巖溶區(qū)公路路基下伏溶洞頂板安全厚度確定方法研究

巖溶區(qū)公路路基下伏溶洞頂板安全厚度確定方法研究

中國是世界上最發(fā)育的坦陀羅洲之一。如何確定溶洞頂板安全厚度是路基設(shè)計的核心問題。針對溶洞頂板安全厚度的確定,傳統(tǒng)的方法主要有厚跨比法、普氏拱法、荷載傳遞線交匯法、結(jié)構(gòu)力學近似方法等,這些方法一直是中國巖溶區(qū)路基設(shè)計的重要依據(jù),但由于方法過于粗略,作為巖溶區(qū)高等級公路路基設(shè)計判據(jù)時其缺陷性進一步暴露。數(shù)值流形方法和有限元法也是確定溶洞頂板安全厚度的重要方法,其計算結(jié)果精確,是重大工程溶洞頂板安全厚度評價的重要依據(jù),但由于其建模操作復(fù)雜,在大量工程建設(shè)中較難采用。隧道開挖對地表變形的影響可給溶洞頂板厚度的評價提供重要參考。該文在此基礎(chǔ)上利用限制位移反分析方法來確定頂板安全厚度,推導地表水平位移值和曲率值的計算公式,并通過對具體工程實例的計算,分析新方法和傳統(tǒng)方法的解答,驗證新方法的可靠性和精確性。1傳統(tǒng)研磨頭的厚度確定方法1.1壓力拱受力分析普氏理論假定巖體由于節(jié)理的切割,經(jīng)開挖后形成松散巖體,但仍具有一定的粘結(jié)力,洞室開挖后,洞頂巖體將形成一自然壓力拱,壓力拱穩(wěn)定的條件是在拱切線方向只有壓力。普氏拱法壓力拱受力分析見圖1,壓力拱跨度計算見圖2。由普氏拱平衡理論推導得:式中:fk為巖石堅固系數(shù);D1為拱跨度;θ=45°-φ/2;φ為蓋層土體的內(nèi)摩擦角。壓力拱是洞室頂部坍塌造成的,可近似認為壓力拱跨度為巖溶洞穴跨度,可得:聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3)可得:對于平面呈圓形的立方體洞室,采用普氏經(jīng)驗系數(shù)為0.828,得:由式(6)可得巖溶洞室頂板厚度最小值,即安全厚度。1.2中心傳遞線深基坑荷載傳遞線交匯法假定荷載作用在頂板中心,并按與豎直線30°~40°向下傳遞,當傳遞線在頂板與溶洞側(cè)壁交點以外時認為此時安全,否則不安全。1.3確定評價指標穩(wěn)定圍巖頂板厚度評價可采用厚跨比法,根據(jù)頂板最薄處的厚度H和頂板的水平投影跨度L求出跨厚比H/L,作為評價指標。該評價方法不考慮荷載大小和性質(zhì),也不考慮頂板形態(tài)。根據(jù)經(jīng)驗,當跨厚比H/L≥0.5時是安全的,取跨厚比H/L≥1.0為安全界限。該方法計算簡便,但由于考慮因素較少,較為粗略估算時可以采用。1.4安全厚度的估算(1)按梁板模型抗剪強度估算安全厚度。當溶洞洞室較小、頂板較厚較完整、剪力起控制作用時,有極限平衡條件為q=T,T=τhL,得到h=q/(Lτ),其中L為洞室平面四邊之和,τ為巖石允許抗壓強度的1/12。(2)按梁板抗彎強度估算安全厚度。當厚跨比較小時,彎矩起控制作用,由抗彎計算公式可以得到溶洞頂板的安全厚度,其中M=ue014qL2。2單元體開挖對地表變形和位移的影響針對隧道施工開挖引起地表位移和變形的問題,陽軍生、劉寶琛首先推導了單元體開挖對地表位移和變形的影響,進而利用概率理論對隧道進行積分計算,得到隧道開挖對地表的影響。在此基礎(chǔ)上利用地表控制位移來反分析溶洞頂板所需的最小安全厚度。2.1單元體結(jié)構(gòu)缺陷計算從統(tǒng)計的觀點來看,溶洞的塌陷可以看成無數(shù)單元體的塌陷,分析每一個單元塌陷對地表的影響,然后把每個單元體影響疊加即為整個溶洞塌陷對地表的影響。如圖3所示,設(shè)距離地面一定深度位置有一溶洞,溶洞頂板距離地面為h(即溶洞頂板厚度)。由文獻可知,在單元體塌陷情況下得到地表最大下沉值和水平位移值為:式中:r(z)=z/tanβ;β為地層主要影響角,tanβ取決于開挖所處的地層條件,對于地表,主要影響范圍r(H)=H/tanβ。當溶洞塌陷后,即溶洞內(nèi)每個單元都發(fā)生塌陷,對溶洞范圍內(nèi)單元體進行積分。地表最大曲率值為:地表最大水平位移值為:地表下沉值直接求解較困難,由文獻可知,地表反彎點下沉值約為地表最大下沉值的0.63倍,地表反彎點下沉值為:由于實際工程中溶洞內(nèi)有充填物及巖石具有碎脹性,實際地表的位移將變小,引入調(diào)整系數(shù)α,則式(9)~(11)分別調(diào)整為:由此可得溶洞塌陷后地表垂直變形Ez(x,z)和水平變形Ex(x,z)為:對于地表,只需將z=0代入即可求解。同樣,曲率變形也可對其中變量求解得到變形的表達式,地表的位移和變形即可完全求解。2.2地表變形影響巖溶區(qū)溶洞塌陷可考慮為溶洞內(nèi)各個單元塌陷的集合,根據(jù)各個單元塌陷對地表的變形影響,可綜合考慮整體溶洞引起的地表變形。如果能應(yīng)用測量手段或概率評估手段得到地表工程建筑物或構(gòu)筑物的地表限制變形,即可反分析得到溶洞塌陷引起的破壞延伸高度,從而得到溶洞頂板的安全厚度。精確地測量評估地表限制變形較困難,采礦工業(yè)通過大量的工程實踐積累了地表限制變形和采空區(qū)頂板厚度的關(guān)系。蘇聯(lián)專家葉爾馬可夫在對煤礦進行細致分析的基礎(chǔ)上,建立了不同保護等級的建筑物地表限制變形。后來波蘭學者在葉爾馬可夫標準的基礎(chǔ)上提出了自己的標準,即把安全等級分為四級(見表1):一級為可靠地表,地表不會出現(xiàn)破壞;二級為安全地表;三級為基本安全地表;四級為不安全地表。對于高等級公路路基,按照第三級進行限制,先確定高等級公路的破壞判據(jù),再根據(jù)破壞判據(jù)確定溶洞塌陷向上的傳遞高度,此即為溶洞頂板的最小安全厚度。廣西玉林某一級公路經(jīng)過巖溶區(qū),地質(zhì)勘探資料顯示該公路多處下伏溶洞。下面選取其中一合同段路基下伏溶洞進行計算分析,得到溶洞頂板的最小安全厚度,評價其對路基可靠性的影響。資料顯示該地區(qū)上覆土層厚度為4.8~6.0m,該土層為第四系粉質(zhì)黏土,下伏基巖為弱風化石灰?guī)r,巖溶發(fā)育強烈,已勘探出地面以下24.8m處有一溶洞,洞室高2.9m,形狀接近圓形,直徑約為勘探處洞室高度,溶洞頂板厚度為0.4m,洞室內(nèi)填充部分雜填土。由于該地區(qū)沒有建立配套變形監(jiān)測機構(gòu),根據(jù)周圍礦山的變形監(jiān)測資料,結(jié)合工程經(jīng)驗,取定tanβ=1.7。計算結(jié)果表明,溶洞正上方位置的下沉量最大,下沉值為120mm,影響半徑約為18.1m,地表的最大水平位移發(fā)生在距離洞室中心線兩側(cè)約8m位置,最大水平變形值為4.8mm/m,地表的最大曲率發(fā)生在洞室正上方,最大曲率值為102m-1,溶洞的最小安全厚度為0.28m。對照表1可知,該高等級公路路基的溶洞頂板安全厚度達到要求,地表變形和位移符合