張　媛,董建華

(1.蘭州理工大學 土木工程學院,甘肅 蘭州　730050;

2.蘭州理工大學 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室,甘肅 蘭州　730050)

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察爾汗鹽巖路基溶蝕數(shù)值模擬及病害分析

張媛1,2,董建華1,2

(1.蘭州理工大學 土木工程學院,甘肅 蘭州730050;

2.蘭州理工大學 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室,甘肅 蘭州730050)

摘要為了研究察爾汗鹽巖路基在滲流溶蝕作用下的特性,通過采用大型有限元軟件ADINA中的結構模塊與流體模塊分別進行建模,最后將兩者耦合進行流固耦合計算分析。并運用CT實驗驗證了數(shù)值模擬結論的正確性。結果表明:由于湖水滲入引起的路肩沉降、橫向位移和路基內(nèi)部有效應力均大于自重所引起的;路基兩側(cè)鹵水水位差也是影響路基變形的主要因素;鹽巖路基溶蝕病害主要因素包括巖溶、鹽業(yè)生產(chǎn)和毛細水。

關鍵詞鹽巖路基;滲流溶蝕;ADINA;CT;病害

青藏鐵路穿越察爾汗鹽湖地區(qū),該地區(qū)的鐵路路基為鹽巖地層[1]。而鹽巖自身富含各種易溶于水的礦物成分,并受外界自然因素和人為開采鉀肥影響。低濃度鹵水侵蝕路基鹽巖,造成鹽巖結構發(fā)生破壞,形成溶洞、塌陷等病害,導致路基不均勻沉降,嚴重威脅路基的正常使用。因此,鹽巖路基溶蝕病害、溶蝕機理是一個刻不容緩的問題。

Hunsche和Skrotzki在1984年通過試驗進行了鹽巖靜、動力學特征的研究[2,3];Cuervas在1997年通過統(tǒng)計分析了鹽巖的微觀孔隙分布特征;林安寧等[4]、王朱貴等[5]針對青藏線鹽湖鐵路路基鹽溶分布、成因及病害進行了綜述性描述,在此基礎上闡述了鹽湖路基防治措施,并總結了鹽湖病害整治應該重視的問題;張宗淳等[6]經(jīng)長期監(jiān)測察爾汗鹽湖巖溶演變和路基基底穩(wěn)定性,指出以極其緩慢的方式發(fā)生巖溶,鐵路主干線的穩(wěn)定性有保證,但鹽湖鹵水礦床的大規(guī)模開采以及人為因素會影響溶洞發(fā)育;謝晨[7]通過對巖溶發(fā)育地區(qū)進行地質(zhì)勘察,為巖溶地區(qū)的加固處理提供了方法。李冬雪等[8]闡述了鹽溶形成的機理和危害,并對鹽溶防治技術進行了系統(tǒng)性分析與總結;劉軍勇等[9]對察爾汗巖鹽地區(qū)進行地質(zhì)勘察和室內(nèi)試驗,對路基路面的沉降量進行了監(jiān)測,并對路面進行了彎沉檢測。

1工程背景

K750+400～K752+000段路基為低路堤,鹽巖厚度為0.5~1.0 m,路基寬度為5 m,路面上部鋪設0.15 m厚度的礫石土。路基是由鹽巖碾碎噴灑適量鹵水,碾壓施工而成。鹽層以下為砂粘土、粘砂土、粘土及粉、細砂等湖相碎屑沉積層。地下水為承壓水且埋深較深。路基左側(cè)埋有土工膜,埋入地下1 m深。路基兩側(cè)分布有協(xié)作湖、團結湖、達布遜湖等。該地區(qū)氣候異常,屬高寒干旱性氣候,多年平均降水量在17.6～274.0 mm之間,5～8月降水量占全年70%以上,這造成路基兩側(cè)湖水面積迅速擴大,低礦化度湖水向鹽湖路基滲流和漫溢。路基地層的材料參數(shù)見表1。

2有限元模型建立

為了分析鹵水對路基鹽巖的溶蝕和滲流作用,這兩者是耦合作用,所以通過在ADINA-Structure與ADINA-CFD模塊分別建立路基結構模型和鹵水滲流模型,再利用流體—結構耦合分析求解器ADINA-FSI對其進行耦合計算的方法來做數(shù)值模擬。

表1　路基主要地層的力學指標

2.1模型參數(shù)

鹽巖地段路基均為0.5~1.0 m的低路堤,是將鹽巖碾碎噴灑適量鹵水,碾壓作為鹽巖路基?？紤]鹽巖的特殊性質(zhì),為了防止降水溶蝕,故在路面鋪設0.15 m礫石土。為了簡化模型,將礫石層與第二層鹽巖填料作為同一土層,基底土層為含鹽類粉質(zhì)粘土,且視路基與基底土層呈均勻分布。

2.2建立模型

由于路基沿縱向尺寸比較大,屬于平面應變問題。為了簡化模型,將礫石層與第二層鹽巖填料作為同一土層,基底土層為含鹽類粉質(zhì)粘土,并且沿路基縱向呈均勻分布。取縱向4 m長度為計算分析單元,建立三維有限元模型,其中第二層鹽巖填料為6 m×9 m×1 m的梯形,第一層鹽巖填料尺寸為11 m×0.5 m的矩形,含鹽類粉質(zhì)粘土層的尺寸為22 m×2.5 m的矩形。采用8節(jié)點映射網(wǎng)格,土體采用實體單元,材料考慮為多孔介質(zhì)材料。模型Structure模塊和CFD模塊中邊界處理為底部固定,其余邊界法向約束,并在流體與路基兩側(cè)接觸位置增加流固耦合邊界條件。分別在Structure模塊和CFD模塊中進行計算,將各自的計算結果導入FSI求解器中求解,得到流固耦合計算結果。路基結構模塊有限元模型如圖1所示。

圖1　路基結構模塊有限元模型Fig.1　Finite element model of roadbed construction module

3數(shù)值模擬結果及分析

3.1自重應力云圖分析

設定無鹵水作用,路基僅在自重荷載作用下發(fā)生應力變化,對比分析鹵水溶蝕對路基鹽巖的影響。自重應力云圖如圖2所示。

圖2　自重應力云圖Fig.2　Dead weight stress nephogram

從圖2可以看出,路基在自重作用下,隨著填筑材料深度的增加,自重應力以路基中線為對稱軸呈均勻分布,且應力依次增大,最大值在路基基底最下方,為30.38 kN/m2。在同一深度處,應力值相同。

3.2沉降云圖分析

鹵水對路基鹽巖滲流溶蝕,引起路基強度降低和變形等,影響路基正常使用,沉降云圖如圖3所示。

圖3　路基沉降云圖Fig.3　The nephogram ofroadbed settlement

從圖3可以看出,鹵水滲流溶蝕鹽巖路基,引起路基的不均勻沉降,靠近鹵水的路基兩側(cè)沉降較大,且左側(cè)路基沉降明顯大于右側(cè),說明湖水的水位高低對路基沉降影響較明顯。究其原因,左側(cè)鹵水水頭高度大于右側(cè),對路基鹽巖產(chǎn)生較大的滲透壓力,滲流溶蝕作用強,使得鹽巖內(nèi)部產(chǎn)生較大的溶蝕孔隙,結構遭到破壞,強度降低,導致左側(cè)的沉降最大,達到12 mm;從路基左側(cè)到右側(cè),鹵水的滲流路徑逐漸增長,鹵水壓差減小,且隨著鹽巖的溶蝕使鹵水濃度增大,高濃度鹵水對路基的溶蝕作用降低,對鹽巖內(nèi)部結構破壞程度降低,路基沉降量減小。

3.3橫向位移圖分析

鹵水對路基鹽巖滲流溶蝕不僅引起豎向位移,還會引起路基水平方向的位移,路基Y向位移云圖如圖4所示。

圖4　路基Y向位移云圖Fig.4　The nephogram of roadbed Y direction displacement

從圖4可以看出,路基鹽巖將產(chǎn)生與路基縱軸線相垂直方向的位移,橫向位移由路基兩側(cè)向路基中央逐漸減小,呈不均勻分布,并且路基左側(cè)橫向位移大于右側(cè),最大為7.5 mm。原因在于路基鹽巖先變軟,再溶解,長期溶蝕使路基寬度逐漸減小。左右兩側(cè)鹵水水位存在高差,使得左側(cè)溶蝕作用強烈,左側(cè)橫向位移大于右側(cè)。從路基左側(cè)到右側(cè),鹵水的滲流路徑逐漸增長,鹵水壓差減小,對鹽巖內(nèi)部結構破壞程度降低,縱向位移減小。說明水位的高低不同對路基的影響也不同,水位越高,對路基的側(cè)向位移的影響越大。

3.4路基位移與有效應力分析

為了量化分析路基兩側(cè)鹵水對路基鹽巖有效應力和位移的變化規(guī)律,現(xiàn)提取有限元模型中路基兩側(cè)邊緣位置單元節(jié)點相應的應力與位移進行對比分析。路基頂部中心點的位置坐標為(0,0,0)。

為了分析滲流溶蝕對路肩各層面沉降的影響,對比僅自重作用和考慮自重溶蝕耦合作用時路肩沉降的變化規(guī)律,通過數(shù)據(jù)繪制路肩沉降曲線,如圖5所示。

圖5　路肩沉降Fig.5　 Road shoulder sedigraph

由圖5可知,鹽巖在溶蝕作用下路肩的沉降均大于自重作用時的沉降,說明低濃度鹵水入滲鹽巖后,能夠帶走部分鹽分,導致路基強度下降,沉降變形增大。隨著侵蝕鹵水深度的增加,沉降量逐漸減小,主要是因為底部鹽巖較上部結構致密。對比圖5(a)和圖5(b),可知左側(cè)路肩沉降大于右側(cè),主要是因為左側(cè)鹵水的水位高于右側(cè)。鹵水對鹽巖路基的溶蝕滲流作用不可忽略。

為了分析滲流溶蝕對路肩各層面Y側(cè)向位移的影響,對比僅自重作用和考慮自重溶蝕耦合作用時路肩Y側(cè)向位移的變化規(guī)律,通過數(shù)據(jù)繪制路肩Y側(cè)向位移曲線,如圖6所示。

由圖6可知,自重作用時鹽巖路基橫向(Y側(cè)向)位移基本為零,而在路基兩側(cè)不同水位鹵水作用下,此時路基相當于在一側(cè)受到推力和上浮力的作用,路基產(chǎn)生沿橫向的位移。隨著路基埋深的增加,路基位移呈現(xiàn)減小趨勢。路基兩側(cè)的水位差是引起路基橫向位移的主要因素。

為了分析滲流溶蝕對路肩各層面有效應力的影響,對比僅自重作用和考慮自重溶蝕耦合作用時路肩有效應力的變化規(guī)律,通過數(shù)據(jù)繪制路肩有效應力曲線,如圖7所示。

從圖7可知,與自重作用時鹽巖內(nèi)部單元的有效應力相比,在溶蝕作用下左側(cè)路肩應力均大于自重,隨著路基深度的增大,鹵水對路基的單元應力影響占主要地位。隨著深度的增大,右側(cè)路肩的單元應力增加不明顯,主要是右側(cè)路肩的鹵水水位較低。

圖6　路肩Y側(cè)向位移Fig.6　Lateral displacement map of shoulder Y

圖7　路肩有效應力Fig.7　Effective stress diagram of road shoulder

4鹽巖溶蝕CT實驗驗證

根據(jù)已有資料[10]和上述數(shù)值模擬可知,鹽巖在低濃度鹵水的作用下發(fā)生滲流溶蝕,引起內(nèi)部結構的變化,從而改變鹽巖的力學性能,導致路基變形。為了分析鹽巖溶蝕病害和驗證數(shù)值模擬結果,采用CT實驗對溶蝕作用下鹽巖細觀內(nèi)部結構的變化作定性評價。試驗巖樣對試塊鉆取圓柱鹽樣,尺寸為Φ50 mm×100 mm,干重密度為1.53 g/cm3,質(zhì)量為290.84 g。首先對鹽樣進行CT斷面定位和掃描,如圖8(a)所示。

圖8　試樣溶蝕前后掃描圖Fig.8　Scanning image of samples before andafter corrosion

其次用未飽和鹵水從一側(cè)滲流一段時間,對烘干后的鹽試樣進行CT斷面掃描,如圖8(b)所示,其密度為1.44 g/cm3,質(zhì)量為284.46 g。

根據(jù)鹽樣在溶蝕前后CT掃描斷面圖、質(zhì)量及密度變化可看出,鹽巖經(jīng)未飽和鹵水滲入后,質(zhì)量和密度均減小;鹽巖內(nèi)部孔隙明顯增大,裂隙繼續(xù)擴張,內(nèi)部結構遭到破壞,且呈不均勻分布。實驗表明,未飽和鹵水入滲鹽巖后,鹽巖變?yōu)樾鯛?孔隙增大。

5鹽巖路基病害分析

基于數(shù)值分析和CT實驗結果,結合現(xiàn)場勘探,分析可得鹽巖路基的病害成因有:

(1)巖溶影響。青藏鐵路通過察爾汗鹽湖的北部鹽溶區(qū),溶洞的形成主要是低礦化度承壓水滲入鹽巖層底部發(fā)生溶蝕。隨低礦化度承壓水的滲入,溶洞不斷發(fā)展,洞頂鹽層厚度減小,當減小到不足以支持路基和列車荷載時就會發(fā)生塌陷。鹽湖是干旱氣候的產(chǎn)物,干旱少雨的氣候條件造成鹽湖的蒸發(fā)量遠超過入湖的河水補給量,導致湖水不斷濃縮。鹽湖外圍存在大范圍的鹽漬土平原,周邊水系流經(jīng)鹽漬土平原后在入湖前基本呈飽和狀態(tài),有利于鹽湖的積鹽。

(2)鹽業(yè)生產(chǎn)影響。在靠近路基處大規(guī)模的開采鉀鎂液體礦,將使晶間鹵水水位發(fā)生大幅度下降,使路基下的鹽巖空隙沒有鹵水填充,入湖水水位上升時,低礦化度湖水充填鹽巖層空隙,對鹽巖層產(chǎn)生溶蝕,鹽巖基礎強度降低,影響路基穩(wěn)定。

(3)毛細水影響。毛細水的上升會降低鹵水的濃度,進一步侵蝕鹽巖。地下水和土中所含的氯化鈉和硫酸鈉,對粉細沙中毛細水上升一般起著減緩作用。含鹽量越高,毛細水上升越低。在超鹽漬土地區(qū),毛細水的上升能引起路基填土的浸濕軟化和再鹽漬化,并能促進凍脹和鹽脹等不良物理地質(zhì)作用,是導致各種路基病害的一個重要因素。

6結論

(1)通過對鹽巖路基病害的調(diào)查和研究,結合工程自身的特殊性,運用大型有限元軟件ADINA建立了考慮溶蝕滲流耦合作用的三維有限元模型。

(2)通過對比分析滲流溶蝕與自重應力作用下的路肩沉降、橫向位移和路基有效應力可知,湖水滲入路基所引起的位移和應力均大于自重引起的,路基兩側(cè)鹵水水位差也是影響路基變形的主要因素。

(3)基于鹽巖CT溶蝕實驗,鹽巖經(jīng)未飽和鹵水入滲后,質(zhì)量和密度均減小;鹽巖內(nèi)部孔隙明顯增大,原有裂隙繼續(xù)擴張,內(nèi)部結構遭到破壞。該實驗驗證了數(shù)值模擬的正確性。

(4)根據(jù)現(xiàn)場勘探、數(shù)值模擬和實驗結果,分析可知導致鹽巖路基病害的主要因素包括巖溶、鹽業(yè)生產(chǎn)和毛細水。

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Numerical Simulation and Disease Analysis of Qarhan Salt Rock Roadbed Corrosion

Zhang Yuan1,2,Dong Jianhua1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China;2.KeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigationinCivilEngineeringofGansuProvince,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

AbstractIn order to study the characteristics of Qarhan salt rock roadbed under the action of seepage and corrosion,we separately made modeling by adopting the structural module and fluid module in large finite element analysis software ADINA,and finally coupled the two for fluid-solid coupling calculation analysis.Besides,CT test was used to verify the correctness of numerical simulation conclusion.Results showed that:road shoulder settlement,lateral displacement and effective stress of inside roadbed are all greater than those caused by dead weight;The brine water head on the sides of roadbed is also a major factor of roadbed deformation;The disease factors causing the corrosion of salt rock roadbed include karst,salt industrial production and capillary water.The above conclusions can provide reference for defect control of salt rock roadbed.

Key wordsSalt rock roadbed;Seepage and corrosion;ADINA;CT;Disease

中圖分類號:TU478

文獻標志碼:A

文章編號:1004-0366(2016)01-0099-06

作者簡介:張媛(1988-)，女，河南臨潁人，碩士研究生，研究方向為柔性支擋結構的分析與設計.E-mail:781541570@qq.com.

基金項目:中鐵西北科學研究院科研基金：青藏線鹽湖路基溶蝕防治技術研究(H1204cc018).

收稿日期:2014-09-25;修回日期:2014-11-13.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.022.

引用格式:Zhang Yuan,Dong Jianhua.Numerical Simulation and Disease Analysis of Qarhan Salt Rock Roadbed Corrosion[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):99-104.[張媛,董建華.察爾汗鹽巖路基溶蝕數(shù)值模擬及病害分析[J].甘肅科學學報,2016,28(1):99-104.]