楊文軍

(中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100048)

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溶洞對(duì)高速公路路基施工穩(wěn)定性的影響研究

楊文軍

(中國(guó)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(jì)算分析了云梧高速公路下伏溶洞對(duì)路基變形和穩(wěn)定性的影響，分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(jí)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(kāi)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(yùn)營(yíng)。在巖溶地區(qū)修建高等級(jí)公路一直是公路建設(shè)面臨的一個(gè)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(kāi)展的比較多，但計(jì)算和評(píng)價(jià)方法具有很大的局限性和經(jīng)驗(yàn)性，現(xiàn)在更多的研究都轉(zhuǎn)向于彈塑性理論的數(shù)值計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)外對(duì)溶洞上覆構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問(wèn)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(duì)具體工程進(jìn)行針對(duì)性的分析研究。為了掌握含溶洞路段在施工過(guò)程以及開(kāi)放交通后，溶洞對(duì)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(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是非常必要的，它不僅有助于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)采取有效措施，而且可以避免不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。應(yīng)用鄧肯—張模型理論和相應(yīng)的計(jì)算軟件作為計(jì)算工具，對(duì)云梧高速公路K76+107～K76+ 251典型路段的兩處溶洞對(duì)路基變形和穩(wěn)定性影響進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，同時(shí)還根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)情況對(duì)溶洞進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

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(duì)卸荷采用判別方法為:σ1－σ3＜(σ1－σ3)0，且S＜S0時(shí)，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(duì)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(guò)固結(jié)排水三軸試驗(yàn)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(shí)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(shí)令 σ1不變?？赏频眯拚蟮膽?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(kù)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(jì)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(wèn)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(lái)源充沛，巖溶易于發(fā)育，在由于地下水動(dòng)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(hào)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(jì)算模型

由于鄧肯—張模型已經(jīng)為國(guó)內(nèi)科研、設(shè)計(jì)人員普遍接受，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)算。平面有限元靜力計(jì)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(yàn)證和改進(jìn)，該程序應(yīng)用比較成熟。

2．3計(jì)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(duì)微風(fēng)化灰?guī)r，根據(jù)對(duì)其性狀的描述，按照GB 50218—2014工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［4］，可以初步確定該巖體的質(zhì)量級(jí)別為Ⅳ級(jí)。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)質(zhì)量級(jí)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(yàn)結(jié)果，對(duì)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(duì)路堤填筑料和未風(fēng)化基巖參數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jì)算方案

為掌握這兩個(gè)典型溶洞對(duì)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(huì)造成溶洞坍塌。主要針對(duì)K76+107斷面和K76+251斷面的地基中的2個(gè)溶洞的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)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(duì)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(shuō)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(dòng)荷載作用一種情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)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(zhǎng)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(dòng)荷載和考慮機(jī)動(dòng)荷載兩種情況的計(jì)算。計(jì)算時(shí)，將溶洞形狀簡(jiǎn)化為矩形，分別對(duì)K76+107斷面和K76+251斷面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分并進(jìn)行計(jì)算。K76+107斷面網(wǎng)格圖見(jiàn)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(jì)算結(jié)果與分析

3．1計(jì)算成果

表4　有限元法計(jì)算結(jié)果

按照上述方案進(jìn)行了平面有限元計(jì)算，計(jì)算了地基最大沉降和最大水平位移，如表4所示，并計(jì)算了汽車動(dòng)載作用下對(duì)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(duì)稱，因此，填筑完成后路堤的水平位移也基本對(duì)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(shuō)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(duì)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(duì)稱，最大沉降位于原地面附近，說(shuō)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(duì)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(shí)，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(duì)K76+ 251斷面，溶洞頂板為1．0 m厚時(shí)計(jì)算的沉降與現(xiàn)有沉降較為相符。對(duì)該種情況又進(jìn)行了模擬車輛荷載的計(jì)算，車輛荷載簡(jiǎn)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。由計(jì)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(méi)有車輛荷載時(shí)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(huì)坍塌。

3．3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(gè)橫斷面的路基中心和路基邊線處分別埋設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀從2008年9月到2009年12月，對(duì)路基沉降進(jìn)了監(jiān)測(cè)。

由于施工對(duì)測(cè)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(cè)桿測(cè)量數(shù)據(jù)基本完整。沉降觀測(cè)成果如圖7所示。

圖7　K76+110中監(jiān)測(cè)沉降曲線

沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，溶洞對(duì)路基變形影響不大，中心測(cè)點(diǎn)最大沉降值為316 mm，由于開(kāi)始監(jiān)測(cè)時(shí)路基已有一定高度的填土，因此監(jiān)測(cè)值比實(shí)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(gè)月后開(kāi)始趨于穩(wěn)定，10個(gè)月后沉降值基本不變，之后沉降預(yù)測(cè)不大。

4　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上的理論計(jì)算、數(shù)值結(jié)果分析以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(duì)沉降和水平位移對(duì)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(huì)產(chǎn)生坍塌，該溶洞不需加固處理。2)計(jì)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(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看，K76+107斷面路基基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，路基塑性變形對(duì)路堤影響不大，路基下伏溶洞是不需要處理的。

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中圖分類號(hào):U416．1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-6825(2016)17-0150-03

收稿日期:2016-04-04

作者簡(jiǎn)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