用。經(jīng)多年的驗證和改進(jìn)，該程序應(yīng)用比較成熟。

2．3計算參數(shù)

根據(jù)該路段附近的紅粘土層等的摩擦角、粘聚力、孔隙比、壓縮系數(shù)等參數(shù)，并參照相關(guān)文獻(xiàn)中亞粘土、全風(fēng)化灰?guī)r參數(shù)的取值，得到了粘土層等的鄧肯—張模型參數(shù)［3］，如表1所示。

地質(zhì)資料中對微風(fēng)化灰?guī)r，根據(jù)對其性狀的描述，按照GB 50218—2014工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)［4］，可以初步確定該巖體的質(zhì)量級別為Ⅳ級。該標(biāo)準(zhǔn)對質(zhì)量級別不同的巖體給出了其物理力學(xué)參數(shù)范圍，如表2所示。參照文獻(xiàn)［5］灰?guī)r的試驗結(jié)果，對本工程微風(fēng)化灰?guī)r的彈性模量和泊松比等采用如表3所示參數(shù)，對路堤填筑料和未風(fēng)化基巖參數(shù)依據(jù)經(jīng)驗并參照文獻(xiàn)取值，如表1和表3所示。

表1　土體E-ν模型材料基本參數(shù)

表2　巖體物理力學(xué)參數(shù)

表3　土體材料參數(shù)表

2．4計算方案

為掌握這兩個典型溶洞對路堤安全性的影響以及在路堤荷載和車輛荷載作用下是否會造成溶洞坍塌。主要針對K76+107斷面和K76+251斷面的地基中的2個溶洞的穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析。

根據(jù)勘探資料，云梧高速公路K76+107斷面路堤與溶洞相對位置如圖2所示。該溶洞大約寬14 m，高12 m，距離高速公路路堤軸線15 m，位于軸線左側(cè)，溶洞頂?shù)降孛婢嚯x18 m。該溶洞埋深較深，溶洞頂板厚(本文所說的溶洞頂板厚只是溶洞上部的微風(fēng)化灰?guī)r層的厚度，下同)2．8 m，不考慮車輛機(jī)動荷載作用一種情況進(jìn)行計算，結(jié)果見表4。

圖2　K76+107斷面網(wǎng)格劃分

根據(jù)勘探資料，K76+251斷面溶洞大約高10 m，寬9．5 m，長8．7 m，距離高速公路路堤軸線13 m，位于軸線右側(cè)，溶洞頂?shù)降孛婢嚯x11 m。該溶洞埋深較淺，溶洞頂板厚約1．0 m，分別進(jìn)行不考慮車輛機(jī)動荷載和考慮機(jī)動荷載兩種情況的計算。計算時，將溶洞形狀簡化為矩形，分別對K76+107斷面和K76+251斷面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分并進(jìn)行計算。K76+107斷面網(wǎng)格圖見圖2。坐標(biāo)系選定為:x為水平向右，y為豎直向上。正應(yīng)力以壓應(yīng)力為“+”，拉應(yīng)力為“－”;水平位移“－”表示向左(與x正向相反，若為正表示向右)，沉降“－”表示向下(與y正向相反)。

3　數(shù)值計算結(jié)果與分析

3．1計算成果

表4　有限元法計算結(jié)果

按照上述方案進(jìn)行了平面有限元計算，計算了地基最大沉降和最大水平位移，如表4所示，并計算了汽車動載作用下對路基的影響。

3．2成果分析

1)地基水平位移。圖3給出了路堤填筑完成后K76+107斷面的水平位移等值線。由于路堤橫斷面完全對稱，因此，填筑完成后路堤的水平位移也基本對稱，向左側(cè)的最大水平位移為－11．45 cm，向右側(cè)的最大水平位移為11．74 cm，最大水平位移位于地基內(nèi)，說明地基土的變形較大。由于溶洞距離地面較深(距地面18 m)，并處于微風(fēng)化灰?guī)r以下，溶洞頂板厚2．8 m，因此溶洞對路堤及地基的水平位移分布影響不大。K76+251斷面溶洞上方頂板厚度為1．0 m，由于溶洞側(cè)壁的阻擋作用，左右兩邊的水平位移稍微不同，左右側(cè)水平位移分別為－12．31 cm和9．56 cm。

2)地基沉降。圖4給出了K76+107斷面的沉降等值線圖，圖4中顯示，路堤沉降等值線基本關(guān)于軸線對稱，最大沉降位于原地面附近，說明地基土的沉降較大，地基最大沉降為45．98 cm。溶洞埋藏較深，且頂部有厚2．8 m微風(fēng)化灰?guī)r層，溶洞頂板僅下沉約0．1 cm，因此溶洞對路堤及地基的沉降分布影響不大。圖5給出了K76+251斷面的沉降等值線圖，溶洞頂板厚度約1．0 m，未考慮車輛荷載作用時，地基最大沉降為41．72 cm。由于溶洞上部有1．0 m厚的頂板，因此沉降量也不大，僅有0．3 cm。

圖3　K76+107斷面水平位移等值線

圖4　K76+107斷面地基沉降等值線圖

圖5　K76+251斷面地基沉降等值線圖（未加車輛荷載）

圖6　K76+251斷面地基沉降等值線圖（加車輛荷載）

3)車輛荷載下的路堤應(yīng)力變形。從以上模擬情況看，對K76+ 251斷面，溶洞頂板為1．0 m厚時計算的沉降與現(xiàn)有沉降較為相符。對該種情況又進(jìn)行了模擬車輛荷載的計算，車輛荷載簡化為均布荷載，折算成路堤荷載相當(dāng)于再增加0．8 m的路堤填筑高度。計算結(jié)果見圖6。由計算結(jié)果可知，車輛荷載作用下K76+ 251斷面向右最大水平位移為10．68 cm，向左的最小水平位移為－13．71 cm。最大沉降為45．02 cm，比沒有車輛荷載時稍有增加(增加了3．28 cm)。再根據(jù)該工況下的大主應(yīng)力、小主應(yīng)力以及應(yīng)力水平的等值線分布，從應(yīng)力水平看不是很大。從K76+251斷面溶洞附近沉降和小主應(yīng)力數(shù)值看，小主應(yīng)力出現(xiàn)了拉應(yīng)力，其值不大，沉降也很小，因此溶洞不會坍塌。

3．3現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

為了準(zhǔn)確了解路基施工中穩(wěn)定情況，在該路段選取兩個橫斷面的路基中心和路基邊線處分別埋設(shè)沉降觀測點，采用精密水準(zhǔn)儀從2008年9月到2009年12月，對路基沉降進(jìn)了監(jiān)測。

由于施工對測桿造成一定的損壞，只有在K76+110斷面路堤路面中心的沉降測桿測量數(shù)據(jù)基本完整。沉降觀測成果如圖7所示。

圖7　K76+110中監(jiān)測沉降曲線

沉降觀測數(shù)據(jù)表明，溶洞對路基變形影響不大，中心測點最大沉降值為316 mm，由于開始監(jiān)測時路基已有一定高度的填土，因此監(jiān)測值比實際沉降值稍微大一些。由圖7可以看出前期沉降速率較大，后期逐步收斂，8個月后開始趨于穩(wěn)定，10個月后沉降值基本不變，之后沉降預(yù)測不大。

4　結(jié)語

根據(jù)以上的理論計算、數(shù)值結(jié)果分析以及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，可得如下結(jié)論:1)K76+107斷面溶洞埋藏較深，溶洞頂板(微風(fēng)化灰?guī)r)模擬厚度2．8 m，溶洞對沉降和水平位移對分布影響不大，溶洞頂板存在拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力值不大，不會產(chǎn)生坍塌，該溶洞不需加固處理。2)計算結(jié)果表明，云梧高速公路K76+107斷面和K76+251斷面處路基產(chǎn)生較大的塑性變形而溶洞上部頂板產(chǎn)生很小的塑性變形。3)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)來看，K76+107斷面路基基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，路基塑性變形對路堤影響不大，路基下伏溶洞是不需要處理的。

參考文獻(xiàn):

［1］陽軍生，劉寶琛，陽生權(quán)．豎井建設(shè)引起的地表移動及變形［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1999，18(3):291-293．

［2］ 錢家歡，殷宗澤．土工原理與計算［M］．北京:水利電力出版社，1996．

［3］朱俊高，殷宗澤．土體本構(gòu)模型參數(shù)的優(yōu)化確定［J］．河海大學(xué)學(xué)報，1996，24(2):68-73．

［4］ GB 50218—2014，工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［5］ 祁生文，伍法權(quán)，蘭恒星．盤石頭水庫泄洪洞、導(dǎo)流洞進(jìn)出口高邊坡穩(wěn)定性分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(3): 353-359．

中圖分類號:U416．1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0150-03

收稿日期:2016-04-04

作者簡介:楊文軍(1980-)，男，博士，工程師

Influence research of karst cave on the stability of highway subgrade on construction

Yang Wenjun
(China Road Engineering Consultancy Group Co．，Ltd，Beijing 100048，China)

Abstract:Karst cave affecting subgrade deformation and stability effect are analyzed with the theory calculation and numerical simulation analysis of Yunfu-Wuzhou highway by the methods of Dengken-Zhang Model and plane finite element．The subgrade is basically in a stable state judging by the computation results and the data of on-site monitoring，and the karst cave under subgrade isn’t need treat．

Key words:highway subgrade，karst cave，stability analysis，numerical simulation