砂土條件下道路塌陷機理研究及防控技術(shù)應用

梁波，張明，劉傳新

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112)

1 泰州市道路塌陷概況

泰州市地處長江中下游，位于長江三角洲沖積平原與蘇北濱海平原交接處，形成一套特殊的地層結(jié)構(gòu)。該區(qū)砂性土發(fā)育，砂土液化問題較為普遍，為塌陷的發(fā)生提供了基礎(chǔ)條件。

將泰州市已發(fā)生的60余起道路塌陷案例的成因進行統(tǒng)計分析(如圖1所示)，可以發(fā)現(xiàn)管道滲漏是誘發(fā)道路塌陷的主要原因，泰州市淺部砂性土發(fā)育，且該區(qū)地下水埋深較淺，土層松散，處于飽和狀態(tài)，水穩(wěn)性差，易產(chǎn)生較嚴重的砂土液化，物質(zhì)基礎(chǔ)條件較差。一旦管道滲漏形成流砂，土體迅速流失，易產(chǎn)生道路塌陷[1]。

圖1 泰州市2015年以來不同成因引發(fā)的道路塌陷數(shù)量

2 管道滲漏引發(fā)道路塌陷成因機理研究現(xiàn)狀

目前相關(guān)學者對管道滲漏誘發(fā)道路塌陷的研究主要為事故原因分析、模型試驗、數(shù)值模擬和相應控制措施：武天儀[2]基于室內(nèi)模型試驗研究了交通荷載作用下管線滲漏引起城市路面塌陷。王越林等[3]利用CFD-DEM聯(lián)合計算模擬分析了城市地區(qū)管道滲漏引發(fā)地面塌陷成災機理。李志康[4]利用水力致陷模型試驗，針對管線滲漏引起路面塌陷風險評價與預測進行了研究。道路塌陷亦會對周圍地埋管線產(chǎn)生次生影響，致其滲漏。巨玉文[5]等通過模型試驗和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，有效地模擬了土體在受擾動的動態(tài)效果，預測了地下管線的變形規(guī)律。許多學者通過模型試驗和數(shù)值模擬等方法研究了不同條件下管道滲漏對土體流失量大小的影響[6，7]。

總之，在道路塌陷成因機理方面，針對砂土地質(zhì)條件下管道滲漏引發(fā)塌陷的研究幾乎沒有。泰州市擁有全市域第四系砂土層覆蓋的特殊地質(zhì)條件，淺部砂層發(fā)育范圍內(nèi)埋設(shè)有大量化學管材類管道，其管材的拉伸強度及韌性較差，抗沖擊強度低，易出現(xiàn)破裂、變形、錯口、脫節(jié)等結(jié)構(gòu)缺陷，為管內(nèi)流體滲漏及管周土體流失提供通道，管道的缺陷處會漸漸形成水土流失區(qū)、掏空剝落區(qū)、變形沉降區(qū)。其中，水土流失區(qū)在管道缺陷處的淺層砂土在滲流效應的水動力作用下，通過缺陷處進入管道內(nèi)，逐步形成弧形塌落拱，隨著地下水活動的影響，周圍的砂土逐漸被滲透破壞作用進入管道內(nèi)部，進而形成水土流失區(qū)，如圖2(a)。由于砂性土松散，初期流失的主要為砂顆粒；黏性土由于黏聚力的作用，顆粒結(jié)合緊密不易產(chǎn)生破壞而流失，因此砂性土中黏粒含量提升會延長水土流失時間。隨著水土流失區(qū)塌落拱的擴大，拱頂上方土體失去支撐作用，在重力和水壓滲透破壞的雙重作用下，部分砂顆粒流失，使土體的孔隙增大，密度減小，形成如圖2(b)所示的松散土區(qū)域。松散土區(qū)域地下水的流失大于補給量，地下水位也隨之下降，空洞頂板處的水浮力也隨之減小，土體支撐力也逐漸減小，土體因失重而逐漸垮落流失，松散土區(qū)域下方變成掏空垮落帶。這時松散土區(qū)域繼續(xù)向周圍擴大，逐漸延伸到剛性路面的下方，形成如2(b)所示的掏空剝落區(qū)，由于松散土區(qū)域的土體孔隙增大，密度減小，支撐力也就相應減小，這樣松散發(fā)育帶上方的土體因失重逐漸下沉，左右兩側(cè)土體向中間位移，形成變形沉降帶。隨著水土流失區(qū)、松散土區(qū)域的擴大，變形沉降區(qū)范圍及沉降量隨之增大，掏空垮落帶范圍延伸到剛性路面板下方，形成空洞如圖2(b)所示，在荷載、降雨等誘發(fā)因素的影響下導致道路塌陷[8]。

圖2 砂土條件下管道滲漏致塌模式

3 空洞塌陷數(shù)值模擬

前文分析了泰州地區(qū)道路塌陷大多由于管道滲漏形成地下空洞。為了進一步研究路基下土體的性質(zhì)、空洞覆土厚度、荷載作用形式、空洞凈深以及空洞跨徑對路面塌陷的影響。通過FLAC3D 有限差分程序?qū)σ陨嫌绊懧访嫦驴斩此莸囊蛩剡M行數(shù)值模擬。

3.1 FLAC3D軟件介紹

FLAC3D(3-D Fast Lagrangian Analysis Code)是一款由美國 ITASCA 咨詢集團公司開發(fā)的基于三維顯式有限差分法的有限差分程序。所謂的差分法即是將巖土工程結(jié)構(gòu)數(shù)值計算中所需要滿足的基本方程和邊界條件近似的用差分方程來表示，將原來需要求解的微分方程問題轉(zhuǎn)變?yōu)榇鷶?shù)方程問題的方法。

3.2 模型建立

FLAC3D數(shù)值模擬軟件的模擬計算步驟如圖3所示，數(shù)值模擬的關(guān)鍵步驟在于合理地對數(shù)值模型進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置準確的初始平衡條件、模型參數(shù)特性，建立對應的約束條件，模型的建立是通過輸入命令流來建立的，其自身內(nèi)置13種基本模型單元，可以通過拼湊的方式建立較為復雜的三維空間模型。

圖3 FLAC3D分析計算流程圖

本文采用的建立模型方法是利用ANSYS劃分網(wǎng)格導入FLAC3D中計算，選用摩爾庫倫彈性模型，各層位的參數(shù)根據(jù)泰州市當?shù)氐缆方?jīng)驗值取得，如表1所示。如圖4所示，其中藍色塊體組成路面結(jié)構(gòu)層，紅色塊體組成道路路基，綠色部分是模擬由地下管道破損所形成的橢球狀地下空洞。綠色部分在計算了初始應力之后將設(shè)置為空模型計算，主要是模擬為形成空洞之前的初始平衡狀態(tài)。模型的寬度為 20 m，高度為 20 m，一共有 38 200個網(wǎng)格和 14 800個節(jié)點，為了研究空洞周邊變化對空洞周圍網(wǎng)格進行加密處理。為了上部荷載作用于模型上產(chǎn)生正確反饋以及模型邊界不受振動波影響，現(xiàn)將模型的底面的水平位移和豎直位移固定，設(shè)置為固定邊界，將模型的四個側(cè)面水平位移設(shè)置為零，釋放豎向方向；模型的頂面設(shè)置自由邊界，施加車輛循環(huán)荷載應力大小中得到車輛循環(huán)荷載與時間的關(guān)系式。

圖4 數(shù)值模擬模型圖

表1 道路結(jié)構(gòu)層及土層特性參數(shù)表

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

從前文的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，地下管道滲漏引起的城市道路塌陷主要在 5 m之內(nèi)，出于安全性考慮以及作為對照組，現(xiàn)將地下管道滲漏侵蝕出的空洞最大值設(shè)為 6 m，研究空洞覆土厚度、荷載作用形式、空洞凈深以及空洞跨徑對地下空洞穩(wěn)定性的影響，設(shè)計數(shù)值模型對照實驗方案，控制其他影響因素為定值。在模擬計算中，出現(xiàn)計算不收斂情況，其實代表著模型發(fā)生塑性變形，土層開始發(fā)生破壞，即表明路基下空洞失穩(wěn)，發(fā)生塌陷。

(1)荷載類型和覆土厚度的影響

為了確定空洞覆土厚度和荷載類型對路基穩(wěn)定性的影響規(guī)律，設(shè)置橢圓狀空洞的空洞跨徑為 2 m、空洞凈深 1 m，取不同覆土厚度如圖5所示，分別對每個模型頂部施加靜力荷載或車輛循環(huán)荷載，分析靜力、循環(huán)荷載對道路路面沉降的影響規(guī)律。隨著覆土厚度加深，地下空洞周邊的塑性變形區(qū)域逐漸縮小，空洞上部主要為拉伸屈服破壞，空洞底部與平衡拱拱腳部分為剪切屈服破壞。從圖6可以看出無論是循環(huán)荷載還是靜力荷載在空洞埋深較淺時，路面沉降位移較大，隨深度的增加，曲線趨于平緩，路面沉降位移逐漸減小。

圖5 不同覆土厚度地下空洞塑性形變圖

圖6 路面沉降位移與空洞覆土厚度關(guān)系曲線圖

路面沉降位移的變化規(guī)律在模型受到靜力荷載與循環(huán)荷載作用時保持相對相似性，可以看到隨埋深變化規(guī)律呈現(xiàn)出隨深度越深沉降越小，最后趨向一個定值。分析結(jié)果，認為在空洞埋深較小時，地下空洞上覆土層較薄，循環(huán)荷載作用于路面的效果對地下空洞影響較大，空洞難維持原有平衡狀態(tài)，路面沉降較為顯著，隨著地下空洞埋深的增加，車輛循環(huán)荷載作用于路面的效果較難傳遞到地下空洞處，對地下空洞的影響較小，路面沉降量也減少了。

(2)空洞凈深的影響

為了驗證地下空洞凈深對路基穩(wěn)定性的影響，在靜力荷載作用下，選用地下空洞的覆土深度為 2 m，空洞跨徑為 2 m，設(shè)定空洞凈深為 1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m，計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 路面沉降位移與空洞凈深關(guān)系曲線圖

從圖7中可以看出，隨著地下空洞凈深增加，路面沉降位移先增加較快，再趨于平緩，凈深大于 2.5 m時計算結(jié)果超出收斂上限，計算停止，這時的地下空洞失去穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生塌陷。

(3)空洞跨徑的影響

為了驗證地下空洞跨徑對路基穩(wěn)定性的影響，在靜力荷載作用下，設(shè)置地下空洞凈深為 1 m，覆土深度為 2 m，采用空洞不同跨徑分別為 1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m，計算結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 不同跨徑地下空洞塑性形變圖

圖9 路面沉降位移與空洞跨徑關(guān)系曲線圖

從圖中可以看出，當?shù)叵驴斩纯鐝竭_到 2 m時，曲線斜率發(fā)生變化，出現(xiàn)拐點，增大趨勢明顯增加，地下空洞失去穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生塌陷。

運用FLAC3D軟件研究砂土地質(zhì)條件下因管道滲漏形成的城市道路下空洞的穩(wěn)定性問題，分析地下空洞不同覆土厚度、荷載作用形式、空洞凈深以及空洞跨徑對塌陷形成的影響，其中埋深較淺的地下空洞受到循環(huán)荷載的影響大，這種情況下空洞發(fā)生塌陷的概率越大；對于覆土深度 2 m的地下空洞，當凈深和跨徑大于 2 m時，極易失去穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生塌陷。

4 工程驗證實例

進入雨季以來，泰州市主城區(qū)多條城市道路先后發(fā)生了多起塌陷事故，造成了較大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響，相關(guān)部門雖然采取了多種措施，但由于城市道路塌陷所具有的特殊性，難以快速、準確地查明潛在塌陷風險的危險路段。

為此，泰州市開展了主城區(qū)道路塌陷隱患探測，針對主城區(qū)十余條主干路的路基現(xiàn)狀，采用車載地質(zhì)雷達全覆蓋普查，配合差分GPS進行精確定位，全面評估所測道路塌陷風險，共查明空洞隱患20余處，取得了顯著的成效。

圖10為泰康路YS71至YS73路段的地質(zhì)雷達探測剖面，探測有效深度 5 m，圖中可以看出基層土體中有兩處明顯的空洞異常。分析其圖譜特征，兩處異常均振幅強，多次波發(fā)育，兩側(cè)存在明顯繞射波，頂部反射波均與入射波同向，為充氣型空洞，其中KD1號異常反射波組表現(xiàn)為倒懸雙曲線，可以判斷為近似圓形空洞，KD2號異常反射波組表現(xiàn)為正向連續(xù)平板狀雙曲線，可以判斷為近似矩形空洞，結(jié)合現(xiàn)場的CCTV檢測(圖11)資料，該段管道破損，局部已坍塌，與地質(zhì)雷達探測結(jié)果一致，其中KD2號空洞覆土厚度 84 cm，底部埋深 197 cm，凈深 113 cm，最大跨徑約 2 m，塌陷風險極高，相關(guān)管養(yǎng)單位及時進行了灌漿排險作業(yè)，避免了塌陷事故的發(fā)生。

圖10 泰康路YS71至YS73路段地質(zhì)雷達探測剖面

圖11 KD2號異常周邊管道CCTV檢測

圖12為海陵路YS20至YS21路段的地質(zhì)雷達探測剖面，探測有效深度 5 m，圖中可以看出基層土體中有一處明顯的空洞異常。分析其圖譜特征，異常振幅強，多次波極度發(fā)育，兩側(cè)存在明顯繞射波，頂部反射波均與入射波同向，為充氣型空洞，反射波組表現(xiàn)為正向連續(xù)平板狀雙曲線，可以判斷為近似矩形空洞。

圖12 海陵路YS20至YS21路段地質(zhì)雷達探測剖面

如圖13所示，探明空洞異常后，相關(guān)管養(yǎng)單位進行了圍擋警示，但未及時進行工程處置，該處空洞在暴雨過后發(fā)生塌陷，塌陷空洞覆土厚度 29 cm，底部埋深 115 cm，凈深 86 cm，最大跨徑約 3.2 m，與地質(zhì)雷達探測結(jié)果一致。

圖13 海陵路YS20至YS21路段KD3號空洞塌陷

上述兩處工程實例均有利驗證了上文數(shù)值模擬結(jié)果，為泰州地區(qū)道路塌陷防控實際工程應用提供了較強的技術(shù)指導。

5 結(jié) 語

泰州地區(qū)道路塌陷大多由于雨水管道滲漏，管道周邊砂土逐漸被滲透破壞作用進入管道內(nèi)部，形成地下空洞，隨著空洞的規(guī)模擴大，在路面荷載等誘因下，道路結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成塌陷。數(shù)值模擬結(jié)果及實際工程案例表明，路面以下 3 m以內(nèi)，凈深和跨徑 2 m以內(nèi)，循環(huán)荷載頻繁的道路空洞極易發(fā)生塌陷。應加強雨水管道周邊的道路空洞檢測，及時預警，可以切實防范和減少道路塌陷事故的發(fā)生。