下伏窑洞路基稳定性评价及处治技术研究.pdf

文章编号:():./.下伏窑洞路基稳定性评价及处治技术研究秦 龙张 晶周 科(.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳市.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉市)摘 要:为研究三淅高速公路建设中遇到的下伏窑洞路基稳定性问题文章通过现场取样和室内试验获得岩土材料参数并通过数值模拟采用强度折减法研究了下伏窑洞路基典型工况的破坏机理确定窑洞路基处治判别的安全系数标准和安全距离标准 研究认为路基正下方埋深小于 的窑洞均应处治 当水平距离为 和 时路基可不进行处治的临界窑洞埋深分别为.和.当窑洞埋深为、和 时路堤坡脚与陡崖的安全距离分别为.、.、.和.研究同时给出下伏窑洞路基处治措施以期为三淅高速公路和类似工程建设提供参考 关键词:路基下伏窑洞数值模拟稳定性评价中图分类号:.文献标识码:引言三淅高速公路北起三门峡市灵宝市经卢氏县、西峡县终于南阳市淅川县全长.设计采用山岭重丘区四车道高速公路标准整体式路基宽度.分离式路基宽度.设计行车速度/工程大部分处于黄土地区沿线分布有相当数量的废弃窑洞且处于路基下方一定程度上会影响路基稳定性 为保证下伏窑洞路基安全稳定有必要进行路基评价及处治技术研究国内窑洞相关研究多集中在建筑科学方向以保护窑洞建筑物、防止灾害为出发点对黄土窑洞的病害特征、成因、防治等问题进行研究 陈春利和王辉以窑洞灾害为出发点应用数值模拟研究了窑洞引发滑坡的机理 下伏空间对路基稳定性影响的相关研究多集中在岩溶和土洞 研究方法以数值模拟和强度折减法为主 与岩溶土洞路基问题不同下伏窑洞路基稳定性受窑洞和洞口陡崖边坡双重影响窑洞作为拱形人工建筑受力更合理因此无法直接采用岩溶土洞相关研究结论 下伏窑洞路基三维有限元模型的建立.几何模型为简化模型窑洞尺寸取调查得到的典型尺寸取半幅路基根据工程实际情况按照图 所示尺寸结合路基高度、窑洞埋深、路堤坡脚与陡崖水平距离 等影响因素建立多种工况几何模型模型底部固定约束左、右、后三面施加水平约束前面.下施加水平约束图 几何模型视图(单位:).工况设置根据工程现场常规情况取、取、取、相互组合形成 种典型常见工况.岩土参数在工程现场开挖深度 处取原状样和扰动样进行密度试验、直剪试验、重型击实试验、压缩试验等室内试验试验结果如表 所示试验结果表明项目区黄土竖向和水平向抗剪强度差别很小因此按均质体进行数值模拟模拟采用库伦摩尔本构模型各部分材料参数见表 北方交通 年 第 期表 试内试验参数原状样抗剪强度(含水量.)击实样抗剪强度(最佳含水量下)原状样压缩模量/重塑样压缩模量/密度/(/)水平方向 .竖直方向.原状(含水量.)重塑(含水量下)表 模型岩土参数地层密度/(/)泊松比弹性模量/()黄土地基.路基填土.下伏窑洞路基稳定性评价.强度折减法计算稳定安全系数强度折减法是数值模拟中计算边坡、洞室稳定安全系数的主要方法该方法按照式()将土体的抗剪强度按折减系数 不断进行折减直至岩土体失稳破坏此时的折减系数定义为安全系数 使用 进行强度折减计算综合采用计算的不收敛和塑性区的贯通作为失稳判据()().下伏窑洞对路基稳定性的影响机理以路基高度 窑洞埋深 水平距离 的工况为例研究下伏窑洞对路基稳定性的影响机理首先计算实际岩土参数下路基填筑后的沉降如图 所示窑洞的存在降低地基的强度在窑洞正上方变形比两侧大路堤产生不均匀沉降窑洞上方沉降呈下凹状曲线图 路基填筑后的沉降图不断折减抗剪强度直至达到失稳状态求得安全系数为.图 所示的路基失稳变形云图显示路基失稳模式以向陡崖临空面的滑动破坏为主图 记录了路基在强度折减时的变形过程可以看出下伏窑洞对路基稳定性的影响是对窑洞和洞口陡崖边坡的综合影响 路基变形失稳是从窑洞洞口侧壁两侧附近处开始逐渐向周边扩展最终导致边坡整体失稳从陡崖底部整体剪出从而形成图 所示失稳状态 由此说明窑洞的存在成为地基强度的薄弱区域降低了路基的安全系数图 路基失稳变形云图图 强度折减.时路基变形过程.下伏窑洞安全性评价标准下伏窑洞路基稳定性受洞穴和洞口陡崖边坡双重作用的影响因此根据相关规范对洞穴和路堤边坡稳定安全系数的要求综合选取 公路路基设计规范()对路堤稳定性的要求为安全系数.相关规范规定对岩溶土洞的要求为安全系数.综合选取安全系数.为下伏窑 年 第 期 秦 龙等:下伏窑洞路基稳定性评价及处治技术研究洞路基安全标准认为安全系数.时路基安全稳定可不进行处治若工况的安全系数不满足.但路堤坡脚与陡崖的距离不小于窑洞地基的滑动破坏范围则同样认为窑洞路基安全不必处理 路基不受窑洞地基破坏影响时将路堤坡脚与陡崖的最小水平距离称为安全距离 以强度折减至失稳状态时水平位移.界限作为窑洞路基的滑动破坏范围.计算结果与分析采用强度折减法依次计算各工况的安全系数并通过观察折减后失稳破坏范围确定安全距离以路基高度 为 埋深为 为 的一组工况为例安全系数随 的变化如图 所示水平距离为 时的路基失稳状态如图 所示 可知此时安全系数虽未达到标准但路基已处于破坏范围外因此得到安全距离为.按照上述方法和评价标准得到表 所示各工况安全性评价结果图 安全系数随 的变化规律图 、时的失稳状态表 各工况安全性评价结果工况安全系数安全距离/工况安全系数安全距离/工况安全系数安全距离/工况安全系数安全距离/.注:工况编号规则为路基高度 窑洞埋深 水平距离 以路基高度为 窑洞埋深为 的一组工况为例进行分析路基安全系数随水平距离 的变化如图 所示表明当路基高度和埋深一定时路基安全系数随路堤坡脚与陡崖水平距离的增大而增大并逐渐趋向一个固定值以路基高度为 水平距离为 的一组工况为例进行分析路基安全系数随窑洞埋深 的变化如图 所示表明当路基高度和路堤坡脚与陡崖的水平距离一定时路基安全系数随窑洞埋深的增大而减小 然而根据现场调查情况当埋深小于 时埋深越小随机出现的垂直节理越多固结程度和土体强度越低雨水冲刷入渗越严重鼠蚁等生物的孔洞巢穴越多这些因素会大大降低埋深较浅窑洞的安全系数 因此认为埋深小于 的窑洞均不满足安全标准需要进行处理 埋深在 及以上时路基安全系数随窑洞埋深的增大而减小图 安全系数随 的变化规律由表 可见在窑洞埋深 和水平距离 均北方交通 年 第 期相同的条件下路基高度为 的路基的安全系数大于路基高度为 的工况但相差较小说明路基高度对安全系数的影响较小对表 结果进行插值求得达到安全标准的窑洞临界深度 如表 所示路基高度对临界深度影响很小统一取值后可以归纳为:水平距离为 时若 窑洞埋深.则路基安全可不进行处治当水平距离为 时若 窑洞埋深 则路基安全可不进行处治表 不同路基高度和水平距离时的窑洞临界深度路基高度/水平距离/窑洞临界深度/.对各组工况的安全距离进行分析可知安全距离受路基高度影响较小主要受窑洞埋深控制 简化并统一取值后可以归纳为:窑洞埋深 时安全距离为.窑洞埋深 时安全距离为.窑洞埋深 时安全距离为.窑洞埋深 时安全距离为.根据上述分析初步得到如下结论:()下伏窑洞路基稳定性受路基高度影响较小主要受窑洞埋深和水平距离影响()水平距离为 时若 窑洞埋深 则路基安全可不处治水平距离为 时若窑洞埋深.则路基安全可不处治()窑洞埋深、时水平安全距离分别为.、.、.、.则路基安全可不处治 处治技术首先对三淅高速公路工程项目沿线下伏窑洞路基进行稳定性评价筛选出稳定安全系数及水平距离不满足标准威胁路基安全且需要处治的工点对需要处理的下伏窑洞路基根据窑洞埋深、洞口地形条件、附近建筑材料等情况分别以窑洞和洞口陡崖为对象选用以下针对性处治措施.窑洞处治措施()全断面开挖回填法 对于埋深小于 的窑洞按:的坡度从窑洞两侧开挖至窑洞底面原土分层回填压实至原地面标高 开挖回填区顶面铺设刚塑土工格栅防止不均匀沉降之后再正常填筑路基()钻孔冲击灌注法 对于洞口悬于陡崖中间且埋深较大的窑洞以及埋深较大且洞径小人和机械无法进入的窑洞采用冲击钻成孔沿窑洞轴线在窑洞上方的地面每隔 冲击出直径.以上的钻孔钻孔穿透窑洞顶通过钻孔向窑洞内分批灌入砂砾石分批冲击密实 窑洞正上方的地面铺设刚塑土工格栅后正常填筑路基具体见图 图 钻孔冲击灌注法()砂袋人工码砌 对于洞口地形条件良好且人员可以进入的窑洞采用机械将砂砾石运输至洞口砂砾石装入麻袋制成砂袋人工将麻袋堆码填满窑洞并用浆砌片石封闭洞口 之后在窑洞正上方地面铺设刚塑土工格栅正常填筑路基见图 图 砂袋人工码砌法.洞口陡崖处理措施()压脚填埋 该方法可以防止窑洞路基产生滑动破坏但需要有足够空间和征地 沿洞口陡崖填土完全填埋陡崖形成坡度 的边坡通过填土平衡陡崖的土压力详见图()挡墙支护 该方法用以防止窑洞路基产生滑动破坏适用于空间和征地受限时 沿洞口陡崖 年 第 期 秦 龙等:下伏窑洞路基稳定性评价及处治技术研究图 压脚填埋示意图设置挡墙挡墙材料视工程现场材料情况选用 石材丰富时可用浆砌片石重力式挡墙碎石骨料、砂、土丰富时采用袋装碎石或砂土码砌也可选用加筋土挡墙见图 图 挡墙支护示意图()崖顶防排水 该方法用于洞口陡崖防护在陡崖顶部路基坡脚与陡崖之间的地表设置防渗层和排水沟截排地表水 结论文章通过对三淅高速公路下伏窑洞路基典型工况开展数值模拟研究进行稳定性评价和处治判别发现下伏窑洞路基失稳模式为:以向陡崖临空面的滑动破坏为主 窑洞洞口侧壁是变形破坏的薄弱区域 提出认为路基安全可不处治的条件为:水平距离 和 时分别为 窑洞埋深.、窑洞埋深.窑洞埋深为、时路堤坡脚与陡崖的安全距离分别为.、.和.文章提出全断面开挖回填、钻孔冲击灌注、砂袋人工码砌、压脚填埋、挡墙支护、崖顶防排水等处治方法为三淅高速公路和类似工程建设提供技术参考研究过程未考虑复杂随机节裂隙影响建议工程实践中充分考虑并重视陡崖顶部的竖直节理对稳定性的影响采取必要的封闭防水措施参考文献 陈春利 殷跃平 李同录.窑洞开挖诱发浅层黄土滑坡的变形机理模拟.地质通报():.王辉 程建伟 龚健等.废弃窑洞诱发黄土滑坡机理与回填技术研究.洛阳理工学院学报(自然科学版)():.谢春庆 李登华 潘凯.西南地区土洞易发高发区特征及形成机理研究.路基工程():.刘之葵 刘宝臣 谢永雄.桂林岩溶地基中的不良地质现象及治理.路基工程():.郑颖人张玉芳 赵尚毅等.有限元强度折减法在元磨高速公路高边坡工程中的应用.岩石力学与工程学报():.陈育民徐鼎平./基础与工程实例.北京:中国水利水电出版社.(.).(下转第 页)北方交通 年 第 期对于 层沥青层.厚度 年后裂缝间距基本稳定在 左右对于 层沥青层.厚度年后裂缝间距基本稳定在 左右而对于 层沥青层 厚度 年后裂缝间距基本稳定在 左右()对于不同的沥青材料橡胶沥青较 改性沥青抵抗裂缝的能力更强并且前 年内其裂缝的平均间距与 层沥青层的效果相差不大 年以后不同沥青材料抵抗裂缝的能力无明显差别裂缝的平均间距主要与厚度呈正相关()对于不同温度地区裂缝间距变化较为明显 如 京哈高速公路昌图段虽然采用.厚沥青层但相较于丹东地区.厚沥青层裂缝间距相差不大 结论通过辽宁省内代表性高速公路路面横向裂缝调查主要得出以下结论:()沥青路面设计时应充分考虑气候和材料等因素的影响()鉴于横向裂缝的特点应把握养护时机及时采取灌缝等措施以保证沥青路面良好使用性能()条件允许时对于季节性冰冻地区的沥青路面可适当增加沥青层厚度同时采取相应手段控制半刚性结构层的反射裂缝参考文献 林春梅.大温差地区沥青路面横向裂缝规律调查与灌缝工艺研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.卢天翔李祖仲卢晓琪.国省道沥青路面裂缝分布评价指标与处治技术.中外公路():.叶占海.半刚性基层沥青路面反射裂缝成因分析.科技创新与应用():.(.).(上接第 页).年 第 期 赵金成等:辽宁省高速公路沥青路面横向裂缝调查与分析