巖溶地質(zhì)特征斜坡路基穩(wěn)定性分析及處理

黃喜榮

(江西省交通工程集團(tuán)投資有限公司)

1 工程概況

1.1 巖溶實(shí)況概述

鷹瑞高速D10 合同段總共有7 座橋梁，溶洞樁基高達(dá)130 根以上，最大溶洞溶腔可達(dá)到26 m，單孔內(nèi)溶洞累計(jì)深度最大可達(dá)30.1 m，溶洞層數(shù)最多達(dá)到12 層，溶洞溶腔累計(jì)高度在1 100 m 以上。該標(biāo)段的溶洞特點(diǎn)十分顯著，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在四個(gè)方面，第一溶洞分布較為廣泛，一半以上的樁位已經(jīng)被勘探出有溶洞存在;第二，根據(jù)該工程實(shí)際勘察所得第一手地質(zhì)資料顯示，本工程地段大溶洞數(shù)量相對(duì)較多，溶腔口徑在4 m 以上的已經(jīng)超出總口徑的60%;第三，溶洞洞壁十分陡峭，鉆探相關(guān)資料表明，該工程地段相鄰樁基的溶洞位置高度差比較大，因此得出溶洞洞壁陡峭的結(jié)論;第四，該地段基巖強(qiáng)度較大，大多數(shù)巖層的強(qiáng)度都在80 MPa 以上。

1.2 工程實(shí)際水文地質(zhì)狀況

(1)地表水 該工程所在場(chǎng)地內(nèi)部的地表水體未發(fā)育，在暴雨季節(jié)這些地表水會(huì)形成地表徑流，從而排泄到低洼地帶，在局部凹處路段可能會(huì)形成巖溶洼地積水。通過(guò)巖溶裂縫、落水洞、溶溝及溶洞等綜合形成的巖溶通道向工程地段的低洼地帶排泄。

(2)地下水探測(cè)區(qū)的地下水根據(jù)地下水運(yùn)移特征以及儲(chǔ)存條件可以大致將其分為三類(lèi)，分別是基巖裂縫水、孔隙水及巖溶水。所謂的基巖裂縫水是指儲(chǔ)存在基巖風(fēng)化節(jié)理的縫隙中，其數(shù)量較小，需要接受大氣降水的水量補(bǔ)給;孔隙水是指儲(chǔ)存在沖溝殘積土中，其和基巖裂縫水一樣，需要由大氣降水進(jìn)行補(bǔ)給，并以滲流的方式將水排泄到低洼處，從而形成間歇性潛水，此種水量較為貧乏;巖溶水主要儲(chǔ)存在泥水系灰?guī)r中，利用溶槽、溶溝及溶蝕裂縫的遷移，將他們聚集在溶溝溶洞中，并采取巖溶下降泉的方式將其排出，而后接受地表水、大氣降水、基巖裂縫水及孔隙水的補(bǔ)給。

1.3 地層巖性特征

為了對(duì)該工程地區(qū)的巖溶地質(zhì)特征有一個(gè)清晰了解，為制定施工方案提供資料依據(jù)，工程企業(yè)對(duì)工程所在地的地質(zhì)及鉆探狀況進(jìn)行調(diào)查，該工程地區(qū)的地層主要為泥盆系上統(tǒng)地層與第四系覆蓋層。首先第四系全新統(tǒng)中的填筑土呈黃褐色～紅褐色，其土質(zhì)成分是粉質(zhì)粘土，是公路建設(shè)中最近的填筑路基。其中的淤泥質(zhì)土呈灰黃色、灰黑色，屬于軟塑土質(zhì)，土質(zhì)中含有有機(jī)質(zhì)，土層厚度為3～5 m。其次，第四系更新統(tǒng)，該層主要為粉質(zhì)粘土，呈黃色～黃褐色，土質(zhì)呈硬塑狀，土質(zhì)相對(duì)比較均勻，局部土質(zhì)中含有碎石，多分布在融槽及溶溝內(nèi)。再者，泥盆系上統(tǒng)錫礦山組上段，該段的泥灰?guī)r呈褐黃～灰黃色，屬于泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，呈薄層狀構(gòu)造，裂縫較為發(fā)育，巖質(zhì)松軟，局部地段呈土狀。泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下端的灰?guī)r呈灰黑色，風(fēng)化處于中級(jí)階段，屬于隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，呈厚層狀構(gòu)造。

2 巖溶斜坡路基穩(wěn)定性分析

2.1 巖溶斜坡路基穩(wěn)定性計(jì)算及材料屬性

本文在巖溶斜坡路基穩(wěn)定性分析中主要采用的是有限元強(qiáng)度折減法，假設(shè)巖溶斜坡的受力與變形是由于平面應(yīng)變問(wèn)題造成的，在巖體初始應(yīng)力場(chǎng)不考慮該路基構(gòu)造應(yīng)力的因素，僅僅對(duì)自重應(yīng)力進(jìn)行考慮衡量，除了該地區(qū)巖土之外，將巖溶斜坡路基施工中所運(yùn)用的材料均作為彈性材料。另外，巖土介質(zhì)中的六節(jié)點(diǎn)使用平面單元PLANE42 來(lái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，與此同時(shí)還要將平面應(yīng)變的選項(xiàng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)平面應(yīng)變問(wèn)題的求解。材料是影響巖溶斜坡路基穩(wěn)定性的主要因素，因此在材料使用中應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)參數(shù)及規(guī)范要求進(jìn)行應(yīng)用，以免使巖溶斜坡路基失去穩(wěn)定性。在巖溶斜坡路基施工中相應(yīng)材料屬性如表1 所示。

表1 材料參數(shù)表

2.2 路基邊界的條件與載荷

在巖溶斜坡路基施工中，要以邊界條件為依據(jù)進(jìn)行施工操作，路基上部作為自由邊界，對(duì)左右兩側(cè)水平進(jìn)行約束，并將其底部固定。路基施工中的車(chē)輛荷載大致可分為四種基本類(lèi)型，分別是單周雙輪、單周單輪、三軸雙輪及雙周雙輪。其中載重卡車(chē)雙輪中心的輪距變化應(yīng)控制在25～34 cm 以?xún)?nèi)，輪距應(yīng)控制在165～186 cm 以?xún)?nèi)，載重卡車(chē)軸之間的距離應(yīng)控制在112～140 cm。我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)車(chē)輛荷載的方法有所提及，有限元計(jì)算中主要采用的是單軸雙輪荷載。載重卡車(chē)輪胎的接地面積應(yīng)運(yùn)用矩形，確保作用面的內(nèi)載荷分布的均勻性與穩(wěn)定性。巖溶斜坡路基中所用的載重卡車(chē)級(jí)別主要分為100 kN、150 kN、200 kN、250 kN、300 kN、350kN六種級(jí)別。在路基施工操作中為了對(duì)軸載級(jí)別、作用邊長(zhǎng)及輪胎接地壓力之間的關(guān)聯(lián)性有一個(gè)清晰認(rèn)識(shí)，表2針對(duì)軸載級(jí)別、作用邊長(zhǎng)及輪胎接地壓力進(jìn)行了如下分析。

表2 軸載級(jí)別、作用邊長(zhǎng)與輪胎接地壓力

2.3 超載穩(wěn)定性分析

該工程地區(qū)斜坡的應(yīng)力整體分布相對(duì)較為均勻，局部存在小面積塑性區(qū)，在施工中斜坡路基的安全系數(shù)是固定的，若超出規(guī)定范圍，那么則表示交通荷載出現(xiàn)超載現(xiàn)象，在這種狀況下斜坡路基的穩(wěn)定性也會(huì)大大降低。斜坡路基在標(biāo)準(zhǔn)軸載或者超載下都是安全的，但若超載量過(guò)大，則會(huì)影響斜坡路基的穩(wěn)定性，降低斜坡路基的穩(wěn)定性。

3 巖溶地質(zhì)斜坡路基不穩(wěn)定因素的處理措施

從該工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)看，路線地貌單元屬于巖溶喀斯特地貌，觀測(cè)區(qū)的基巖出露較好，地表巖溶發(fā)育較為穩(wěn)定，巖溶形態(tài)主要有溶溝、溶蝕裂隙、溶蝕洼地等巖性通道。由于該工程地區(qū)巖溶發(fā)育十分廣泛，且貫通性非常好，本文所選取的工程實(shí)例其路基在山谷位置，若路基后部?jī)蓚?cè)山體中的水資源沿著貫通水路向路基底部匯集，那么當(dāng)路基底部水量過(guò)量堆積的情況下可能會(huì)沖垮路基，需要采取一定的處理措施才能保證巖溶地質(zhì)斜坡路基施工的順利進(jìn)行。

在巖溶地質(zhì)斜坡路基處理之前，需要對(duì)巖溶水運(yùn)動(dòng)規(guī)律有一定了解，根據(jù)巖溶水資源的補(bǔ)給、承壓及排泄等特點(diǎn)，采取因地制宜的處理方法，在處理過(guò)程中應(yīng)以疏導(dǎo)為主，并采用截流或者疏導(dǎo)方案，將原先路基底部位置的淤泥清理出去，而后再回填適量的碎石，并對(duì)其進(jìn)行分層壓實(shí)操作，壓實(shí)度應(yīng)控制在規(guī)定范圍內(nèi)，回填到高出原地面的距離為2 cm左右，橫向滲溝的間距應(yīng)控制在3 m，溝底的縱坡應(yīng)在0.5%以上。滲溝應(yīng)采用管式滲溝，滲溝上部需要再回填1 m 的碎石層，然后多余的水應(yīng)通過(guò)管道排出到外側(cè)邊溝中。對(duì)于巖溶洼地的積水地段，應(yīng)在巖溶地質(zhì)斜坡路基的兩側(cè)合理修建排水溝，采取相應(yīng)的排水治理措施，處理之后需要對(duì)斜坡路基進(jìn)行截流疏通，以此來(lái)確保巖溶地質(zhì)斜坡路基的安全性與穩(wěn)定性。

4 總 結(jié)

在巖溶地質(zhì)斜坡路基施工中可以采用有限元數(shù)值方法對(duì)巖溶路基的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，在研究過(guò)程中合理運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)巖溶斜坡路基的穩(wěn)定性進(jìn)行有效分析。在公路路基建設(shè)過(guò)程中可以會(huì)因?yàn)槟撤N原因出現(xiàn)路基坍塌現(xiàn)象，這一現(xiàn)象會(huì)直接影響公路建設(shè)的正常施工，因此工程企業(yè)應(yīng)及時(shí)制定路基截流以及疏導(dǎo)處理方案，從而保證巖溶地質(zhì)斜坡路基長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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