下伏窑洞路基稳定性评价及处治技术研究

秦 龙 ,张 晶,周 科

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳市 550081;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉市 430056)

0 引言

三淅高速公路北起三门峡市灵宝市,经卢氏县、西峡县,终于南阳市淅川县,全长121.7km,设计采用山岭重丘区四车道高速公路标准,整体式路基宽度24.5m,分离式路基宽度12.25m,设计行车速度80km/h。工程大部分处于黄土地区,沿线分布有相当数量的废弃窑洞,且处于路基下方,一定程度上会影响路基稳定性。为保证下伏窑洞路基安全稳定,有必要进行路基评价及处治技术研究。

国内窑洞相关研究多集中在建筑科学方向,以保护窑洞建筑物、防止灾害为出发点对黄土窑洞的病害特征、成因、防治等问题进行研究。陈春利和王辉以窑洞灾害为出发点,应用数值模拟研究了窑洞引发滑坡的机理[1-2]。下伏空间对路基稳定性影响的相关研究多集中在岩溶和土洞[3-4],研究方法以数值模拟和强度折减法为主。与岩溶土洞路基问题不同,下伏窑洞路基稳定性受窑洞和洞口陡崖边坡双重影响,窑洞作为拱形人工建筑受力更合理,因此无法直接采用岩溶土洞相关研究结论。

1 下伏窑洞路基三维有限元模型的建立

1.1 几何模型

为简化模型,窑洞尺寸取调查得到的典型尺寸,取半幅路基,根据工程实际情况,按照图1所示尺寸,结合路基高度H1、窑洞埋深H2、路堤坡脚与陡崖水平距离H3等影响因素,建立多种工况几何模型。模型底部固定约束,左、右、后三面施加水平约束,前面3.8m下施加水平约束。

图1 几何模型视图(单位:m)

1.2 工况设置

根据工程现场常规情况,H1取4m、8m,H2取3m、5m、9m、15m,H3取0m、5m、10m、15m,相互组合形成32种典型常见工况。

1.3 岩土参数

在工程现场开挖深度8m处取原状样和扰动样进行密度试验、直剪试验、重型击实试验、压缩试验等室内试验,试验结果如表1所示。

表1 试内试验参数

试验结果表明,项目区黄土竖向和水平向抗剪强度差别很小,因此按均质体进行数值模拟,模拟采用库伦—摩尔本构模型,各部分材料参数见表2。

表2 模型岩土参数

2 下伏窑洞路基稳定性评价

2.1 强度折减法计算稳定安全系数

强度折减法是数值模拟中计算边坡、洞室稳定安全系数的主要方法,该方法按照式(1),将土体的抗剪强度按折减系数F不断进行折减,直至岩土体失稳破坏,此时的折减系数定义为安全系数[5]。使用FLAC3D进行强度折减计算,综合采用计算的不收敛和塑性区的贯通作为失稳判据[6]。

(1)

2.2 下伏窑洞对路基稳定性的影响机理

以路基高度H1=8m,窑洞埋深H2=5m,水平距离H3=0m的工况为例,研究下伏窑洞对路基稳定性的影响机理。

首先计算实际岩土参数下路基填筑后的沉降,如图2所示,窑洞的存在降低地基的强度,在窑洞正上方变形比两侧大,路堤产生不均匀沉降,窑洞上方沉降呈下凹状曲线。

图2 路基填筑后的沉降图

不断折减抗剪强度直至达到失稳状态,求得安全系数为1.46。图3所示的路基失稳变形云图显示,路基失稳模式以向陡崖临空面的滑动破坏为主。图4记录了路基在强度折减时的变形过程,可以看出,下伏窑洞对路基稳定性的影响是对窑洞和洞口陡崖边坡的综合影响。路基变形失稳是从窑洞洞口侧壁两侧附近处开始,逐渐向周边扩展,最终导致边坡整体失稳,从陡崖底部整体剪出,从而形成图3所示失稳状态。由此说明窑洞的存在成为地基强度的薄弱区域,降低了路基的安全系数。

图3 路基失稳变形云图

图4 强度折减1.46时路基变形过程

2.3 下伏窑洞安全性评价标准

下伏窑洞路基稳定性受洞穴和洞口陡崖边坡双重作用的影响,因此根据相关规范对洞穴和路堤边坡稳定安全系数的要求综合选取。《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)对路堤稳定性的要求为安全系数≥1.35,相关规范规定对岩溶土洞的要求为安全系数≥1.5,综合选取安全系数1.45为下伏窑洞路基安全标准,认为安全系数≥1.45时,路基安全稳定,可不进行处治。

若工况的安全系数不满足≥1.45,但路堤坡脚与陡崖的距离不小于窑洞地基的滑动破坏范围,则同样认为窑洞路基安全,不必处理。路基不受窑洞地基破坏影响时,将路堤坡脚与陡崖的最小水平距离称为安全距离。以强度折减至失稳状态时水平位移0.2m界限作为窑洞路基的滑动破坏范围。

2.4 计算结果与分析

采用强度折减法依次计算各工况的安全系数,并通过观察折减后失稳破坏范围确定安全距离。

以路基高度H1为8m,埋深为H2为15m的一组工况为例,安全系数随H3的变化如图5所示,水平距离为15m时的路基失稳状态如图6所示。可知此时安全系数虽未达到标准,但路基已处于破坏范围外,因此得到安全距离为12.6m。

图5 安全系数随H3的变化规律

图6 H1=8m、H2=15m、H3=15时的失稳状态

按照上述方法和评价标准,得到表3所示各工况安全性评价结果。

表3 各工况安全性评价结果

以路基高度为8m,窑洞埋深为15m的一组工况为例进行分析,路基安全系数随水平距离H3的变化如图5所示,表明当路基高度和埋深一定时,路基安全系数随路堤坡脚与陡崖水平距离的增大而增大,并逐渐趋向一个固定值。

以路基高度为8m,水平距离为0m的一组工况为例进行分析,路基安全系数随窑洞埋深H2的变化如图7所示,表明当路基高度和路堤坡脚与陡崖的水平距离一定时,路基安全系数随窑洞埋深的增大而减小。然而根据现场调查情况,当埋深小于3m时,埋深越小,随机出现的垂直节理越多,固结程度和土体强度越低,雨水冲刷入渗越严重,鼠蚁等生物的孔洞巢穴越多,这些因素会大大降低埋深较浅窑洞的安全系数。因此认为埋深小于3m的窑洞均不满足安全标准,需要进行处理。埋深在3m及以上时,路基安全系数随窑洞埋深的增大而减小。

图7 安全系数随H2的变化规律

由表3可见,在窑洞埋深H2和水平距离H3均相同的条件下,路基高度为4m的路基的安全系数大于路基高度为8m的工况,但相差较小,说明路基高度对安全系数的影响较小。

对表3结果进行插值,求得达到安全标准的窑洞临界深度。如表4所示,路基高度对临界深度影响很小,统一取值后可以归纳为:水平距离为0m时,若3m≤窑洞埋深≤5.4m,则路基安全,可不进行处治;当水平距离为5m时,若3m≤窑洞埋深≤8.4m,则路基安全,可不进行处治。

表4 不同路基高度和水平距离时的窑洞临界深度

对各组工况的安全距离进行分析可知,安全距离受路基高度影响较小,主要受窑洞埋深控制。简化并统一取值后,可以归纳为:窑洞埋深3m时,安全距离为7.2m;窑洞埋深5m时,安全距离为8.1m;窑洞埋深9m时,安全距离为9.9m;窑洞埋深15m时,安全距离为12.6m。

根据上述分析,初步得到如下结论:

(1)下伏窑洞路基稳定性受路基高度影响较小,主要受窑洞埋深和水平距离影响。

(2)水平距离为0m时,若3m≤窑洞埋深≤5.4m,则路基安全,可不处治;水平距离为5m时,若3m≤窑洞埋深≤8.4m,则路基安全,可不处治。

(3)窑洞埋深3m、5m、9m、15m时,水平安全距离分别为7.2m、8.1m、9.9m、12.6m,则路基安全,可不处治。

3 处治技术

首先对三淅高速公路工程项目沿线下伏窑洞路基进行稳定性评价,筛选出稳定安全系数及水平距离不满足标准,威胁路基安全且需要处治的工点。对需要处理的下伏窑洞路基,根据窑洞埋深、洞口地形条件、附近建筑材料等情况,分别以窑洞和洞口陡崖为对象,选用以下针对性处治措施。

3.1 窑洞处治措施

(1)全断面开挖回填法。对于埋深小于3m的窑洞,按1:1的坡度从窑洞两侧开挖至窑洞底面,原土分层回填压实,至原地面标高。开挖回填区顶面铺设刚塑土工格栅防止不均匀沉降,之后再正常填筑路基。

(2)钻孔冲击灌注法。对于洞口悬于陡崖中间且埋深较大的窑洞,以及埋深较大且洞径小,人和机械无法进入的窑洞,采用冲击钻成孔,沿窑洞轴线在窑洞上方的地面每隔2～3m冲击出直径0.5m以上的钻孔,钻孔穿透窑洞顶,通过钻孔向窑洞内分批灌入砂砾石,分批冲击密实。窑洞正上方的地面铺设刚塑土工格栅后,正常填筑路基,具体见图8。

图8 钻孔冲击灌注法

(3)砂袋人工码砌。对于洞口地形条件良好且人员可以进入的窑洞,采用机械将砂砾石运输至洞口,砂砾石装入麻袋制成砂袋,人工将麻袋堆码填满窑洞,并用浆砌片石封闭洞口。之后在窑洞正上方地面铺设刚塑土工格栅,正常填筑路基,见图9。

图9 砂袋人工码砌法

3.2 洞口陡崖处理措施

(1)压脚填埋。该方法可以防止窑洞路基产生滑动破坏,但需要有足够空间和征地。沿洞口陡崖填土,完全填埋陡崖,形成坡度1∶1的边坡,通过填土平衡陡崖的土压力,详见图10。

图10 压脚填埋示意图

(2)挡墙支护。该方法用以防止窑洞路基产生滑动破坏,适用于空间和征地受限时。沿洞口陡崖设置挡墙,挡墙材料视工程现场材料情况选用。石材丰富时可用浆砌片石重力式挡墙,碎石骨料、砂、土丰富时采用袋装碎石或砂土码砌,也可选用加筋土挡墙,见图11。

图11 挡墙支护示意图

(3)崖顶防排水。该方法用于洞口陡崖防护。在陡崖顶部,路基坡脚与陡崖之间的地表设置防渗层和排水沟,截排地表水。

4 结论

文章通过对三淅高速公路下伏窑洞路基典型工况开展数值模拟研究,进行稳定性评价和处治判别,发现下伏窑洞路基失稳模式为:以向陡崖临空面的滑动破坏为主。窑洞洞口侧壁是变形破坏的薄弱区域。提出认为路基安全,可不处治的条件为:水平距离0m和5m时,分别为3m≤窑洞埋深≤5.4m、3m≤窑洞埋深≤8.4m。窑洞埋深为3m、5m、9m、15m时,路堤坡脚与陡崖的安全距离分别为7.2m、8.1m、9.9m和12.6m。文章提出全断面开挖回填、钻孔冲击灌注、砂袋人工码砌、压脚填埋、挡墙支护、崖顶防排水等处治方法,为三淅高速公路和类似工程建设提供技术参考。

研究过程未考虑复杂随机节裂隙影响,建议工程实践中充分考虑并重视陡崖顶部的竖直节理对稳定性的影响,采取必要的封闭防水措施。