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摘 要:由于岩溶的作用,岩溶山区地区高速公路路基下常存在隐伏空洞,在强降雨作用下常产生公路病害。本文从强降雨软化作用机理出发,结合水南高速公路巨厚层灰岩地段工程实例,分析了不同降雨强度作用下,不同尺寸、形状及深度的溶洞对路基稳定性的影响,为相似地区公路工程的设计和安全运营提供一定的借鉴。
关健词:岩溶;隐伏空洞;高速公路;降雨强度
0引言
考虑耕地和环境的影响,岩溶山区修建高速公路时,高速公路选线中需要穿越岩溶发育的山体或者对山体进行放坡。因此,高速公路的路基下可能会存在隐伏的空洞。在设计的过程中,如果不考虑隐伏空洞的影响,在高速公路运营过程中容易产生严重的病害,甚至导致重大交通事故的发生。对穿越山体的高速公路路基来说,强降雨不会产生太大的影响,但是对修建在岩溶山体边坡上的路基,下伏空洞将会由于强降雨的作用对路基产生严重的影响。因此,本文结合工程实例,利用有限元程序分析强降雨作用下对岩溶山区高速公路路基下隐伏空洞的影响,将会对公路的设计和安全运营提供一定的借鉴。
1、强降雨软化作用机理
降雨后,地下水位升高,水力坡度增大,造成渗透压力的改变,同时土体浸湿软化,导致路基稳定性降低。土体吸水软化主要包括土体的强度软化和应变软化两个方面[1-2]。
1.1 强度软化
早在20世纪60年代,Bishop就提出了非饱和土强度表达式:
(1)
式中: 、 为饱和土的强度参数有效凝聚力和有效内摩擦角; 为破坏时在破坏面上的净法向应力;
为破坏时在破坏面上的基质吸力; 为经验系数,与饱和度、应力路径及土的类型有关。
式(1)并未在理论上加以证明, 值确定也很困难,因此在实际应力中较少。
Fredlund提出另一个抗剪强度公式(2):
(2)
式中: 为随基质吸力变化的内摩擦角,其余同式(1)。
由式(2)可以看出,非饱和土的抗剪强度除了与 、 及破坏面上的净法向应力有关外,还与破坏面上的基质吸力
有关。式(2)改写为:
(3)
式中: 是与非饱和土基质吸力直接相关的抗剪强度,称为基质吸力附加强度。
(4)
由式(1)～(4)可知,非饱和土体随降雨入渗水量的增加, 、 、 和 大幅降低,导致边坡非饱和带土体的抗剪强度软化,从而容易发生滑坡[3-7]。
1.2应变软化
对于渐进性破坏的边坡,路基随着沉陷变形的发展,具有应变软化特性,表现为应变在增长但强度降低。在路基完全破坏发生之前,随体积含水量增加和变形增长,土体的结构性强度(颗粒间的凝聚力)逐渐丧失。
2、水南高速公路巨厚层灰岩地段降雨影响分析
2.1数值模型及岩土体力学参数
考虑不同大小和形状的溶洞进行分析,共设计了三种工况的模型,一种是半径为2米的圆形溶洞,一种是半径为3米的圆形溶洞,一种是短半轴2米、长半轴为3米的椭圆形溶洞,如图1～图3所示,巨厚层灰岩的物理力学参数如表1。
2.2降雨边界条件及其工况分析
分析水南高速公路巨厚层灰岩地段降雨入渗对路基的稳定性影响,降雨分析计算边界条件定义,当降雨强度大于体渗透系数时,采用定水头边界条件,反之采用定流量边界条件;模型左右和底部边界属于不透水边界,溶洞周边界为透水边界;考虑三种降雨强度100mm/d、150mm/d和200mm/d;降雨滑坡理论模型采用考虑非饱和土渗透系数空间变化特性的降雨入渗模型,利用flac3D软件分析流固耦合作用下对不同形状、大小和深度的潜伏溶洞对路基稳定性的影响。
根据降雨强度的不同,共分为三个工况:100mm/d、150mm/d和200mm/d;每种工况中设计半径2m的溶洞、半径3m的圆形溶洞和短半轴为2m、长半轴为3m的椭圆形溶洞三种情况,每种溶洞上覆灰岩层厚度分别取为2m、4m、6m、8m、10m、12m、14m、16m和18m九种情况。
2.3计算结果及分析
为分析降雨作用下隐伏岩溶对水南高速公路路基的稳定性影响,比较上述三种模型未降雨作用下自重时和降雨作用工况下关键点的位移如图4所示,通过位移比较曲线,揭示降雨强度的影响;同时分析溶洞的形状和深度对路基稳定性的影响。
由图5-图7中的深度与顶拱关键点位移曲线可知:
(1)不管溶洞的形状如何,当降雨强度为100mm/d时,相同深度下的溶洞的关键点的位移的绝对值都比未降雨时的关键点的位移绝对值,而且随着深度的增加,降雨时关键点的竖向位移的绝对值与未降雨时的关键点的竖向位移绝对值之差逐渐增大,说明降雨入渗使得土体的强度软化;
(2)当降雨强度为150mm/d和200mm/d时,半径为2m的圆形溶洞的在2m深度时,顶拱的竖向位移为正值,其它深度时,顶拱的竖向位移与未降雨时基本相同;而底拱的竖向位移除2m深度时绝对值大于未降雨时位移,而其它深度时的竖向位移的绝对值都小于未降雨时竖向位移的绝对值;这说明在该降雨强度下,随着深度的增加,降雨入渗对土体强度软化效应逐渐减弱,而降雨入渗使得潜伏溶洞上覆岩层饱和而减轻上覆岩层的荷载的作用逐渐显现出来。
(3)半径3m的圆形溶洞在2m深度时顶拱竖向位移为正值,底拱竖向位移的绝对值基本上都小于未降雨底拱竖向位移的绝对值;而随着深度的增加顶拱的竖向位移绝对值与未降雨顶拱位移绝对值之差由大逐渐减小,并趋于负值;这说明随着深度的增加,降雨入渗弱化土体强度对路基稳定性的影响逐渐减弱。
(4)当潜伏溶洞为椭圆形状时,顶拱竖向位移与未降雨情况下顶拱竖向位移同向,但绝对值小于未降雨情况的值,而且随着深度的增加,两者绝对值之差出现先增大而后逐渐减小的趋势;而底拱的竖向位移表明,当深度小于等于4m时,降雨的影响逐渐增大,而当深度大于等于6m时,降雨的影响逐渐减弱;这说明潜伏椭圆形溶洞在深度4-6m之间时,路基的稳定性受降雨的影响最大。
3、小结
(1)路基下存在潜伏溶洞时,在强降雨作用下,由于降雨入渗使得土体的强度软化,从而在运营期间容易出现路基沉陷等病害。
(2)不同降雨强度下,不同尺寸和不同形状的溶洞对路基稳定性的影响不同。对于潜伏椭圆形溶洞,在深度4-6m之间时,路基的稳定性受降雨的影响最大。
参考文献:
[1]王继华.降雨入渗条件下边坡水土作用机理及其稳定性分析与预测预报研究[D].长沙:中南大学,2006.
[2]陈守义.考虑入渗和蒸发影响的边坡稳定性分析方法[J].岩土力学,1997,18(2):8-12.
[3]Sun Y N. A Study on stability analysis of shallow layer slope due to raining permeation[J]. Unsaturated Soils,1995(1):315-320.
[4]Ng C W, Shi Q. A numerical investigation of stability of unsaturated soil slopes subjected to transient seepage[J].Computers and Geotechnics.1998, 22(1):1-28.
[5]吴宏伟,陈守义,庞宇威.雨水入渗对非饱和边坡稳定性影响的参数研究[J].岩土力学,1999,20(1):1-14.
[6]陈善雄,陈守义.考虑降雨的非饱和边坡稳定性分析方法[J].岩土力学,2001,22(4):447-450.
[7]黄润秋,戚国庆.非饱和渗流基质吸力对边坡稳定性的影响[J].工程地质学报,2002,10(4):343-348.
关健词:岩溶;隐伏空洞;高速公路;降雨强度
0引言
考虑耕地和环境的影响,岩溶山区修建高速公路时,高速公路选线中需要穿越岩溶发育的山体或者对山体进行放坡。因此,高速公路的路基下可能会存在隐伏的空洞。在设计的过程中,如果不考虑隐伏空洞的影响,在高速公路运营过程中容易产生严重的病害,甚至导致重大交通事故的发生。对穿越山体的高速公路路基来说,强降雨不会产生太大的影响,但是对修建在岩溶山体边坡上的路基,下伏空洞将会由于强降雨的作用对路基产生严重的影响。因此,本文结合工程实例,利用有限元程序分析强降雨作用下对岩溶山区高速公路路基下隐伏空洞的影响,将会对公路的设计和安全运营提供一定的借鉴。
1、强降雨软化作用机理
降雨后,地下水位升高,水力坡度增大,造成渗透压力的改变,同时土体浸湿软化,导致路基稳定性降低。土体吸水软化主要包括土体的强度软化和应变软化两个方面[1-2]。
1.1 强度软化
早在20世纪60年代,Bishop就提出了非饱和土强度表达式:
(1)
式中: 、 为饱和土的强度参数有效凝聚力和有效内摩擦角; 为破坏时在破坏面上的净法向应力;
为破坏时在破坏面上的基质吸力; 为经验系数,与饱和度、应力路径及土的类型有关。
式(1)并未在理论上加以证明, 值确定也很困难,因此在实际应力中较少。
Fredlund提出另一个抗剪强度公式(2):
(2)
式中: 为随基质吸力变化的内摩擦角,其余同式(1)。
由式(2)可以看出,非饱和土的抗剪强度除了与 、 及破坏面上的净法向应力有关外,还与破坏面上的基质吸力
有关。式(2)改写为:
(3)
式中: 是与非饱和土基质吸力直接相关的抗剪强度,称为基质吸力附加强度。
(4)
由式(1)～(4)可知,非饱和土体随降雨入渗水量的增加, 、 、 和 大幅降低,导致边坡非饱和带土体的抗剪强度软化,从而容易发生滑坡[3-7]。
1.2应变软化
对于渐进性破坏的边坡,路基随着沉陷变形的发展,具有应变软化特性,表现为应变在增长但强度降低。在路基完全破坏发生之前,随体积含水量增加和变形增长,土体的结构性强度(颗粒间的凝聚力)逐渐丧失。
2、水南高速公路巨厚层灰岩地段降雨影响分析
2.1数值模型及岩土体力学参数
考虑不同大小和形状的溶洞进行分析,共设计了三种工况的模型,一种是半径为2米的圆形溶洞,一种是半径为3米的圆形溶洞,一种是短半轴2米、长半轴为3米的椭圆形溶洞,如图1～图3所示,巨厚层灰岩的物理力学参数如表1。
2.2降雨边界条件及其工况分析
分析水南高速公路巨厚层灰岩地段降雨入渗对路基的稳定性影响,降雨分析计算边界条件定义,当降雨强度大于体渗透系数时,采用定水头边界条件,反之采用定流量边界条件;模型左右和底部边界属于不透水边界,溶洞周边界为透水边界;考虑三种降雨强度100mm/d、150mm/d和200mm/d;降雨滑坡理论模型采用考虑非饱和土渗透系数空间变化特性的降雨入渗模型,利用flac3D软件分析流固耦合作用下对不同形状、大小和深度的潜伏溶洞对路基稳定性的影响。
根据降雨强度的不同,共分为三个工况:100mm/d、150mm/d和200mm/d;每种工况中设计半径2m的溶洞、半径3m的圆形溶洞和短半轴为2m、长半轴为3m的椭圆形溶洞三种情况,每种溶洞上覆灰岩层厚度分别取为2m、4m、6m、8m、10m、12m、14m、16m和18m九种情况。
2.3计算结果及分析
为分析降雨作用下隐伏岩溶对水南高速公路路基的稳定性影响,比较上述三种模型未降雨作用下自重时和降雨作用工况下关键点的位移如图4所示,通过位移比较曲线,揭示降雨强度的影响;同时分析溶洞的形状和深度对路基稳定性的影响。
由图5-图7中的深度与顶拱关键点位移曲线可知:
(1)不管溶洞的形状如何,当降雨强度为100mm/d时,相同深度下的溶洞的关键点的位移的绝对值都比未降雨时的关键点的位移绝对值,而且随着深度的增加,降雨时关键点的竖向位移的绝对值与未降雨时的关键点的竖向位移绝对值之差逐渐增大,说明降雨入渗使得土体的强度软化;
(2)当降雨强度为150mm/d和200mm/d时,半径为2m的圆形溶洞的在2m深度时,顶拱的竖向位移为正值,其它深度时,顶拱的竖向位移与未降雨时基本相同;而底拱的竖向位移除2m深度时绝对值大于未降雨时位移,而其它深度时的竖向位移的绝对值都小于未降雨时竖向位移的绝对值;这说明在该降雨强度下,随着深度的增加,降雨入渗对土体强度软化效应逐渐减弱,而降雨入渗使得潜伏溶洞上覆岩层饱和而减轻上覆岩层的荷载的作用逐渐显现出来。
(3)半径3m的圆形溶洞在2m深度时顶拱竖向位移为正值,底拱竖向位移的绝对值基本上都小于未降雨底拱竖向位移的绝对值;而随着深度的增加顶拱的竖向位移绝对值与未降雨顶拱位移绝对值之差由大逐渐减小,并趋于负值;这说明随着深度的增加,降雨入渗弱化土体强度对路基稳定性的影响逐渐减弱。
(4)当潜伏溶洞为椭圆形状时,顶拱竖向位移与未降雨情况下顶拱竖向位移同向,但绝对值小于未降雨情况的值,而且随着深度的增加,两者绝对值之差出现先增大而后逐渐减小的趋势;而底拱的竖向位移表明,当深度小于等于4m时,降雨的影响逐渐增大,而当深度大于等于6m时,降雨的影响逐渐减弱;这说明潜伏椭圆形溶洞在深度4-6m之间时,路基的稳定性受降雨的影响最大。
3、小结
(1)路基下存在潜伏溶洞时,在强降雨作用下,由于降雨入渗使得土体的强度软化,从而在运营期间容易出现路基沉陷等病害。
(2)不同降雨强度下,不同尺寸和不同形状的溶洞对路基稳定性的影响不同。对于潜伏椭圆形溶洞,在深度4-6m之间时,路基的稳定性受降雨的影响最大。
参考文献:
[1]王继华.降雨入渗条件下边坡水土作用机理及其稳定性分析与预测预报研究[D].长沙:中南大学,2006.
[2]陈守义.考虑入渗和蒸发影响的边坡稳定性分析方法[J].岩土力学,1997,18(2):8-12.
[3]Sun Y N. A Study on stability analysis of shallow layer slope due to raining permeation[J]. Unsaturated Soils,1995(1):315-320.
[4]Ng C W, Shi Q. A numerical investigation of stability of unsaturated soil slopes subjected to transient seepage[J].Computers and Geotechnics.1998, 22(1):1-28.
[5]吴宏伟,陈守义,庞宇威.雨水入渗对非饱和边坡稳定性影响的参数研究[J].岩土力学,1999,20(1):1-14.
[6]陈善雄,陈守义.考虑降雨的非饱和边坡稳定性分析方法[J].岩土力学,2001,22(4):447-450.
[7]黄润秋,戚国庆.非饱和渗流基质吸力对边坡稳定性的影响[J].工程地质学报,2002,10(4):343-348.