察尔汗盐岩路基溶蚀数值模拟及病害分析

张　媛,董建华

(1.兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州　730050;

2.兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃 兰州　730050)



察尔汗盐岩路基溶蚀数值模拟及病害分析

张媛1,2,董建华1,2

(1.兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州730050;

2.兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃 兰州730050)

摘要为了研究察尔汗盐岩路基在渗流溶蚀作用下的特性,通过采用大型有限元软件ADINA中的结构模块与流体模块分别进行建模,最后将两者耦合进行流固耦合计算分析。并运用CT实验验证了数值模拟结论的正确性。结果表明:由于湖水渗入引起的路肩沉降、横向位移和路基内部有效应力均大于自重所引起的;路基两侧卤水水位差也是影响路基变形的主要因素;盐岩路基溶蚀病害主要因素包括岩溶、盐业生产和毛细水。

关键词盐岩路基;渗流溶蚀;ADINA;CT;病害

青藏铁路穿越察尔汗盐湖地区,该地区的铁路路基为盐岩地层[1]。而盐岩自身富含各种易溶于水的矿物成分,并受外界自然因素和人为开采钾肥影响。低浓度卤水侵蚀路基盐岩,造成盐岩结构发生破坏,形成溶洞、塌陷等病害,导致路基不均匀沉降,严重威胁路基的正常使用。因此,盐岩路基溶蚀病害、溶蚀机理是一个刻不容缓的问题。

Hunsche和Skrotzki在1984年通过试验进行了盐岩静、动力学特征的研究[2,3];Cuervas在1997年通过统计分析了盐岩的微观孔隙分布特征;林安宁等[4]、王朱贵等[5]针对青藏线盐湖铁路路基盐溶分布、成因及病害进行了综述性描述,在此基础上阐述了盐湖路基防治措施,并总结了盐湖病害整治应该重视的问题;张宗淳等[6]经长期监测察尔汗盐湖岩溶演变和路基基底稳定性,指出以极其缓慢的方式发生岩溶,铁路主干线的稳定性有保证,但盐湖卤水矿床的大规模开采以及人为因素会影响溶洞发育;谢晨[7]通过对岩溶发育地区进行地质勘察,为岩溶地区的加固处理提供了方法。李冬雪等[8]阐述了盐溶形成的机理和危害,并对盐溶防治技术进行了系统性分析与总结;刘军勇等[9]对察尔汗岩盐地区进行地质勘察和室内试验,对路基路面的沉降量进行了监测,并对路面进行了弯沉检测。

1工程背景

K750+400～K752+000段路基为低路堤,盐岩厚度为0.5~1.0 m,路基宽度为5 m,路面上部铺设0.15 m厚度的砾石土。路基是由盐岩碾碎喷洒适量卤水,碾压施工而成。盐层以下为砂粘土、粘砂土、粘土及粉、细砂等湖相碎屑沉积层。地下水为承压水且埋深较深。路基左侧埋有土工膜,埋入地下1 m深。路基两侧分布有协作湖、团结湖、达布逊湖等。该地区气候异常,属高寒干旱性气候,多年平均降水量在17.6～274.0 mm之间,5～8月降水量占全年70%以上,这造成路基两侧湖水面积迅速扩大,低矿化度湖水向盐湖路基渗流和漫溢。路基地层的材料参数见表1。

2有限元模型建立

为了分析卤水对路基盐岩的溶蚀和渗流作用,这两者是耦合作用,所以通过在ADINA-Structure与ADINA-CFD模块分别建立路基结构模型和卤水渗流模型,再利用流体—结构耦合分析求解器ADINA-FSI对其进行耦合计算的方法来做数值模拟。

表1　路基主要地层的力学指标

2.1模型参数

盐岩地段路基均为0.5~1.0 m的低路堤,是将盐岩碾碎喷洒适量卤水,碾压作为盐岩路基。考虑盐岩的特殊性质,为了防止降水溶蚀,故在路面铺设0.15 m砾石土。为了简化模型,将砾石层与第二层盐岩填料作为同一土层,基底土层为含盐类粉质粘土,且视路基与基底土层呈均匀分布。

2.2建立模型

由于路基沿纵向尺寸比较大,属于平面应变问题。为了简化模型,将砾石层与第二层盐岩填料作为同一土层,基底土层为含盐类粉质粘土,并且沿路基纵向呈均匀分布。取纵向4 m长度为计算分析单元,建立三维有限元模型,其中第二层盐岩填料为6 m×9 m×1 m的梯形,第一层盐岩填料尺寸为11 m×0.5 m的矩形,含盐类粉质粘土层的尺寸为22 m×2.5 m的矩形。采用8节点映射网格,土体采用实体单元,材料考虑为多孔介质材料。模型Structure模块和CFD模块中边界处理为底部固定,其余边界法向约束,并在流体与路基两侧接触位置增加流固耦合边界条件。分别在Structure模块和CFD模块中进行计算,将各自的计算结果导入FSI求解器中求解,得到流固耦合计算结果。路基结构模块有限元模型如图1所示。

图1　路基结构模块有限元模型Fig.1　Finite element model of roadbed construction module

3数值模拟结果及分析

3.1自重应力云图分析

设定无卤水作用,路基仅在自重荷载作用下发生应力变化,对比分析卤水溶蚀对路基盐岩的影响。自重应力云图如图2所示。

图2　自重应力云图Fig.2　Dead weight stress nephogram

从图2可以看出,路基在自重作用下,随着填筑材料深度的增加,自重应力以路基中线为对称轴呈均匀分布,且应力依次增大,最大值在路基基底最下方,为30.38 kN/m2。在同一深度处,应力值相同。

3.2沉降云图分析

卤水对路基盐岩渗流溶蚀,引起路基强度降低和变形等,影响路基正常使用,沉降云图如图3所示。

图3　路基沉降云图Fig.3　The nephogram ofroadbed settlement

从图3可以看出,卤水渗流溶蚀盐岩路基,引起路基的不均匀沉降,靠近卤水的路基两侧沉降较大,且左侧路基沉降明显大于右侧,说明湖水的水位高低对路基沉降影响较明显。究其原因,左侧卤水水头高度大于右侧,对路基盐岩产生较大的渗透压力,渗流溶蚀作用强,使得盐岩内部产生较大的溶蚀孔隙,结构遭到破坏,强度降低,导致左侧的沉降最大,达到12 mm;从路基左侧到右侧,卤水的渗流路径逐渐增长,卤水压差减小,且随着盐岩的溶蚀使卤水浓度增大,高浓度卤水对路基的溶蚀作用降低,对盐岩内部结构破坏程度降低,路基沉降量减小。

3.3横向位移图分析

卤水对路基盐岩渗流溶蚀不仅引起竖向位移,还会引起路基水平方向的位移,路基Y向位移云图如图4所示。

图4　路基Y向位移云图Fig.4　The nephogram of roadbed Y direction displacement

从图4可以看出,路基盐岩将产生与路基纵轴线相垂直方向的位移,横向位移由路基两侧向路基中央逐渐减小,呈不均匀分布,并且路基左侧横向位移大于右侧,最大为7.5 mm。原因在于路基盐岩先变软,再溶解,长期溶蚀使路基宽度逐渐减小。左右两侧卤水水位存在高差,使得左侧溶蚀作用强烈,左侧横向位移大于右侧。从路基左侧到右侧,卤水的渗流路径逐渐增长,卤水压差减小,对盐岩内部结构破坏程度降低,纵向位移减小。说明水位的高低不同对路基的影响也不同,水位越高,对路基的侧向位移的影响越大。

3.4路基位移与有效应力分析

为了量化分析路基两侧卤水对路基盐岩有效应力和位移的变化规律,现提取有限元模型中路基两侧边缘位置单元节点相应的应力与位移进行对比分析。路基顶部中心点的位置坐标为(0,0,0)。

为了分析渗流溶蚀对路肩各层面沉降的影响,对比仅自重作用和考虑自重溶蚀耦合作用时路肩沉降的变化规律,通过数据绘制路肩沉降曲线,如图5所示。

图5　路肩沉降Fig.5　 Road shoulder sedigraph

由图5可知,盐岩在溶蚀作用下路肩的沉降均大于自重作用时的沉降,说明低浓度卤水入渗盐岩后,能够带走部分盐分,导致路基强度下降,沉降变形增大。随着侵蚀卤水深度的增加,沉降量逐渐减小,主要是因为底部盐岩较上部结构致密。对比图5(a)和图5(b),可知左侧路肩沉降大于右侧,主要是因为左侧卤水的水位高于右侧。卤水对盐岩路基的溶蚀渗流作用不可忽略。

为了分析渗流溶蚀对路肩各层面Y侧向位移的影响,对比仅自重作用和考虑自重溶蚀耦合作用时路肩Y侧向位移的变化规律,通过数据绘制路肩Y侧向位移曲线,如图6所示。

由图6可知,自重作用时盐岩路基横向(Y侧向)位移基本为零,而在路基两侧不同水位卤水作用下,此时路基相当于在一侧受到推力和上浮力的作用,路基产生沿横向的位移。随着路基埋深的增加,路基位移呈现减小趋势。路基两侧的水位差是引起路基横向位移的主要因素。

为了分析渗流溶蚀对路肩各层面有效应力的影响,对比仅自重作用和考虑自重溶蚀耦合作用时路肩有效应力的变化规律,通过数据绘制路肩有效应力曲线,如图7所示。

从图7可知,与自重作用时盐岩内部单元的有效应力相比,在溶蚀作用下左侧路肩应力均大于自重,随着路基深度的增大,卤水对路基的单元应力影响占主要地位。随着深度的增大,右侧路肩的单元应力增加不明显,主要是右侧路肩的卤水水位较低。

图6　路肩Y侧向位移Fig.6　Lateral displacement map of shoulder Y

图7　路肩有效应力Fig.7　Effective stress diagram of road shoulder

4盐岩溶蚀CT实验验证

根据已有资料[10]和上述数值模拟可知,盐岩在低浓度卤水的作用下发生渗流溶蚀,引起内部结构的变化,从而改变盐岩的力学性能,导致路基变形。为了分析盐岩溶蚀病害和验证数值模拟结果,采用CT实验对溶蚀作用下盐岩细观内部结构的变化作定性评价。试验岩样对试块钻取圆柱盐样,尺寸为Φ50 mm×100 mm,干重密度为1.53 g/cm3,质量为290.84 g。首先对盐样进行CT断面定位和扫描,如图8(a)所示。

图8　试样溶蚀前后扫描图Fig.8　Scanning image of samples before andafter corrosion

其次用未饱和卤水从一侧渗流一段时间,对烘干后的盐试样进行CT断面扫描,如图8(b)所示,其密度为1.44 g/cm3,质量为284.46 g。

根据盐样在溶蚀前后CT扫描断面图、质量及密度变化可看出,盐岩经未饱和卤水渗入后,质量和密度均减小;盐岩内部孔隙明显增大,裂隙继续扩张,内部结构遭到破坏,且呈不均匀分布。实验表明,未饱和卤水入渗盐岩后,盐岩变为絮状,孔隙增大。

5盐岩路基病害分析

基于数值分析和CT实验结果,结合现场勘探,分析可得盐岩路基的病害成因有:

(1)岩溶影响。青藏铁路通过察尔汗盐湖的北部盐溶区,溶洞的形成主要是低矿化度承压水渗入盐岩层底部发生溶蚀。随低矿化度承压水的渗入,溶洞不断发展,洞顶盐层厚度减小,当减小到不足以支持路基和列车荷载时就会发生塌陷。盐湖是干旱气候的产物,干旱少雨的气候条件造成盐湖的蒸发量远超过入湖的河水补给量,导致湖水不断浓缩。盐湖外围存在大范围的盐渍土平原,周边水系流经盐渍土平原后在入湖前基本呈饱和状态,有利于盐湖的积盐。

(2)盐业生产影响。在靠近路基处大规模的开采钾镁液体矿,将使晶间卤水水位发生大幅度下降,使路基下的盐岩空隙没有卤水填充,入湖水水位上升时,低矿化度湖水充填盐岩层空隙,对盐岩层产生溶蚀,盐岩基础强度降低,影响路基稳定。

(3)毛细水影响。毛细水的上升会降低卤水的浓度,进一步侵蚀盐岩。地下水和土中所含的氯化钠和硫酸钠,对粉细沙中毛细水上升一般起着减缓作用。含盐量越高,毛细水上升越低。在超盐渍土地区,毛细水的上升能引起路基填土的浸湿软化和再盐渍化,并能促进冻胀和盐胀等不良物理地质作用,是导致各种路基病害的一个重要因素。

6结论

(1)通过对盐岩路基病害的调查和研究,结合工程自身的特殊性,运用大型有限元软件ADINA建立了考虑溶蚀渗流耦合作用的三维有限元模型。

(2)通过对比分析渗流溶蚀与自重应力作用下的路肩沉降、横向位移和路基有效应力可知,湖水渗入路基所引起的位移和应力均大于自重引起的,路基两侧卤水水位差也是影响路基变形的主要因素。

(3)基于盐岩CT溶蚀实验,盐岩经未饱和卤水入渗后,质量和密度均减小;盐岩内部孔隙明显增大,原有裂隙继续扩张,内部结构遭到破坏。该实验验证了数值模拟的正确性。

(4)根据现场勘探、数值模拟和实验结果,分析可知导致盐岩路基病害的主要因素包括岩溶、盐业生产和毛细水。

参考文献:

[1]Fan Zengwang,Zhao Chengjiang.Causation and Treatment of Salt Dissolution Disease in "Hightest Salt Bridge" of Qinghai -Tibet Railway[J].Subgrade Engineering,2010,1(1):190-192.

[2]Hunsche U.Fracture Experiments on Cubic Rock Salt Samples[C]//Proceedings of the First Conference on the Mechanical Behavior of Salt.Clausthal Zellerfeld:Trans Tech Publications,1984.

[3]Skrotzki W.An Estimate of the Brittle to Ductile Transition in Salt[C]//Proceedings of the First Conference on the Mechanical Behavior of Salt.Clausthal Zellerfeld:Trans Tech Publications,1984.

[4]林安宁.青藏线盐湖路基病害及整治措施[J].中国铁路,1999,38(2):33-35.

[5]王朱贵.青藏铁路察尔汗盐湖盐溶的成因分布及防治措施[J].铁道科技动态,1982,19(1):16-20.

[6]张宗淳,王绳祖.青藏铁路察尔汉盐湖地区路基稳定性的长期监测[J].岩石力学与工程学报,1986,5(4):396-403.

[7]谢晨.岩溶地区高层建筑砼桩复合地基运用分析[J].甘肃科学学报,2003,15(S1):183-185.

[8]李冬雪,钱征宇.青藏铁路盐湖路基的盐溶危害及其防治[J].路基工程,2000,18(1):60-62.

[9]刘军勇,张留俊,张发如,等.高速公路岩盐路堤填筑技术与病害防治技术[J].公路,2013,58(2):5-9.

[10]刘彦东.察尔汗盐湖盐岩路基细观溶蚀试验及其病害防治措施研究[D].兰州:兰州理工大学,2014.

Numerical Simulation and Disease Analysis of Qarhan Salt Rock Roadbed Corrosion

Zhang Yuan1,2,Dong Jianhua1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China;2.KeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigationinCivilEngineeringofGansuProvince,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

AbstractIn order to study the characteristics of Qarhan salt rock roadbed under the action of seepage and corrosion,we separately made modeling by adopting the structural module and fluid module in large finite element analysis software ADINA,and finally coupled the two for fluid-solid coupling calculation analysis.Besides,CT test was used to verify the correctness of numerical simulation conclusion.Results showed that:road shoulder settlement,lateral displacement and effective stress of inside roadbed are all greater than those caused by dead weight;The brine water head on the sides of roadbed is also a major factor of roadbed deformation;The disease factors causing the corrosion of salt rock roadbed include karst,salt industrial production and capillary water.The above conclusions can provide reference for defect control of salt rock roadbed.

Key wordsSalt rock roadbed;Seepage and corrosion;ADINA;CT;Disease

中图分类号:TU478

文献标志码:A

文章编号:1004-0366(2016)01-0099-06

作者简介:张媛(1988-)，女，河南临颍人，硕士研究生，研究方向为柔性支挡结构的分析与设计.E-mail:781541570@qq.com.

基金项目:中铁西北科学研究院科研基金：青藏线盐湖路基溶蚀防治技术研究(H1204cc018).

收稿日期:2014-09-25;修回日期:2014-11-13.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.022.

引用格式:Zhang Yuan,Dong Jianhua.Numerical Simulation and Disease Analysis of Qarhan Salt Rock Roadbed Corrosion[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):99-104.[张媛,董建华.察尔汗盐岩路基溶蚀数值模拟及病害分析[J].甘肃科学学报,2016,28(1):99-104.]