车辆荷载作用下岩溶路基注浆加固效果分析

郑明新,欧阳林,2，黄文君，袁 钎，胡国平

(1.华东交通大学 岩土与道桥工程研究所，江西 南昌 330013;2.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610081)



车辆荷载作用下岩溶路基注浆加固效果分析

郑明新1,欧阳林1,2，黄文君1，袁 钎1，胡国平1

(1.华东交通大学 岩土与道桥工程研究所，江西 南昌 330013;2.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610081)

以沪昆高速公路K940+200处岩溶灾害为例，借助有限元软件ABAQUS建立模型，对岩溶路基的注浆加固效果进行了计算分析。车辆动态荷载采用半波正弦形式，以此来模拟行车驶近和驶离岩溶区这一动态过程。研究结果表明：当4车道均施加行车荷载后，路基变形满足规范要求，行车荷载对路基的影响深度为6～8 m，且行车驶离岩溶区过程比驶近过程对路基影响大。同时，考虑了注浆结石体与灰岩之间的接触面和两者的弹性模量对加固效果的影响，发现接触面的存在使注浆结石体与围岩之间产生分离(脱空)现象，且两者弹性模量越接近，溶洞周围应力集中现象越不明显，加固效果越好。

岩溶路基；注浆加固；ABAQUS软件；车辆动态荷载；加固效果

0 引言

岩溶塌陷是岩溶区公路路基面临的首要问题，也是目前国内外认可的六大类型地质灾害之一[1-5]。随着高速公路的快速发展，许多线路不可避免的要穿越岩溶发育区，路基下伏岩溶塌陷会导致基底沉陷、路面开裂等一系列地质灾害，对通车运营构成了巨大的威胁。目前，很多学者对岩溶区路基病害问题及溶洞注浆加固效果分析等方面进行了研究。文献[6]针对湖北沪蓉西高速公路某路段岩溶发育特征，指出变形和水害是岩溶路基病害的主要形式，路堤不均匀沉降和路基失稳是岩溶路基病害的具体体现，并根据各种不同岩溶形态提出各种处理措施。文献[7]利用弹塑性理论和有限差分法，计算分析并评价了公路路基下伏溶洞注浆加固前后对路基变形和稳定性的影响。文献[8]对某高速公路路基下伏溶洞提出有效的处理措施，对下伏溶洞处理前后的路基稳定性进行了数值模拟计算。文献[9]运用数值模拟分析方法对某岩溶发育区公路建设前、运营后的路基稳定性进行了研究。这些研究都考虑了后期运营过程中汽车荷载对路基的影响，但都是将汽车荷载简化为路基全断面的均布荷载，没有考虑车辆驶近和驶离岩溶区域这一动态过程。

为了研究汽车动荷载作用下地下溶洞对路基稳定性影响，本文运用有限元数值计算方法，采用ABAQUS软件作为计算工具，对沪昆高速公路K940+200断面溶洞处理前后及交通荷载作用下的路基稳定性影响进行了计算分析，并利用计算结果对处理效果做出了评价。

1 工程概况

1.1 工程地质

本文依托的工程为沪昆高速公路，设计时速为120 km/h，双向4车道，路基宽度为26 m。根据地质勘察资料，岩溶路基地层由上往下有：第四系新近堆积物，主要作为路基填土；第四系全新统冲洪积物和中更新统残坡积物，岩性主要为粉质黏土；白垩系上统南雄组中风化粉砂岩；二叠系下统茅口组石灰岩，岩石溶蚀现象明显，岩溶发育，主要表现为溶洞、溶槽，多被少量黏土、碎石充填。

1.2 岩溶路基病害情况

2011年9月2日凌晨，芦溪县银河镇紫溪村蛇形冲突发地面塌陷，出现3个塌陷坑，至9月2日下午地质灾害开始波及沪昆高速公路K939+478～K940+950路段，其中，K940+200附近出现近100 m长的路基沉降，最大沉降量达60 cm，路面亦出现数条10余米长的裂缝，裂缝最宽达3 cm。

1.3 溶洞处治措施

针对岩溶路基病害，对K940+200断面下伏溶洞进行灌浆加固处理，灌浆材料为425号普通硅酸盐水泥，配比为m(水)∶m(水泥)=1∶1。如浆液消耗量大或出现漏浆可加入速凝剂(水玻璃或氯化钙)，灌浆速度控制在40～60 L/min，灌浆压力控制在0.5～1.5 MPa。当灌浆终压达到1.5 MPa时，注浆速度小于5～10 L/min且持续时间不小于5 min，灌浆即结束。

图1 计算模型

2 模型的建立

根据工程地质资料，选取断面K940+200作为计算原型，该断面路基中部下伏一溶洞，溶洞沿垂直道路行车方向截面形状呈椭圆形。溶洞长10.4 m，高4.2 m，溶洞顶面埋深17.9 m，其中上覆土层厚度为6.0 m。本文建立模型时，以椭球空单元代替溶洞，选择计算范围为80.0 m×44.7 m，经试算，此模型尺寸下，边界条件对数值计算结果几乎无影响。以路基基底中点为坐标原点建立有限元模型，如图1所示。

2.1 材料参数

根据地质勘查和材料试验报告，计算各材料的物理力学参数，如表1所示。

表1 材料物理力学参数

注：H为厚度；ρ为密度；E为弹性模量；ν为泊松比；φ为内摩擦角；c为黏聚力；η为阻尼。

2.2 边界条件

模型底部边界为固定约束，两侧边界为水平约束，其他边界为自由边界。

2.3 本构模型

所有材料都采用弹塑性本构模型，其中弹性部分采用的是各项同性弹性模型，塑性部分采用的是Mohr-Coulomb模型。

2.4 车辆动态荷载的模拟

为模拟行车驶近和驶离溶洞区的过程，汽车荷载采用文献[10-11]提出的半正弦动荷载：

P(t)=Psin(ωt)， 0 s≤t≤0.1 s，

式中:ω为振动圆频率，ω=2πv/L;v为汽车行驶速度,在此取正常运行速度30 m/s；L为几何曲线波长，取L=6 m；P为标准轴载P0按照静力等效原则适当转换而来，转换后的大小为25×103/0.213 kPa/m=117.371 kPa/m。标准轴载P0[12]大小为0.7 MPa，作用在两个荷载圆表面上，两荷载圆半径为1δ(10.65 cm)，圆心距为3δ(31.95 cm)，因此必须通过转换，简化为平面问题。

荷载作用位置如图2所示。分别将行车荷载施加到单车道(车道1)，双车道(车道1和车道2)，3车道(车道1、2、3)，4车道(车道1、2、3、4)上，轮距取1.92 m。

图2 荷载作用位置

3 计算结果分析

3.1 路基沉降分析

在溶洞处于原始状态而不进行任何处理的情况下，直接在原有地基上填筑路基，分析整个计算模型在自重作用下的稳定性。在软件计算过程中，由于收敛条件超出上限要求，计算中途停止，所得到的路基竖向位移最大值为29.43 cm，路基底部竖向位移曲线呈“U”型对称分布，如图3所示。值得注意的是，在未收敛情况下得到的位移、应力和应变等数值大小，不能反映模型最后的实际变化量，只能反映模型的变化趋势。

用注浆结石体材料单元代替计算模型的椭圆空单元，并使注浆结石体椭圆单元与原计算模型(见图1)合为一体，以此来模拟溶洞加固过程。加固之后，再进行交通荷载的模拟，分析路基的竖向位移，如图4和图5所示。从图4和图5中可以看出：岩溶注浆加固效果显著，加固后的路堤底部竖向位移数值较小，路基基底最大竖向位移为3.69 cm，最小竖向位移为2.36 cm，即差异沉降[13]最大值为1.33 cm。随着车流量的增多，路基竖向位移逐渐增大，影响范围也增大。当4车道都施加行车荷载时，路基基底最大竖向位移为4.19 cm，最小竖向位移为2.37 cm，路基的差异沉降量的最大值在1.80 cm左右，符合路基沉降要求[13]。从图5可以看出：行车荷载对路基的影响集中在距路面以下6～8 m，超过这个深度后基本无影响。

图3 溶洞加固前路基底部竖向位移曲线图4 加固后及加载后路基基底竖向位移曲线

为更好地了解行车驶近和驶离岩溶区这一短暂过程对路基的影响，分析4车道均有行车荷载作用下路基中心线不同深度处竖向位移时程曲线，如图6所示。由图6可看出：在0～0.05 s的时间过程中，即行车驶近溶洞顶部，路基竖向位移无明显变化；在0.05～0.10 s的时间过程中，即行车驶离溶洞顶部，路基竖向位移逐步增大，表明行车驶离过程比驶近过程对路基的影响大。距路面深度超过6.5 m之后，行车荷载对其基本无影响，再次论证了上述结论。

图5 加固后及加载后路基中线竖向位移曲线图6 不同深度竖向位移时程曲线

3.2 路基及溶洞周围岩土体应力分析

图7 4车道加载后竖向应力云图(Pa)

经过上述3步分析过程之后，得到各竖向应力云图。在岩溶加固之前，溶洞周围出现了较大的应力区，主要分布在溶洞顶部左右两侧位置，且有集中现象，软件计算终止时洞周最大竖向应力为1.340 MPa；溶洞注浆加固后，注浆结石体传递上部荷载给周围岩体，洞周最大竖向应力为0.108 MPa；当4车道同时有行车经过岩溶区上部时，溶洞充填物和周围岩土体已经融为一体共同抵抗外力，洞周最大竖向应力为0.170 MPa，如图7所示。

相比于溶洞周围灰岩，路堤基底处竖向应力均较小，如图8所示。溶洞加固后，无行车荷载时最大竖向应力为0.008 3 MPa，发生在路堤中部。当只有车道1通过车辆时，竖向应力大小与前者大致相等；当车流量越来越多，4车道同时有行车经过溶洞顶部时，路堤基底中部的竖向应力达到最大值，大约为0.027 0 MPa。

理论上，随着深度的增加，路堤和下伏地基在自重作用下，其竖向应力也随之增大。但在岩溶区，由于椭球形溶洞顶部拱形体的力学作用抵消了一部分上覆土层压力，导致在岩溶区域内竖向应力有所减小，岩溶区域下部竖向应力随着深度增加又逐渐增大，如图9所示。当有行车经过时，路面处竖向应力急剧增大，越往深部传递，应力越来越小；达到一定深度，自重开始发挥优势，竖向应力又开始逐步增加。行车荷载对路基的影响深度在路面以下6.5 m左右，与图5和图6体现出来的影响深度一致。

图8 路堤基底竖向应力S22曲线图9 中线竖向应力S22随深度变化曲线

4 加固效果影响因素分析

影响岩溶路基注浆效果的因素很多，在此主要分析注浆结石体与围岩之间的接触面和两者的弹性模量对加固效果的影响。

图10 注浆结石体与围岩的分离现象(m)

4.1 接触面

上述都是假定注浆结石体与围岩之间不存在接触面，两者合为一体。为分析注浆结石体与围岩之间的黏结程度对加固效果的影响，在两者之间设置接触面，其摩擦因数为0.5。为了更清楚了解溶洞区的变化，将注浆结石体与围岩区域放大(见图10)，在设置接触面后，注浆结石体与围岩之间存在分离(脱空)现象，路基基底竖向位移有所增大(见图11)，且接触面摩擦因数的大小对路基变形几乎无影响。

图11 路基基底竖向位移曲线

4.2 弹性模量

通过调试注浆结石体和灰岩的材料力学参数，得到大量计算结果并进行对比分析。分析结果发现：溶洞周围应力集中程度与注浆结石体、灰岩两者弹性模量的相对大小密切相关，两者弹性模量大小越接近，应力集中现象越不明显。

5 结论

(1)下伏溶洞加固前，计算模型失稳破坏，整个路基处于不稳定状态。计算终止时路基底部最大竖向位移为29.43 cm，溶洞周围最大竖向应力为1.34 MPa，且有明显应力集中现象，表明必须对路基下伏溶洞采取处治措施。

(2)对溶洞进行注浆加固处理，分析加固之后路基竖向位移和洞周应力变化，发现两者数值均有大幅度减小。路基基底最大竖向位移为3.69 cm，且差异沉降量很小，溶洞周围最大应力为0.108 MPa，说明注浆加固效果显著。

(3)采用半正弦动荷载模拟行车驶近和驶离岩溶区这一过程，在4车道都有行车荷载作用下，溶洞周围最大竖向应力为0.170 MPa，无应力集中现象，路基基底最大竖向位移为4.19 cm，路基的差异沉降量的最大值为1.80 cm，符合文献[11]对路基差异沉降量的要求。行车荷载对路基的影响深度在6.5 m左右。

(4)当在注浆结石体与围岩之间设置接触面时，上覆岩土层重力作用使注浆结石体与围岩之间存在分离(脱空)现象，且接触面的摩擦性质对路基变形几乎无影响；当注浆结石体与灰岩的弹性模量大小相接近时，应力集中现象不明显，加固效果良好。

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江西省高等学校科技落地计划基金项目(KJLD13036)；江西省研究生创新基金项目(YC2013-S169)

郑明新(1966-),男,陕西渭南人,教授,博士,主要从事路基与边坡工程研究.

2014-08-29

1672-6871(2015)03-0065-05

U416.1

A