下伏窯洞路基穩定性評價及處治技術研究

秦 龍 ,張 晶,周 科

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽市 550081;2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢市 430056)

0 引言

三淅高速公路北起三門峽市靈寶市,經盧氏縣、西峽縣,終于南陽市淅川縣,全長121.7km,設計采用山嶺重丘區四車道高速公路標準,整體式路基寬度24.5m,分離式路基寬度12.25m,設計行車速度80km/h。工程大部分處于黃土地區,沿線分布有相當數量的廢棄窯洞,且處于路基下方,一定程度上會影響路基穩定性。為保證下伏窯洞路基安全穩定,有必要進行路基評價及處治技術研究。

國內窯洞相關研究多集中在建筑科學方向,以保護窯洞建筑物、防止災害為出發點對黃土窯洞的病害特征、成因、防治等問題進行研究。陳春利和王輝以窯洞災害為出發點,應用數值模擬研究了窯洞引發滑坡的機理[1-2]。下伏空間對路基穩定性影響的相關研究多集中在巖溶和土洞[3-4],研究方法以數值模擬和強度折減法為主。與巖溶土洞路基問題不同,下伏窯洞路基穩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,因此無法直接采用巖溶土洞相關研究結論。

1 下伏窯洞路基三維有限元模型的建立

1.1 幾何模型

為簡化模型,窯洞尺寸取調查得到的典型尺寸,取半幅路基,根據工程實際情況,按照圖1所示尺寸,結合路基高度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 工況設置

根據工程現場常規情況,H1取4m、8m,H2取3m、5m、9m、15m,H3取0m、5m、10m、15m,相互組合形成32種典型常見工況。

1.3 巖土參數

在工程現場開挖深度8m處取原狀樣和擾動樣進行密度試驗、直剪試驗、重型擊實試驗、壓縮試驗等室內試驗,試驗結果如表1所示。

表1 試內試驗參數

試驗結果表明,項目區黃土豎向和水平向抗剪強度差別很小,因此按均質體進行數值模擬,模擬采用庫倫—摩爾本構模型,各部分材料參數見表2。

表2 模型巖土參數

2 下伏窯洞路基穩定性評價

2.1 強度折減法計算穩定安全系數

強度折減法是數值模擬中計算邊坡、洞室穩定安全系數的主要方法,該方法按照式(1),將土體的抗剪強度按折減系數F不斷進行折減,直至巖土體失穩破壞,此時的折減系數定義為安全系數[5]。使用FLAC3D進行強度折減計算,綜合采用計算的不收斂和塑性區的貫通作為失穩判據[6]。

(1)

2.2 下伏窯洞對路基穩定性的影響機理

以路基高度H1=8m,窯洞埋深H2=5m,水平距離H3=0m的工況為例,研究下伏窯洞對路基穩定性的影響機理。

首先計算實際巖土參數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度,在窯洞正上方變形比兩側大,路堤產生不均勻沉降,窯洞上方沉降呈下凹狀曲線。

圖2 路基填筑后的沉降圖

不斷折減抗剪強度直至達到失穩狀態,求得安全系數為1.46。圖3所示的路基失穩變形云圖顯示,路基失穩模式以向陡崖臨空面的滑動破壞為主。圖4記錄了路基在強度折減時的變形過程,可以看出,下伏窯洞對路基穩定性的影響是對窯洞和洞口陡崖邊坡的綜合影響。路基變形失穩是從窯洞洞口側壁兩側附近處開始,逐漸向周邊擴展,最終導致邊坡整體失穩,從陡崖底部整體剪出,從而形成圖3所示失穩狀態。由此說明窯洞的存在成為地基強度的薄弱區域,降低了路基的安全系數。

圖3 路基失穩變形云圖

圖4 強度折減1.46時路基變形過程

2.3 下伏窯洞安全性評價標準

下伏窯洞路基穩定性受洞穴和洞口陡崖邊坡雙重作用的影響,因此根據相關規范對洞穴和路堤邊坡穩定安全系數的要求綜合選取。《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)對路堤穩定性的要求為安全系數≥1.35,相關規范規定對巖溶土洞的要求為安全系數≥1.5,綜合選取安全系數1.45為下伏窯洞路基安全標準,認為安全系數≥1.45時,路基安全穩定,可不進行處治。

若工況的安全系數不滿足≥1.45,但路堤坡腳與陡崖的距離不小于窯洞地基的滑動破壞范圍,則同樣認為窯洞路基安全,不必處理。路基不受窯洞地基破壞影響時,將路堤坡腳與陡崖的最小水平距離稱為安全距離。以強度折減至失穩狀態時水平位移0.2m界限作為窯洞路基的滑動破壞范圍。

2.4 計算結果與分析

采用強度折減法依次計算各工況的安全系數,并通過觀察折減后失穩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,安全系數隨H3的變化如圖5所示,水平距離為15m時的路基失穩狀態如圖6所示。可知此時安全系數雖未達到標準,但路基已處于破壞范圍外,因此得到安全距離為12.6m。

圖5 安全系數隨H3的變化規律

圖6 H1=8m、H2=15m、H3=15時的失穩狀態

按照上述方法和評價標準,得到表3所示各工況安全性評價結果。

表3 各工況安全性評價結果

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

以路基高度為8m,水平距離為0m的一組工況為例進行分析,路基安全系數隨窯洞埋深H2的變化如圖7所示,表明當路基高度和路堤坡腳與陡崖的水平距離一定時,路基安全系數隨窯洞埋深的增大而減小。然而根據現場調查情況,當埋深小于3m時,埋深越小,隨機出現的垂直節理越多,固結程度和土體強度越低,雨水沖刷入滲越嚴重,鼠蟻等生物的孔洞巢穴越多,這些因素會大大降低埋深較淺窯洞的安全系數。因此認為埋深小于3m的窯洞均不滿足安全標準,需要進行處理。埋深在3m及以上時,路基安全系數隨窯洞埋深的增大而減小。

圖7 安全系數隨H2的變化規律

由表3可見,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的路基的安全系數大于路基高度為8m的工況,但相差較小,說明路基高度對安全系數的影響較小。

對表3結果進行插值,求得達到安全標準的窯洞臨界深度。如表4所示,路基高度對臨界深度影響很小,統一取值后可以歸納為:水平距離為0m時,若3m≤窯洞埋深≤5.4m,則路基安全,可不進行處治;當水平距離為5m時,若3m≤窯洞埋深≤8.4m,則路基安全,可不進行處治。

表4 不同路基高度和水平距離時的窯洞臨界深度

對各組工況的安全距離進行分析可知,安全距離受路基高度影響較小,主要受窯洞埋深控制。簡化并統一取值后,可以歸納為:窯洞埋深3m時,安全距離為7.2m;窯洞埋深5m時,安全距離為8.1m;窯洞埋深9m時,安全距離為9.9m;窯洞埋深15m時,安全距離為12.6m。

根據上述分析,初步得到如下結論:

(1)下伏窯洞路基穩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,若3m≤窯洞埋深≤5.4m,則路基安全,可不處治;水平距離為5m時,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,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

首先對三淅高速公路工程項目沿線下伏窯洞路基進行穩定性評價,篩選出穩定安全系數及水平距離不滿足標準,威脅路基安全且需要處治的工點。對需要處理的下伏窯洞路基,根據窯洞埋深、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象,選用以下針對性處治措施。

3.1 窯洞處治措施

(1)全斷面開挖回填法。對于埋深小于3m的窯洞,按1:1的坡度從窯洞兩側開挖至窯洞底面,原土分層回填壓實,至原地面標高。開挖回填區頂面鋪設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,人和機械無法進入的窯洞,采用沖擊鉆成孔,沿窯洞軸線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,通過鉆孔向窯洞內分批灌入砂礫石,分批沖擊密實。窯洞正上方的地面鋪設剛塑土工格柵后,正常填筑路基,具體見圖8。

圖8 鉆孔沖擊灌注法

(3)砂袋人工碼砌。對于洞口地形條件良好且人員可以進入的窯洞,采用機械將砂礫石運輸至洞口,砂礫石裝入麻袋制成砂袋,人工將麻袋堆碼填滿窯洞,并用漿砌片石封閉洞口。之后在窯洞正上方地面鋪設剛塑土工格柵,正常填筑路基,見圖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生滑動破壞,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,通過填土平衡陡崖的土壓力,詳見圖10。

圖10 壓腳填埋示意圖

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

圖11 擋墻支護示意圖

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

4 結論

文章通過對三淅高速公路下伏窯洞路基典型工況開展數值模擬研究,進行穩定性評價和處治判別,發現下伏窯洞路基失穩模式為:以向陡崖臨空面的滑動破壞為主。窯洞洞口側壁是變形破壞的薄弱區域。提出認為路基安全,可不處治的條件為:水平距離0m和5m時,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,路堤坡腳與陡崖的安全距離分別為7.2m、8.1m、9.9m和12.6m。文章提出全斷面開挖回填、鉆孔沖擊灌注、砂袋人工碼砌、壓腳填埋、擋墻支護、崖頂防排水等處治方法,為三淅高速公路和類似工程建設提供技術參考。

研究過程未考慮復雜隨機節裂隙影響,建議工程實踐中充分考慮并重視陡崖頂部的豎直節理對穩定性的影響,采取必要的封閉防水措施。