秦 龍 ,張 晶,周 科

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng)市 550081;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢市 430056)

0 引言

三淅高速公路北起三門(mén)峽市靈寶市,經(jīng)盧氏縣、西峽縣,終于南陽(yáng)市淅川縣,全長(zhǎng)121.7km,設(shè)計(jì)采用山嶺重丘區(qū)四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn),整體式路基寬度24.5m,分離式路基寬度12.25m,設(shè)計(jì)行車(chē)速度80km/h。工程大部分處于黃土地區(qū),沿線(xiàn)分布有相當(dāng)數(shù)量的廢棄窯洞,且處于路基下方,一定程度上會(huì)影響路基穩(wěn)定性。為保證下伏窯洞路基安全穩(wěn)定,有必要進(jìn)行路基評(píng)價(jià)及處治技術(shù)研究。

國(guó)內(nèi)窯洞相關(guān)研究多集中在建筑科學(xué)方向,以保護(hù)窯洞建筑物、防止災(zāi)害為出發(fā)點(diǎn)對(duì)黃土窯洞的病害特征、成因、防治等問(wèn)題進(jìn)行研究。陳春利和王輝以窯洞災(zāi)害為出發(fā)點(diǎn),應(yīng)用數(shù)值模擬研究了窯洞引發(fā)滑坡的機(jī)理[1-2]。下伏空間對(duì)路基穩(wěn)定性影響的相關(guān)研究多集中在巖溶和土洞[3-4],研究方法以數(shù)值模擬和強(qiáng)度折減法為主。與巖溶土洞路基問(wèn)題不同,下伏窯洞路基穩(wěn)定性受窯洞和洞口陡崖邊坡雙重影響,窯洞作為拱形人工建筑受力更合理,因此無(wú)法直接采用巖溶土洞相關(guān)研究結(jié)論。

1 下伏窯洞路基三維有限元模型的建立

1.1 幾何模型

為簡(jiǎn)化模型,窯洞尺寸取調(diào)查得到的典型尺寸,取半幅路基,根據(jù)工程實(shí)際情況,按照?qǐng)D1所示尺寸,結(jié)合路基高度H1、窯洞埋深H2、路堤坡腳與陡崖水平距離H3等影響因素,建立多種工況幾何模型。模型底部固定約束,左、右、后三面施加水平約束,前面3.8m下施加水平約束。

圖1 幾何模型視圖(單位:m)

1.2 工況設(shè)置

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)情況,H1取4m、8m,H2取3m、5m、9m、15m,H3取0m、5m、10m、15m,相互組合形成32種典型常見(jiàn)工況。

1.3 巖土參數(shù)

在工程現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖深度8m處取原狀樣和擾動(dòng)樣進(jìn)行密度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、重型擊實(shí)試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明,項(xiàng)目區(qū)黃土豎向和水平向抗剪強(qiáng)度差別很小,因此按均質(zhì)體進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬采用庫(kù)倫—摩爾本構(gòu)模型,各部分材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型巖土參數(shù)

2 下伏窯洞路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 強(qiáng)度折減法計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)

強(qiáng)度折減法是數(shù)值模擬中計(jì)算邊坡、洞室穩(wěn)定安全系數(shù)的主要方法,該方法按照式(1),將土體的抗剪強(qiáng)度按折減系數(shù)F不斷進(jìn)行折減,直至巖土體失穩(wěn)破壞,此時(shí)的折減系數(shù)定義為安全系數(shù)[5]。使用FLAC3D進(jìn)行強(qiáng)度折減計(jì)算,綜合采用計(jì)算的不收斂和塑性區(qū)的貫通作為失穩(wěn)判據(jù)[6]。

(1)

2.2 下伏窯洞對(duì)路基穩(wěn)定性的影響機(jī)理

以路基高度H1=8m,窯洞埋深H2=5m,水平距離H3=0m的工況為例,研究下伏窯洞對(duì)路基穩(wěn)定性的影響機(jī)理。

首先計(jì)算實(shí)際巖土參數(shù)下路基填筑后的沉降,如圖2所示,窯洞的存在降低地基的強(qiáng)度,在窯洞正上方變形比兩側(cè)大,路堤產(chǎn)生不均勻沉降,窯洞上方沉降呈下凹狀曲線(xiàn)。

圖2 路基填筑后的沉降圖

不斷折減抗剪強(qiáng)度直至達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài),求得安全系數(shù)為1.46。圖3所示的路基失穩(wěn)變形云圖顯示,路基失穩(wěn)模式以向陡崖臨空面的滑動(dòng)破壞為主。圖4記錄了路基在強(qiáng)度折減時(shí)的變形過(guò)程,可以看出,下伏窯洞對(duì)路基穩(wěn)定性的影響是對(duì)窯洞和洞口陡崖邊坡的綜合影響。路基變形失穩(wěn)是從窯洞洞口側(cè)壁兩側(cè)附近處開(kāi)始,逐漸向周邊擴(kuò)展,最終導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn),從陡崖底部整體剪出,從而形成圖3所示失穩(wěn)狀態(tài)。由此說(shuō)明窯洞的存在成為地基強(qiáng)度的薄弱區(qū)域,降低了路基的安全系數(shù)。

圖3 路基失穩(wěn)變形云圖

圖4 強(qiáng)度折減1.46時(shí)路基變形過(guò)程

2.3 下伏窯洞安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

下伏窯洞路基穩(wěn)定性受洞穴和洞口陡崖邊坡雙重作用的影響,因此根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)洞穴和路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的要求綜合選取?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)對(duì)路堤穩(wěn)定性的要求為安全系數(shù)≥1.35,相關(guān)規(guī)范規(guī)定對(duì)巖溶土洞的要求為安全系數(shù)≥1.5,綜合選取安全系數(shù)1.45為下伏窯洞路基安全標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)為安全系數(shù)≥1.45時(shí),路基安全穩(wěn)定,可不進(jìn)行處治。

若工況的安全系數(shù)不滿(mǎn)足≥1.45,但路堤坡腳與陡崖的距離不小于窯洞地基的滑動(dòng)破壞范圍,則同樣認(rèn)為窯洞路基安全,不必處理。路基不受窯洞地基破壞影響時(shí),將路堤坡腳與陡崖的最小水平距離稱(chēng)為安全距離。以強(qiáng)度折減至失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)水平位移0.2m界限作為窯洞路基的滑動(dòng)破壞范圍。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

采用強(qiáng)度折減法依次計(jì)算各工況的安全系數(shù),并通過(guò)觀察折減后失穩(wěn)破壞范圍確定安全距離。

以路基高度H1為8m,埋深為H2為15m的一組工況為例,安全系數(shù)隨H3的變化如圖5所示,水平距離為15m時(shí)的路基失穩(wěn)狀態(tài)如圖6所示?？芍藭r(shí)安全系數(shù)雖未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),但路基已處于破壞范圍外,因此得到安全距離為12.6m。

圖5 安全系數(shù)隨H3的變化規(guī)律

圖6 H1=8m、H2=15m、H3=15時(shí)的失穩(wěn)狀態(tài)

按照上述方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),得到表3所示各工況安全性評(píng)價(jià)結(jié)果。

表3 各工況安全性評(píng)價(jià)結(jié)果

以路基高度為8m,窯洞埋深為15m的一組工況為例進(jìn)行分析,路基安全系數(shù)隨水平距離H3的變化如圖5所示,表明當(dāng)路基高度和埋深一定時(shí),路基安全系數(shù)隨路堤坡腳與陡崖水平距離的增大而增大,并逐漸趨向一個(gè)固定值。

以路基高度為8m,水平距離為0m的一組工況為例進(jìn)行分析,路基安全系數(shù)隨窯洞埋深H2的變化如圖7所示,表明當(dāng)路基高度和路堤坡腳與陡崖的水平距離一定時(shí),路基安全系數(shù)隨窯洞埋深的增大而減小。然而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況,當(dāng)埋深小于3m時(shí),埋深越小,隨機(jī)出現(xiàn)的垂直節(jié)理越多,固結(jié)程度和土體強(qiáng)度越低,雨水沖刷入滲越嚴(yán)重,鼠蟻等生物的孔洞巢穴越多,這些因素會(huì)大大降低埋深較淺窯洞的安全系數(shù)。因此認(rèn)為埋深小于3m的窯洞均不滿(mǎn)足安全標(biāo)準(zhǔn),需要進(jìn)行處理。埋深在3m及以上時(shí),路基安全系數(shù)隨窯洞埋深的增大而減小。

圖7 安全系數(shù)隨H2的變化規(guī)律

由表3可見(jiàn),在窯洞埋深H2和水平距離H3均相同的條件下,路基高度為4m的路基的安全系數(shù)大于路基高度為8m的工況,但相差較小,說(shuō)明路基高度對(duì)安全系數(shù)的影響較小。

對(duì)表3結(jié)果進(jìn)行插值,求得達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的窯洞臨界深度。如表4所示,路基高度對(duì)臨界深度影響很小,統(tǒng)一取值后可以歸納為:水平距離為0m時(shí),若3m≤窯洞埋深≤5.4m,則路基安全,可不進(jìn)行處治;當(dāng)水平距離為5m時(shí),若3m≤窯洞埋深≤8.4m,則路基安全,可不進(jìn)行處治。

表4 不同路基高度和水平距離時(shí)的窯洞臨界深度

對(duì)各組工況的安全距離進(jìn)行分析可知,安全距離受路基高度影響較小,主要受窯洞埋深控制。簡(jiǎn)化并統(tǒng)一取值后,可以歸納為:窯洞埋深3m時(shí),安全距離為7.2m;窯洞埋深5m時(shí),安全距離為8.1m;窯洞埋深9m時(shí),安全距離為9.9m;窯洞埋深15m時(shí),安全距離為12.6m。

根據(jù)上述分析,初步得到如下結(jié)論:

(1)下伏窯洞路基穩(wěn)定性受路基高度影響較小,主要受窯洞埋深和水平距離影響。

(2)水平距離為0m時(shí),若3m≤窯洞埋深≤5.4m,則路基安全,可不處治;水平距離為5m時(shí),若3m≤窯洞埋深≤8.4m,則路基安全,可不處治。

(3)窯洞埋深3m、5m、9m、15m時(shí),水平安全距離分別為7.2m、8.1m、9.9m、12.6m,則路基安全,可不處治。

3 處治技術(shù)

首先對(duì)三淅高速公路工程項(xiàng)目沿線(xiàn)下伏窯洞路基進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),篩選出穩(wěn)定安全系數(shù)及水平距離不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn),威脅路基安全且需要處治的工點(diǎn)。對(duì)需要處理的下伏窯洞路基,根據(jù)窯洞埋深、洞口地形條件、附近建筑材料等情況,分別以窯洞和洞口陡崖為對(duì)象,選用以下針對(duì)性處治措施。

3.1 窯洞處治措施

(1)全斷面開(kāi)挖回填法。對(duì)于埋深小于3m的窯洞,按1:1的坡度從窯洞兩側(cè)開(kāi)挖至窯洞底面,原土分層回填壓實(shí),至原地面標(biāo)高。開(kāi)挖回填區(qū)頂面鋪設(shè)剛塑土工格柵防止不均勻沉降,之后再正常填筑路基。

(2)鉆孔沖擊灌注法。對(duì)于洞口懸于陡崖中間且埋深較大的窯洞,以及埋深較大且洞徑小,人和機(jī)械無(wú)法進(jìn)入的窯洞,采用沖擊鉆成孔,沿窯洞軸線(xiàn)在窯洞上方的地面每隔2～3m沖擊出直徑0.5m以上的鉆孔,鉆孔穿透窯洞頂,通過(guò)鉆孔向窯洞內(nèi)分批灌入砂礫石,分批沖擊密實(shí)。窯洞正上方的地面鋪設(shè)剛塑土工格柵后,正常填筑路基,具體見(jiàn)圖8。

圖8 鉆孔沖擊灌注法

(3)砂袋人工碼砌。對(duì)于洞口地形條件良好且人員可以進(jìn)入的窯洞,采用機(jī)械將砂礫石運(yùn)輸至洞口,砂礫石裝入麻袋制成砂袋,人工將麻袋堆碼填滿(mǎn)窯洞,并用漿砌片石封閉洞口。之后在窯洞正上方地面鋪設(shè)剛塑土工格柵,正常填筑路基,見(jiàn)圖9。

圖9 砂袋人工碼砌法

3.2 洞口陡崖處理措施

(1)壓腳填埋。該方法可以防止窯洞路基產(chǎn)生滑動(dòng)破壞,但需要有足夠空間和征地。沿洞口陡崖填土,完全填埋陡崖,形成坡度1∶1的邊坡,通過(guò)填土平衡陡崖的土壓力,詳見(jiàn)圖10。

圖10 壓腳填埋示意圖

(2)擋墻支護(hù)。該方法用以防止窯洞路基產(chǎn)生滑動(dòng)破壞,適用于空間和征地受限時(shí)。沿洞口陡崖設(shè)置擋墻,擋墻材料視工程現(xiàn)場(chǎng)材料情況選用。石材豐富時(shí)可用漿砌片石重力式擋墻,碎石骨料、砂、土豐富時(shí)采用袋裝碎石或砂土碼砌,也可選用加筋土擋墻,見(jiàn)圖11。

圖11 擋墻支護(hù)示意圖

(3)崖頂防排水。該方法用于洞口陡崖防護(hù)。在陡崖頂部,路基坡腳與陡崖之間的地表設(shè)置防滲層和排水溝,截排地表水。

4 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)三淅高速公路下伏窯洞路基典型工況開(kāi)展數(shù)值模擬研究,進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和處治判別,發(fā)現(xiàn)下伏窯洞路基失穩(wěn)模式為:以向陡崖臨空面的滑動(dòng)破壞為主。窯洞洞口側(cè)壁是變形破壞的薄弱區(qū)域。提出認(rèn)為路基安全,可不處治的條件為:水平距離0m和5m時(shí),分別為3m≤窯洞埋深≤5.4m、3m≤窯洞埋深≤8.4m。窯洞埋深為3m、5m、9m、15m時(shí),路堤坡腳與陡崖的安全距離分別為7.2m、8.1m、9.9m和12.6m。文章提出全斷面開(kāi)挖回填、鉆孔沖擊灌注、砂袋人工碼砌、壓腳填埋、擋墻支護(hù)、崖頂防排水等處治方法,為三淅高速公路和類(lèi)似工程建設(shè)提供技術(shù)參考。

研究過(guò)程未考慮復(fù)雜隨機(jī)節(jié)裂隙影響,建議工程實(shí)踐中充分考慮并重視陡崖頂部的豎直節(jié)理對(duì)穩(wěn)定性的影響,采取必要的封閉防水措施。