婁新高速k30+882.47～k31+380段巖溶塌陷處治方案設計

趙昌軍，龍劭一

(湖南省婁新高速公路建設開發有限公司，湖南婁底 417000)

隨著我國高速公路建設里程的增長，大量在建或規劃中的高速公路不可避免穿越巖溶發育的地區。我國碳酸鹽系分布面積占領土面積的20%以上，達到200萬km2。這些地區幾乎均存在巖溶地質發育現象。據統計，我國有22個省、自治區共發生巖溶塌陷865處以上，塌陷坑總數超過3萬個，尤以廣西、貴州、云南、四川、湖南等省區最為發育。隨著“西部大開發”等國家戰略的實施以及這些地區城市建設的發展，許多公路、鐵路等交通都需要源于或穿越這些巖溶洞穴地區，隨即面臨因巖溶洞穴的塌陷所導致的路基失穩與破壞問題。目前，在巖溶地表進行高速公路建設方面，雖然國內外學者進行了一些研究［1－10］，但主要是工程經驗介紹，尚未形成成熟的理論及工程設計體系。因此巖溶區路基穩定性分析與評價及處理成為高速公路建設成敗的關鍵之一，也是目前國內外巖溶區高速公路建設的重大技術難題之一。

1 婁新高速公路 k30+882.47～k31+380段巖溶塌陷分布規律

1.1 巖溶分布

婁新高速公路k30+987～k31+380巖溶和塌陷地基場區屬河流沖積平地，主要地層為第四系全新統沖積層、第四系更新統的坡積層，二疊系下統茅口組。場內主要地層中，淤泥質粘土為軟土，強度低、壓縮性高?；規r雖強度較高，但頂面起伏巨大，巖溶發育，其上覆與下伏全風化硅質頁巖中均見有與土洞性質接近的空隙及塌陷松散區、場地地基透水性好，灰巖中部分溶洞以及周邊的塌陷區為地基穩定性的隱患，需要進行處理。

根據勘察報告，鉆孔所揭露巖溶情況見表1。

1.2 塌陷分布

根據地質調繪，路線左右兩側地表發育有巖溶塌陷，分布在k30+450右91 m～k31+835左460 m段，這些塌陷從現狀看為不連續的點狀，點之間呈線狀關系，每個塌陷點均呈不同的形狀，地表塌陷面積小的為10～30 m2，大的為500～1 200 m2不等，其中距線路最近的一段為于k31+010左25 m～k31+150左80 m，該塌陷呈長條形，長約150 m，寬約30 m，深度為2 m。在本次勘察期間在此塌陷區的邊緣又發現新的塌陷區，位于k31+010左18 m，呈橢圓形，直徑約3 m，深約1 m，形成時間約為2008年6月，其位于路基范圍內，對路基穩定有影響。

巖溶塌陷分布情況見圖1。

表1 鉆孔揭露巖溶一覽表

圖1 巖溶塌陷分布圖

1.3 本路段工程地質評價

根據勘察報告及調查，場地不良地質非常發育，基巖受構造擠壓影響，灰巖中碎裂巖化后重膠結良好情況推測，該斷裂構造應為地質歷史期古老的斷裂，為非工程活動斷裂，對場地穩定性影響可以不予考慮。但巖石破碎、巖溶發育，溶蝕現象規模大，由于溶蝕作用以及礦區抽降水作用形成的地基內土洞以及塌陷松散區以及地表塌陷較為發育，工程地質條件極為復雜。

場內主要地層中，淤泥質粘土為軟土，強度低、壓縮性高，厚度較小，不易作為路基持力層，宜清挖?；規r雖強度較高，但頂面起伏巨大，巖溶發育，其上覆與下伏全風化硅質頁巖中均見有與土洞性質接近的空隙及塌陷松散區、場地地基透水性好，灰巖中溶洞以及周邊的塌陷區均為地基穩定性的隱患，需要進行處理。

該區大規模的塌陷發生于20世紀80年代，近年來基本未見有發展擴大的趨勢，且地下水位在100 m以下，可見由于斗笠山煤礦嚴重抽水引起的塌陷及塌陷引起的地表沉陷歷史上已完成，且大多全充填，故地下水上侵潛蝕發生新塌陷的可能性基本消除。但由于場區下伏土層中存在深部塌陷形成的松散巖土體，其孔隙較大，連通性能好，地表水多從松散體中下滲，逐步把土層中的細顆粒帶起，致使土層中孔隙比不斷增大，從而降低土層的結構力。所以地表水下滲仍可能形成新的地表塌陷。因此宜注意地表水下滲防備工作。

針對婁新高速k30+882.47～k31+380段巖溶塌陷處理初步建議:先清除表層全新統沖洪積層至強風化硅質頁巖層(前期勘察定為坡殘積層“角礫”)頂部，對強風化硅質頁巖層進行強夯并整平。為防止該路段某些不明溶洞等給今后路基帶來的不均勻沉降等，對全路段在強夯整平后的硅質頁巖上設置雙層配筋混凝土連續板跨越，在連續板上再填筑路基。

2 按規范設計跨越直徑為5.2 m塌陷區蓋板配筋

2.1 設計資料

假設路基下存在塌陷區，直徑為5.2 m，路基治理方案采用連續板跨越方式通過。路基填土為8 m，對6 m長度的連續板進行設計。

汽車荷載等級:公路—Ⅰ級;環境類別:Ⅰ類環境;

凈跨徑:L0=2.6 m;計算跨徑:L=3 m;填土高:H=8.5 m;

混凝土強度等級為C30;軸心抗壓強度fcd=13.8 MPa;軸心抗拉強度 ftd=1.39 MPa;

主拉鋼筋等級為HRB335;抗拉強度設計值fsd=280 MPa;

主筋直徑為22 mm，外徑為24 mm，共30根，選用鋼筋總面積As=0.011 403 m2;

連續板容重 γ1=25 kN/m3;土容重 γ2=18 kN/m3。

根據《公路圬工橋涵設計規范》(JTG D61—2005)中7.0.6關于涵洞結構的計算假定:蓋板按兩端簡支的板計算，可不考慮涵臺傳來的水平力。

2.2 外力計算

2.2.1 永久作用

1)豎向土壓力:

2)蓋板自重:

2.2.2 由車輛荷載引起的垂直壓力(可變作用)

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)中 4.3.4 的規定:

計算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時，車輪按其著地面積的邊緣向下做30°角分布。當幾個車輪的壓力擴散線相重疊時，擴散面積以最外面的擴散線為準。

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60－2004)中4.3.1關于車輛荷載的規定:

車輛荷載順板跨長:

車輛荷載垂直板跨長:

車輪重:P=1 100 kN;

車輪重壓強L:

2.3 內力計算及荷載組合

2.3.1 由永久作用引起的內力

跨中彎矩:

邊墻內側邊緣處剪力:

2.3.2 由車輛荷載引起的內力

跨中彎矩:

邊墻內側邊緣處剪力:

2.3.3 作用效應組合

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)中4.1.6關于作用效應組合的規定:

跨中彎矩:

邊墻內側邊緣處剪力:

由于實際計算的蓋板四周都有支承，所以對跨中彎矩及邊墻內側邊緣處剪力進行折減20%，則跨中彎矩變為:

邊墻內側邊緣處剪力:

2.4 持久狀況承載能力極限狀態計算

截面有效高度:

2.4.1 混凝土受壓區高度

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2004)中 5.2.1 關于相對界限受壓區高度ξb的規定:

HRB335鋼筋的相對界限受壓區高度 ξb=0.56?；炷潦軌簠^高度滿足規范要求。

2.4.2 最小配筋率

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2004)中9.1.12 關于受彎構件最小配筋百分率的規定:0.22，同時不小于0.2，主筋配筋率滿足規范要求。

2.4.3 正截面抗彎承載力驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2004)中 5.2.2 關于受彎構件正截面抗彎承載力計算的規定:

正截面抗彎承載力滿足規范要求。

3 路基荷載作用下混凝土連續板受力有限元分析

3.1 計算模型

選取有限元計算模型見圖2。

圖2 有限元分析計算模型邊界條件

計算范圍為路基面為25 m，路基填高為8 m，路基邊坡坡率為1∶1.5，橫斷面取90 m，行車方向取30 m。計算模型結構層次自下而上為:粉質粘土為3 m，碎石為3 m，硅質頁巖為12 m，灰巖22.5 m，路基下連續板全鋪，厚為0.5 m。假設路基下有塌陷，塌陷形狀分別為3 m×3 m;自重荷載取值見表2，計算荷載包括自重荷載以及行車荷載，見表3。由于本次計算主要計算板的受力情況的，所以計算的材料模型取彈性模型進行計算。

表2 有限元分析計算材料物理力學參數

行車荷載按照根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)中4.3.4 的規定，見表3，取車重為550 kN，作用面積為15 m ×2.5 m。

模型的邊界條件為地基的四周為各面的垂直方向約束，路基的行車方向進行約束，如圖2所示，其中黃色箭頭表示模型的所受的重力，紅色區域作用車輛荷載。

表3 《規范》規定車輛荷載取值

3.2 計算工況的設定

為了更好的模擬路基的填筑過程、車輛荷載及路基下塌陷對連續板的影響，計算工況如下。

3.2.1 初始地應力計算

為了模擬地基的初始應力狀態，需先計算地層在重力作用下的初始應力狀態，并將所求得的初始應力導入到模型中，以使初始位移場為0。

3.2.2 路基填筑對連續板的影響

路基填筑共分4步進行，第一步填筑2 m。采用生死單元法進行模擬。首先在初始步把整個路基的單元“殺死”，然后分4步進行“激活”，以模擬路基填筑對連續板的影響。

3.2.3 車輛荷載對連續板的影響

路基填筑完成后，在模型的路基面中心部位15 m×2.5 m的區域上施加車輛荷載。

3.2.4 路基下塌陷對連續板的影響

最后采用“殺死”單元法，將可能發生的塌陷區域進行模擬。假定塌陷形狀分別為3 m×3 m。

3.3 數值計算結果與分析

由圖3所示路基應力分布情況，由于連續板的設置，將路基荷載向地基深處傳遞，路基的中心線下受力較大。

圖3 路基及地基應力分布情況

由于連續板的設置，將路基荷載向地基深處傳遞，路基的中心線下受力較大。圖4～圖7塌陷形狀為3 m×3 m，路基下連續板的應力分布情況，可為連續板跨越處理路基下塌陷處治方案設計提供依據。

圖4 連續板上表面受力情況

由圖4～圖7表明連續板上表面的中間受力較大，而由于路基下巖溶塌陷的存在，在連續板的中間豎向應力較小，在板的邊界部位卻出現較大的豎向應力，向兩側逐漸變小。連續板上沿路基橫向的正應力，在板的中間最大，向兩側逐漸變小。

圖5 連續板上表面沿路基橫斷面方向力分布

圖6 連續板上表面沿路基縱斷面方向力分布

圖7 連續板上表面豎受力分布

4 結論

1)對婁新高速公路路基場區巖溶塌陷分布發展規律及產生的原因進行了研究，由于地下水位較深(100 m以下)，地下水上侵潛蝕發生新塌陷的可能性基本消除，但地表水下滲仍可能形成新的地表塌陷，尤其在河邊地帶，更是地表水與地下水交換頻繁地帶，容易形成地表塌陷。

2)婁新高速k30+882.47～k31+380段巖溶塌陷處理初步建議:先清除表層全新統沖洪積層至強風化硅質頁巖層(前期勘察定為坡殘積層“角礫”)頂部，對強風化硅質頁巖層進行強夯并整平。為防止該路段某些不明溶洞等給今后路基帶來的不均勻沉降等，對全路段在強夯整平后的硅質頁巖上設置雙層配筋混凝土連續板跨越，在連續板上再填筑路基。

3)按規范對直徑為5.2 m塌陷區上覆蓋板配筋進行了計算分析，并采用有限元法對巖溶塌陷地基在路基荷載作用下的應力分布及采用連續配筋混凝土板跨越路基下伏塌陷時板的應力分布情況，為連續板的配筋設計提供參考。

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