岩溶地区斜坡路基稳定分析及处治技术

吴科平，龙劭一

(湖南省娄新高速公路建设开发有限公司，湖南娄底 417000)

1 概述

近年来，随着交通事业的迅速发展，在公路建设中遇到了许多路基下伏岩溶的情况，如果处理不当，会严重影响到路基的稳定性。本文采用有限元数值方法，结合某高速公路岩溶路基基本情况，对路基的稳定性进行了计算分析，同时分析了本段路基产生垮塌的原因，提出了相应的处治措施。

2 工程概况

2.1 地层岩性特征

根据本次野外地质调查及钻探结果，场地地层主要有第四系覆盖层和泥盆系上统地层。现由新至老顺序描述如下。

2.1.1 第四系全新统(Qh)

1)填筑土:黄褐色～红褐色，主要成分为粉质粘土，为最近填筑的路基。

2)淤泥质土:灰黑色、灰黄色，软塑，含有机质，层厚3～5 m。

2.1.2 第四系更新统(Qp)

粉质黏土:黄色～黄褐色，硬塑状，土质较均匀，偶含碎石，分布在溶沟、溶槽内，多为灰岩风化物。

2.1.3 泥盆系上统锡矿山组上段(D3x2)

泥灰岩:褐黄～灰黄色，全～强风化，泥质结构，薄层状构造。裂隙发育，岩质松软，局部风化呈土状。

2.1.4 泥盆系上统锡矿山组下段(D3x1)

灰岩:灰黑色，中风化，隐晶质结构，厚层状构造。浅部岩溶发育，主要为溶蚀裂隙、溶沟、溶洞、溶蚀洼地及岩溶通道等。

2.2 水文地质

2.2.1 地表水

场地内地表水体不发育，仅在大到暴雨季节，形成地表径流向低洼地带排泄，而在局部路段则形成岩溶洼地积水，并通过落水洞或岩溶裂隙、溶沟、溶洞所形成岩溶通道向低洼地带排泄。

2.2.2 地下水

测区内地下水按照地下水赋存条件及运移特征可分为孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水。

1)孔隙水:主要赋存于冲沟残积土中，主要接受大气降水的补给，以渗流的形式排泄于低洼处，形成间歇性潜水，水量贫乏。

2)基岩裂隙水:主要赋存于基岩风化节理裂隙中，一般水量极小，主要接受大气降水的补给。

3)岩溶水:主要赋存于泥盆系灰岩中，通过溶沟、溶槽、溶蚀裂隙迁移，聚集于溶洞溶沟中，以岩溶下降泉的形式排出，接受大气降水及地表水、孔隙水及基岩裂隙水的补给。

某处路段为高填方路段，路基中心填方高度24.84 m，路基左侧填方高度可达40余m，设计为三级坡面，从上自下坡率分别为 1 ∶1.5、1 ∶1.75 和1∶2;目前，施工单位在路基左侧已填高超过10 m。进入雨季以来，降雨增多，地下水从路基中间涌出，导致部分路段填方表层冲刷成溶沟，严重的路段已填路段坡脚塌陷。

3 综合物探成果解释与不良地质现象评价

根据物探各测线信息的综合、筛选和归纳典型断面图如图1、图2所示，结合勘察资料和地表地质调查综合分析，本工点工程地质情况综述如下。

图1 典型工程物探视电阻率断面图

图2 典型工程物探解释断面图

1)场地内，表层为填筑土，层厚为2～14 m。下伏基岩为泥盆系上统锡矿山组灰岩，岩溶发育，且以溶沟、溶槽、溶洞、溶蚀裂隙和岩溶通道为表现形式;局部路段，则发育岩溶洼地、落水洞等。

2)该路段为高填方路段，路基中心填方高度24.84 m，路基左侧填方高度可达40余m;目前，施工单位在路基左侧已填高超过10 m。据物探成果及工程地质调绘，进入6月下旬，受台风季节的影响，降雨量大增，地表水和地下水不断的向已填方路段低洼地带排泄，导致了已填路段的填土趋向于饱和状态。随着大量地表水、地下水的渗入补给，这些地表水、地下水就会沿着相对松散的孔隙地段形成坡积泉水。随着泉水的排泄，一是填方表层冲刷成溶沟;二是造成了已填路段坡脚的塌陷。

由于该填方段地势低洼，再之，岩溶发育，且连通性良好，大到暴雨季节，汇水面积较大的地表水和岩溶洼地中的大量积水，通过落水洞或岩溶通道不断地向该路段冲刷、排泄，从而严重的影响了填方路堤的稳定性。

4 路基稳定性分析

路基稳定性分析采用有限元强度折减法。

4.1 计算假设和简化

1)斜坡受力和变形是平面应变问题;

2)岩体初始应力场不考虑构造应力，仅考虑其自重应力;

3)除岩土外，其余材料均考虑成弹性材料;

4)岩土介质使用六节点的平面单元PLANE42来模拟，同时打开平面应变的选项开关，以达到求解平面应变问题的目的。

4.2 材料属性

相应材料属性见表1。

表1 材料参数表

4.3 边界条件及载荷

边界条件:上部为自由边界，左右两侧水平约束，底部固定。车辆荷载分四种基本类型:单轴单轮，单轴双轮，双轴双轮和三轴双轮，载重卡车的双轮中心轮距变化在25～34 cm之间，轮距为165～186 cm，轴距为112～140 cm。根据我国沥青路面设计规范中对车辆荷载的考虑方法，在有限元计算中采用单轴双轮荷载，其具体的荷载图式如图3所示。轮胎接地面积采用矩形，轮胎接地压力和接触面积边长如表2所示，整个作用面内载荷均匀分布。轴重级别为:100、150、200、250、300、350 kN 六种情况。

图3 单轴双轮荷载图式(单位:cm)

表2 轴载级别、轮胎接地压力与作用边长

4.4 考虑交通荷载稳定性分析

依照表2分析，本分析采用BZZ－100标准轴载，即等效均布压应力0.7 MPa。

由图4可知，斜坡的应力分布整体均匀，但局部出现小面积塑性区。图5～图7为不同折减系数下斜坡塑性区扩展的情况，图7对应极限状态，说明斜坡路基的安全系数1.27，大于规范规定的斜坡安全系数(1.25)，表明在交通荷载作用下斜坡是安全的。

图4 F=1.0塑性应变云图

图5 F=1.15塑性应变云图

图6 F=1.25塑性应变云图

图7 F=1.27塑性应变云图

4.5 考虑超载的稳定性分析

依照表2分析，本分析采用BZZ—350载，即等效均布压应力1.21 MPa。

由图8可知，斜坡的应力分布整体均匀，但局部出现小面积塑性区。图9～图10为不同折减系数下斜坡塑性区扩展的情况，图11对应极限状态，说明斜坡路基的安全系数1.255，略大于规范规定的斜坡安全系数(1.25)，表明在交通荷载超载作用下，降低了斜坡路基稳定性。

图8 F=1.0塑性应变云图

图9 F=1.15塑性应变云图

图10 F=1.20塑性应变云图

图11 F=1.255塑性应变云图

分析表明，斜坡路基无论在标准轴载还是超载下均是安全的，但是超载显著降低了斜坡路基的稳定性。

5 路基垮塌原因分析

从现场看，路线地貌单元属于岩溶喀斯特地貌，测区内基岩出露良好，地表岩溶发育，岩溶形态主要为溶蚀裂隙、溶沟、溶蚀洼地及岩溶通道等。测区内地下水按照地下水赋存条件及运移特征可分为孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水。

由于场地内岩溶发育广泛，且相互贯通性良好，本段公路路基处于山谷中，路基后部两侧山体中的水通过贯通的水路向本段路基底部汇集，最后导致了路基冲垮情况的发生。因此此处路基的处理主要以排水疏导为主。

6 处理方案

对岩溶水的处理采用的原则为:全面掌握岩溶水活动规律，包括补给、排泄、承压等特点采取因地制宜，因势利导的方法，处理以疏导为主。

建议采用疏导及截流方案，首先将原基底处淤泥清理，回填碎石分层压实达到规定压实度，回填至高出原地面高程2 m左右，设置间距3 m的横向渗沟，沟底纵坡应大于0.5%，渗沟采用管式渗沟，渗水管采用直径φ 10 cm央分隔带渗沟带孔PVC管土工布作为反滤层。渗沟上再回填1 m的碎石层，水通过渗入管道排入外侧边沟。如图12所示。

图12 处治方案图

对岩溶洼地积水地段，应在路基两侧修建排水沟，给予排水治理。

经过处理后，有效地对路基岩溶水进行了截流及疏通，经一年多的观测，路基稳定。

7 结论

本文结合某高速公路建设中遇到的岩溶路基情况，采用有限元数值方法研究了下伏岩溶路基的稳定性，得到以下结论:

1)采用有限元强度折减法对下伏岩溶斜坡路基的稳定性进行了分析，在不考虑岩溶病害影响的情况下，斜坡路基无论在标准轴载还是超载下均是安全的，但是超载显著降低了斜坡路基的稳定性。

2)对建设中的路基垮塌原因进行了分析，本段公路路基处于山谷中，路基后部两侧山体中的水通过贯通的水路向本段路基底部汇集，最后导致了路基冲垮情况的发生。

3)本文采取的岩溶路基疏导及截流处治方案可行，有效，保证了本段路基的长期稳定性。

［1］周 文.基于随机介质理论的岩溶路基安全风险评估研究［J］.公路工程，2009(4).

［2］树文新，邹国庆，刘旦良.基于模糊综合评价的土洞处理方案优选［J］.公路工程，2010(2).

［3］丁 峰.高速公路岩溶路基处治方案探讨［J］.公路交通科技(应用技术版)，2010(3).

［4］袁腾方，曹文贵，赵明华，等.岩溶区高速公路路基下岩溶顶板稳定性的模糊评价方法［J］.中南公路工程，2003(1).

［5］袁红庆，王再喜，汪海生，等.高速公路岩溶路基处理措施研究［J］.华东交通大学学报，2007(2).

［6］肖剑秋，乔世范.娄新高速公路下伏岩溶塌陷与路基相互作用及治理措施［J］.铁道科学与工程学报，2009(6).

［7］李毅军.常张高速公路岩溶路基稳定性评价及其处理方法［J］.湖南交通科技，2005(4).

［8］赵显鹏，刘运清，周向农，等.岩溶地区路基土洞成因及处理措施［J］.交通科技，2004(5).

［9］刁心宏，刘 峰，龚葛萍，等.高速公路路基下采空区稳定性评估与治理措施［J］.华东交通大学学报，2006(2).

［10］树文新，邹国庆，刘正兴.道贺高速公路岩溶路基病害及处治［J］.湖南交通科技，2010(1).

［11］陈勇鸿，陈 志.高速公路路基岩溶顶板安全厚度确定方法［J］.公路工程，2009，34(3):6 －10.

［12］胡柏学，袁铜森，杨春林，等.静载试验与自平衡法在岩溶地区应用对比分析［J］.公路工程，2009，34(5):1 －4.

［13］蒋 峰.高陡路堑边坡稳定性的有限元数值模拟分析［J］.公路工程，2010，35(4):160 －162.

［14］孟 炜，何 翔.基于改进遗传算法的公路边坡稳定性分析方法［J］.公路工程，2008，33(1):81 －85.

［15］喻 波，黄政宇.基于ANSYS的ABAQUS强度折减边坡稳定性分析［J］.公路工程，2008，33(2):47 －50.

［16］方 涛，李跃军.土质斜坡路基上填方路堤稳定性分析研究［J］.公路工程，2008，33(3):120 －124.

［17］蒋 冲，赵明华，胡柏学，等.路基溶洞顶板稳定性影响因素分析［J］.公路工程，2009，34(1):5 －9.

［18］靳战峰，李 江，孙立军.稳定性交通参数检验方法研究［J］.公路工程，2009，34(1):38 －41.

［19］欧小祥，韩红桂，贺 威.某高速公路边坡稳定性评价［J］.公路工程，2009，34(1):120 －124.

［20］方 涛.溶洞路基稳定性分析研究［J］.公路工程，2009，34(2):147－152.

［21］魏 斌，朱自强.岩质边坡滑带参数取值方法和稳定性分析［J］.公路工程，2009，34(3):123 －126.