巖溶地區斜坡路基穩定分析及處治技術

吳科平，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)

1 概述

近年來，隨著交通事業的迅速發展，在公路建設中遇到了許多路基下伏巖溶的情況，如果處理不當，會嚴重影響到路基的穩定性。本文采用有限元數值方法，結合某高速公路巖溶路基基本情況，對路基的穩定性進行了計算分析，同時分析了本段路基產生垮塌的原因，提出了相應的處治措施。

2 工程概況

2.1 地層巖性特征

根據本次野外地質調查及鉆探結果，場地地層主要有第四系覆蓋層和泥盆系上統地層。現由新至老順序描述如下。

2.1.1 第四系全新統(Qh)

1)填筑土:黃褐色～紅褐色，主要成分為粉質粘土，為最近填筑的路基。

2)淤泥質土:灰黑色、灰黃色，軟塑，含有機質，層厚3～5 m。

2.1.2 第四系更新統(Qp)

粉質黏土:黃色～黃褐色，硬塑狀，土質較均勻，偶含碎石，分布在溶溝、溶槽內，多為灰巖風化物。

2.1.3 泥盆系上統錫礦山組上段(D3x2)

泥灰巖:褐黃～灰黃色，全～強風化，泥質結構，薄層狀構造。裂隙發育，巖質松軟，局部風化呈土狀。

2.1.4 泥盆系上統錫礦山組下段(D3x1)

灰巖:灰黑色，中風化，隱晶質結構，厚層狀構造。淺部巖溶發育，主要為溶蝕裂隙、溶溝、溶洞、溶蝕洼地及巖溶通道等。

2.2 水文地質

2.2.1 地表水

場地內地表水體不發育，僅在大到暴雨季節，形成地表徑流向低洼地帶排泄，而在局部路段則形成巖溶洼地積水，并通過落水洞或巖溶裂隙、溶溝、溶洞所形成巖溶通道向低洼地帶排泄。

2.2.2 地下水

測區內地下水按照地下水賦存條件及運移特征可分為孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水。

1)孔隙水:主要賦存于沖溝殘積土中，主要接受大氣降水的補給，以滲流的形式排泄于低洼處，形成間歇性潛水，水量貧乏。

2)基巖裂隙水:主要賦存于基巖風化節理裂隙中，一般水量極小，主要接受大氣降水的補給。

3)巖溶水:主要賦存于泥盆系灰巖中，通過溶溝、溶槽、溶蝕裂隙遷移，聚集于溶洞溶溝中，以巖溶下降泉的形式排出，接受大氣降水及地表水、孔隙水及基巖裂隙水的補給。

某處路段為高填方路段，路基中心填方高度24.84 m，路基左側填方高度可達40余m，設計為三級坡面，從上自下坡率分別為 1 ∶1.5、1 ∶1.75 和1∶2;目前，施工單位在路基左側已填高超過10 m。進入雨季以來，降雨增多，地下水從路基中間涌出，導致部分路段填方表層沖刷成溶溝，嚴重的路段已填路段坡腳塌陷。

3 綜合物探成果解釋與不良地質現象評價

根據物探各測線信息的綜合、篩選和歸納典型斷面圖如圖1、圖2所示，結合勘察資料和地表地質調查綜合分析，本工點工程地質情況綜述如下。

圖1 典型工程物探視電阻率斷面圖

圖2 典型工程物探解釋斷面圖

1)場地內，表層為填筑土，層厚為2～14 m。下伏基巖為泥盆系上統錫礦山組灰巖，巖溶發育，且以溶溝、溶槽、溶洞、溶蝕裂隙和巖溶通道為表現形式;局部路段，則發育巖溶洼地、落水洞等。

2)該路段為高填方路段，路基中心填方高度24.84 m，路基左側填方高度可達40余m;目前，施工單位在路基左側已填高超過10 m。據物探成果及工程地質調繪，進入6月下旬，受臺風季節的影響，降雨量大增，地表水和地下水不斷的向已填方路段低洼地帶排泄，導致了已填路段的填土趨向于飽和狀態。隨著大量地表水、地下水的滲入補給，這些地表水、地下水就會沿著相對松散的孔隙地段形成坡積泉水。隨著泉水的排泄，一是填方表層沖刷成溶溝;二是造成了已填路段坡腳的塌陷。

由于該填方段地勢低洼，再之，巖溶發育，且連通性良好，大到暴雨季節，匯水面積較大的地表水和巖溶洼地中的大量積水，通過落水洞或巖溶通道不斷地向該路段沖刷、排泄，從而嚴重的影響了填方路堤的穩定性。

4 路基穩定性分析

路基穩定性分析采用有限元強度折減法。

4.1 計算假設和簡化

1)斜坡受力和變形是平面應變問題;

2)巖體初始應力場不考慮構造應力，僅考慮其自重應力;

3)除巖土外，其余材料均考慮成彈性材料;

4)巖土介質使用六節點的平面單元PLANE42來模擬，同時打開平面應變的選項開關，以達到求解平面應變問題的目的。

4.2 材料屬性

相應材料屬性見表1。

表1 材料參數表

4.3 邊界條件及載荷

邊界條件:上部為自由邊界，左右兩側水平約束，底部固定。車輛荷載分四種基本類型:單軸單輪，單軸雙輪，雙軸雙輪和三軸雙輪，載重卡車的雙輪中心輪距變化在25～34 cm之間，輪距為165～186 cm，軸距為112～140 cm。根據我國瀝青路面設計規范中對車輛荷載的考慮方法，在有限元計算中采用單軸雙輪荷載，其具體的荷載圖式如圖3所示。輪胎接地面積采用矩形，輪胎接地壓力和接觸面積邊長如表2所示，整個作用面內載荷均勻分布。軸重級別為:100、150、200、250、300、350 kN 六種情況。

圖3 單軸雙輪荷載圖式(單位:cm)

表2 軸載級別、輪胎接地壓力與作用邊長

4.4 考慮交通荷載穩定性分析

依照表2分析，本分析采用BZZ－100標準軸載，即等效均布壓應力0.7 MPa。

由圖4可知，斜坡的應力分布整體均勻，但局部出現小面積塑性區。圖5～圖7為不同折減系數下斜坡塑性區擴展的情況，圖7對應極限狀態，說明斜坡路基的安全系數1.27，大于規范規定的斜坡安全系數(1.25)，表明在交通荷載作用下斜坡是安全的。

圖4 F=1.0塑性應變云圖

圖5 F=1.15塑性應變云圖

圖6 F=1.25塑性應變云圖

圖7 F=1.27塑性應變云圖

4.5 考慮超載的穩定性分析

依照表2分析，本分析采用BZZ—350載，即等效均布壓應力1.21 MPa。

由圖8可知，斜坡的應力分布整體均勻，但局部出現小面積塑性區。圖9～圖10為不同折減系數下斜坡塑性區擴展的情況，圖11對應極限狀態，說明斜坡路基的安全系數1.255，略大于規范規定的斜坡安全系數(1.25)，表明在交通荷載超載作用下，降低了斜坡路基穩定性。

圖8 F=1.0塑性應變云圖

圖9 F=1.15塑性應變云圖

圖10 F=1.20塑性應變云圖

圖11 F=1.255塑性應變云圖

分析表明，斜坡路基無論在標準軸載還是超載下均是安全的，但是超載顯著降低了斜坡路基的穩定性。

5 路基垮塌原因分析

從現場看，路線地貌單元屬于巖溶喀斯特地貌，測區內基巖出露良好，地表巖溶發育，巖溶形態主要為溶蝕裂隙、溶溝、溶蝕洼地及巖溶通道等。測區內地下水按照地下水賦存條件及運移特征可分為孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水。

由于場地內巖溶發育廣泛，且相互貫通性良好，本段公路路基處于山谷中，路基后部兩側山體中的水通過貫通的水路向本段路基底部匯集，最后導致了路基沖垮情況的發生。因此此處路基的處理主要以排水疏導為主。

6 處理方案

對巖溶水的處理采用的原則為:全面掌握巖溶水活動規律，包括補給、排泄、承壓等特點采取因地制宜，因勢利導的方法，處理以疏導為主。

建議采用疏導及截流方案，首先將原基底處淤泥清理，回填碎石分層壓實達到規定壓實度，回填至高出原地面高程2 m左右，設置間距3 m的橫向滲溝，溝底縱坡應大于0.5%，滲溝采用管式滲溝，滲水管采用直徑φ 10 cm央分隔帶滲溝帶孔PVC管土工布作為反濾層。滲溝上再回填1 m的碎石層，水通過滲入管道排入外側邊溝。如圖12所示。

圖12 處治方案圖

對巖溶洼地積水地段，應在路基兩側修建排水溝，給予排水治理。

經過處理后，有效地對路基巖溶水進行了截流及疏通，經一年多的觀測，路基穩定。

7 結論

本文結合某高速公路建設中遇到的巖溶路基情況，采用有限元數值方法研究了下伏巖溶路基的穩定性，得到以下結論:

1)采用有限元強度折減法對下伏巖溶斜坡路基的穩定性進行了分析，在不考慮巖溶病害影響的情況下，斜坡路基無論在標準軸載還是超載下均是安全的，但是超載顯著降低了斜坡路基的穩定性。

2)對建設中的路基垮塌原因進行了分析，本段公路路基處于山谷中，路基后部兩側山體中的水通過貫通的水路向本段路基底部匯集，最后導致了路基沖垮情況的發生。

3)本文采取的巖溶路基疏導及截流處治方案可行，有效，保證了本段路基的長期穩定性。

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