砂土条件下道路塌陷机理研究及防控技术应用

梁波，张明，刘传新

(苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112)

1 泰州市道路塌陷概况

泰州市地处长江中下游，位于长江三角洲冲积平原与苏北滨海平原交接处，形成一套特殊的地层结构。该区砂性土发育，砂土液化问题较为普遍，为塌陷的发生提供了基础条件。

将泰州市已发生的60余起道路塌陷案例的成因进行统计分析(如图1所示)，可以发现管道渗漏是诱发道路塌陷的主要原因，泰州市浅部砂性土发育，且该区地下水埋深较浅，土层松散，处于饱和状态，水稳性差，易产生较严重的砂土液化，物质基础条件较差。一旦管道渗漏形成流砂，土体迅速流失，易产生道路塌陷[1]。

图1 泰州市2015年以来不同成因引发的道路塌陷数量

2 管道渗漏引发道路塌陷成因机理研究现状

目前相关学者对管道渗漏诱发道路塌陷的研究主要为事故原因分析、模型试验、数值模拟和相应控制措施：武天仪[2]基于室内模型试验研究了交通荷载作用下管线渗漏引起城市路面塌陷。王越林等[3]利用CFD-DEM联合计算模拟分析了城市地区管道渗漏引发地面塌陷成灾机理。李志康[4]利用水力致陷模型试验，针对管线渗漏引起路面塌陷风险评价与预测进行了研究。道路塌陷亦会对周围地埋管线产生次生影响，致其渗漏。巨玉文[5]等通过模型试验和数值分析相结合的方法，有效地模拟了土体在受扰动的动态效果，预测了地下管线的变形规律。许多学者通过模型试验和数值模拟等方法研究了不同条件下管道渗漏对土体流失量大小的影响[6，7]。

总之，在道路塌陷成因机理方面，针对砂土地质条件下管道渗漏引发塌陷的研究几乎没有。泰州市拥有全市域第四系砂土层覆盖的特殊地质条件，浅部砂层发育范围内埋设有大量化学管材类管道，其管材的拉伸强度及韧性较差，抗冲击强度低，易出现破裂、变形、错口、脱节等结构缺陷，为管内流体渗漏及管周土体流失提供通道，管道的缺陷处会渐渐形成水土流失区、掏空剥落区、变形沉降区。其中，水土流失区在管道缺陷处的浅层砂土在渗流效应的水动力作用下，通过缺陷处进入管道内，逐步形成弧形塌落拱，随着地下水活动的影响，周围的砂土逐渐被渗透破坏作用进入管道内部，进而形成水土流失区，如图2(a)。由于砂性土松散，初期流失的主要为砂颗粒；黏性土由于黏聚力的作用，颗粒结合紧密不易产生破坏而流失，因此砂性土中黏粒含量提升会延长水土流失时间。随着水土流失区塌落拱的扩大，拱顶上方土体失去支撑作用，在重力和水压渗透破坏的双重作用下，部分砂颗粒流失，使土体的孔隙增大，密度减小，形成如图2(b)所示的松散土区域。松散土区域地下水的流失大于补给量，地下水位也随之下降，空洞顶板处的水浮力也随之减小，土体支撑力也逐渐减小，土体因失重而逐渐垮落流失，松散土区域下方变成掏空垮落带。这时松散土区域继续向周围扩大，逐渐延伸到刚性路面的下方，形成如2(b)所示的掏空剥落区，由于松散土区域的土体孔隙增大，密度减小，支撑力也就相应减小，这样松散发育带上方的土体因失重逐渐下沉，左右两侧土体向中间位移，形成变形沉降带。随着水土流失区、松散土区域的扩大，变形沉降区范围及沉降量随之增大，掏空垮落带范围延伸到刚性路面板下方，形成空洞如图2(b)所示，在荷载、降雨等诱发因素的影响下导致道路塌陷[8]。

图2 砂土条件下管道渗漏致塌模式

3 空洞塌陷数值模拟

前文分析了泰州地区道路塌陷大多由于管道渗漏形成地下空洞。为了进一步研究路基下土体的性质、空洞覆土厚度、荷载作用形式、空洞净深以及空洞跨径对路面塌陷的影响。通过FLAC3D 有限差分程序对以上影响路面下空洞塌陷的因素进行数值模拟。

3.1 FLAC3D软件介绍

FLAC3D(3-D Fast Lagrangian Analysis Code)是一款由美国 ITASCA 咨询集团公司开发的基于三维显式有限差分法的有限差分程序。所谓的差分法即是将岩土工程结构数值计算中所需要满足的基本方程和边界条件近似的用差分方程来表示，将原来需要求解的微分方程问题转变为代数方程问题的方法。

3.2 模型建立

FLAC3D数值模拟软件的模拟计算步骤如图3所示，数值模拟的关键步骤在于合理地对数值模型进行网格划分，设置准确的初始平衡条件、模型参数特性，建立对应的约束条件，模型的建立是通过输入命令流来建立的，其自身内置13种基本模型单元，可以通过拼凑的方式建立较为复杂的三维空间模型。

图3 FLAC3D分析计算流程图

本文采用的建立模型方法是利用ANSYS划分网格导入FLAC3D中计算，选用摩尔库伦弹性模型，各层位的参数根据泰州市当地道路经验值取得，如表1所示。如图4所示，其中蓝色块体组成路面结构层，红色块体组成道路路基，绿色部分是模拟由地下管道破损所形成的椭球状地下空洞。绿色部分在计算了初始应力之后将设置为空模型计算，主要是模拟为形成空洞之前的初始平衡状态。模型的宽度为 20 m，高度为 20 m，一共有 38 200个网格和 14 800个节点，为了研究空洞周边变化对空洞周围网格进行加密处理。为了上部荷载作用于模型上产生正确反馈以及模型边界不受振动波影响，现将模型的底面的水平位移和竖直位移固定，设置为固定边界，将模型的四个侧面水平位移设置为零，释放竖向方向；模型的顶面设置自由边界，施加车辆循环荷载应力大小中得到车辆循环荷载与时间的关系式。

图4 数值模拟模型图

表1 道路结构层及土层特性参数表

3.3 数值模拟结果及分析

从前文的统计结果可以看出，地下管道渗漏引起的城市道路塌陷主要在 5 m之内，出于安全性考虑以及作为对照组，现将地下管道渗漏侵蚀出的空洞最大值设为 6 m，研究空洞覆土厚度、荷载作用形式、空洞净深以及空洞跨径对地下空洞稳定性的影响，设计数值模型对照实验方案，控制其他影响因素为定值。在模拟计算中，出现计算不收敛情况，其实代表着模型发生塑性变形，土层开始发生破坏，即表明路基下空洞失稳，发生塌陷。

(1)荷载类型和覆土厚度的影响

为了确定空洞覆土厚度和荷载类型对路基稳定性的影响规律，设置椭圆状空洞的空洞跨径为 2 m、空洞净深 1 m，取不同覆土厚度如图5所示，分别对每个模型顶部施加静力荷载或车辆循环荷载，分析静力、循环荷载对道路路面沉降的影响规律。随着覆土厚度加深，地下空洞周边的塑性变形区域逐渐缩小，空洞上部主要为拉伸屈服破坏，空洞底部与平衡拱拱脚部分为剪切屈服破坏。从图6可以看出无论是循环荷载还是静力荷载在空洞埋深较浅时，路面沉降位移较大，随深度的增加，曲线趋于平缓，路面沉降位移逐渐减小。

图5 不同覆土厚度地下空洞塑性形变图

图6 路面沉降位移与空洞覆土厚度关系曲线图

路面沉降位移的变化规律在模型受到静力荷载与循环荷载作用时保持相对相似性，可以看到随埋深变化规律呈现出随深度越深沉降越小，最后趋向一个定值。分析结果，认为在空洞埋深较小时，地下空洞上覆土层较薄，循环荷载作用于路面的效果对地下空洞影响较大，空洞难维持原有平衡状态，路面沉降较为显著，随着地下空洞埋深的增加，车辆循环荷载作用于路面的效果较难传递到地下空洞处，对地下空洞的影响较小，路面沉降量也减少了。

(2)空洞净深的影响

为了验证地下空洞净深对路基稳定性的影响，在静力荷载作用下，选用地下空洞的覆土深度为 2 m，空洞跨径为 2 m，设定空洞净深为 1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m，计算结果如图7所示。

图7 路面沉降位移与空洞净深关系曲线图

从图7中可以看出，随着地下空洞净深增加，路面沉降位移先增加较快，再趋于平缓，净深大于 2.5 m时计算结果超出收敛上限，计算停止，这时的地下空洞失去稳定状态，发生塌陷。

(3)空洞跨径的影响

为了验证地下空洞跨径对路基稳定性的影响，在静力荷载作用下，设置地下空洞净深为 1 m，覆土深度为 2 m，采用空洞不同跨径分别为 1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m，计算结果如图8和图9所示。

图8 不同跨径地下空洞塑性形变图

图9 路面沉降位移与空洞跨径关系曲线图

从图中可以看出，当地下空洞跨径达到 2 m时，曲线斜率发生变化，出现拐点，增大趋势明显增加，地下空洞失去稳定状态，极易发生塌陷。

运用FLAC3D软件研究砂土地质条件下因管道渗漏形成的城市道路下空洞的稳定性问题，分析地下空洞不同覆土厚度、荷载作用形式、空洞净深以及空洞跨径对塌陷形成的影响，其中埋深较浅的地下空洞受到循环荷载的影响大，这种情况下空洞发生塌陷的概率越大；对于覆土深度 2 m的地下空洞，当净深和跨径大于 2 m时，极易失去稳定状态，发生塌陷。

4 工程验证实例

进入雨季以来，泰州市主城区多条城市道路先后发生了多起塌陷事故，造成了较大的经济损失和不良的社会影响，相关部门虽然采取了多种措施，但由于城市道路塌陷所具有的特殊性，难以快速、准确地查明潜在塌陷风险的危险路段。

为此，泰州市开展了主城区道路塌陷隐患探测，针对主城区十余条主干路的路基现状，采用车载地质雷达全覆盖普查，配合差分GPS进行精确定位，全面评估所测道路塌陷风险，共查明空洞隐患20余处，取得了显著的成效。

图10为泰康路YS71至YS73路段的地质雷达探测剖面，探测有效深度 5 m，图中可以看出基层土体中有两处明显的空洞异常。分析其图谱特征，两处异常均振幅强，多次波发育，两侧存在明显绕射波，顶部反射波均与入射波同向，为充气型空洞，其中KD1号异常反射波组表现为倒悬双曲线，可以判断为近似圆形空洞，KD2号异常反射波组表现为正向连续平板状双曲线，可以判断为近似矩形空洞，结合现场的CCTV检测(图11)资料，该段管道破损，局部已坍塌，与地质雷达探测结果一致，其中KD2号空洞覆土厚度 84 cm，底部埋深 197 cm，净深 113 cm，最大跨径约 2 m，塌陷风险极高，相关管养单位及时进行了灌浆排险作业，避免了塌陷事故的发生。

图10 泰康路YS71至YS73路段地质雷达探测剖面

图11 KD2号异常周边管道CCTV检测

图12为海陵路YS20至YS21路段的地质雷达探测剖面，探测有效深度 5 m，图中可以看出基层土体中有一处明显的空洞异常。分析其图谱特征，异常振幅强，多次波极度发育，两侧存在明显绕射波，顶部反射波均与入射波同向，为充气型空洞，反射波组表现为正向连续平板状双曲线，可以判断为近似矩形空洞。

图12 海陵路YS20至YS21路段地质雷达探测剖面

如图13所示，探明空洞异常后，相关管养单位进行了围挡警示，但未及时进行工程处置，该处空洞在暴雨过后发生塌陷，塌陷空洞覆土厚度 29 cm，底部埋深 115 cm，净深 86 cm，最大跨径约 3.2 m，与地质雷达探测结果一致。

图13 海陵路YS20至YS21路段KD3号空洞塌陷

上述两处工程实例均有利验证了上文数值模拟结果，为泰州地区道路塌陷防控实际工程应用提供了较强的技术指导。

5 结 语

泰州地区道路塌陷大多由于雨水管道渗漏，管道周边砂土逐渐被渗透破坏作用进入管道内部，形成地下空洞，随着空洞的规模扩大，在路面荷载等诱因下，道路结构失稳造成塌陷。数值模拟结果及实际工程案例表明，路面以下 3 m以内，净深和跨径 2 m以内，循环荷载频繁的道路空洞极易发生塌陷。应加强雨水管道周边的道路空洞检测，及时预警，可以切实防范和减少道路塌陷事故的发生。