（市政工程专业论文）纳黔路岩溶区路基稳定及防治技术研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 奉入郑匿声明：所量变f i ，j 学f 论艾，是本人在导师的指导卜，独一、z 进行研究 ：j - ：作所取得的成果。除文中已经沿：l j 月引用的内容外，本论文不包含仟何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者躲澎0 隅川f 年午月t sf t 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被龟阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复鞯0 手段保存和汇编本学位论文。例时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数掘库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，刚时本人保留 存其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者虢谚旁己 i - t 期：2 护年4 - 月r 8 同 指导教! j f j 签名： 同期：，午v 月廖同 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数捌库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数扼库出版章程规 定享受相关权益。 筹蔷? ；：签耄：丫可扩i - ， ri n，r ， 一， y1 广1 朋：fi畔：y月 1 摘要 中国西部多数狄岩地区岩溶较为发育，地质条件复杂，在此建设高速公路会 遇到一系列工程技术问题，其中岩溶路基稳定是岩溶区公路建设中一个重要工程 问题。在参考国内外文献资料的基础上，本论文以四川省交通科技项目“岩溶地 区路基病害防治及桥隧修筑系列技术”为依托，以纳黔路岩溶区路基下隐伏溶洞 为工程背景，通过现场的物探查明溶洞的形状以及岩溶发育分布规律，采用理论 分析和数值模拟对岩溶路基的稳定性及溶洞顶板安全厚跨比值进行了研究。 本文采用外业调查、物探、室内外试验、理论分析、数值模拟和工程示范等 方法，主要丌展了以下工作： 岩溶区现场的调查，以查明区内水系及纳黔路路基岩溶发育情况。 现场采用地质雷达法和高密度电法对溶洞进行探测，地质雷达主要采用 4 0 m t t z 和1 0 0 m t t z 天线探测，高密度电法采用温纳、施贝电极排列法探测，经探测， 发现在k 2 1 段，k 4 5 段岩溶较发育，会对填筑路基产生影响。 通过室内试验并参考地勘资料中的灰岩实验数据，采用数值模拟软件 f l a c 一3 d 建立三维路基模型，分析溶洞顶板厚跨比值与岩溶路基稳定的关系。 通过研究取得了以下进展： 高密度电法和地质雷达探测溶洞的效果良好，但各自有其优缺点。高密度 电法分辨率低，不能反映溶洞内充填物的分层情况和小体积溶洞，但其探测深度 大、面积广；而地质雷达分辨率高，可反映溶洞内部充填物分层情况和小体积溶 洞，但其有效的探测深度仅为1 5 米。二者配合使用，可较有效地探测路基岩溶的 位置、规模及形态特征。 在纳黔路岩溶区，直接在灰岩顶板上铺筑路面，且满足以下条件时：1 ) 灰 岩弱风化、裂隙中等发育，2 ) 四车道的高速公路，3 ) 汽车荷载等级为公路一i 级，4 ) 取汽车的冲击系数为1 2 ，车道折减系数为0 6 7 ；通过数值模拟软件f l a c 一3 d 的分析知：a 路基溶洞顶板厚跨比值小于0 6 时，应采取适当的防治路基塌陷及 处置溶洞的措施；路基溶洞顶板厚跨比值大于0 6 时，岩溶路基是稳定的。b 在 相同的溶洞形状和狄岩条件下，对路基稳定性构成威胁最大的是溶洞位于路基中 部，其次是溶洞位于路基右侧( 或左侧) 底下，威胁最小的则是溶洞位于路基坡 脚。 在纳黔路岩溶填筑路基，当所采用的填料为土石混合料，且考虑汽车荷载 时，通过数值模拟软件f l a c 一3 d 的分析知：在0 至4 米的填筑高度内，随着路基 填筑高度的增加，溶洞顶板的安全厚跨比值也随之增加；过了4 米后，随着填筑 一 高度的继续增加，溶洞顶板的安全厚跨值反而下降，而当路堤填筑高度超过1 7 米 时，溶洞顶板的安全厚跨比值变化很小，其值约为0 5 4 。 最后，将研究成果应用到纳黔路k 4 5 段深路钷和黑尼大桥变更为路基的工程 中，对这两个工程的修筑提出指导性建议，保证了工程设计和实施的可靠。 关键词：岩溶区；填方路基；稳定性；厚跨比值；填筑高度 a bs t r a c t m o s to ft h el i m e s t o n ea r e ai nw e s t e r nc h i n ai sm o r ed e v e l o p e dk a r s ta n dc o m p l e x g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s i nt h ec o n s t r u c t i o no fe x p r e s s w a yi n t h i sa r e a sw i l le n c o u n t e ra s e r i e so f e n g i n e e r i n gp r o b l e m s n es t a b i l i t yo fk a r s t s u b g r a d e i sai m p o r t a n t e n g i n e e r i n gp r o b l e mi nk a r s ta r e a s c o n s u l t i n gt h ei n t e r n a la n do v e r s e a sl i t e r a t u r e ，f i r s t l y , t h i sp a p e rt os i c h u a nt r a f f i ct e c h n o l o g y p r o j e c t “k a r s ta r e ao fs u b g r a d ed i s e a s e p r e v e n t i o na n db u i l tb r i d g ea n dt u n n e lr e l y i n go nt e c h n o l o g y ”a st h eb a s i s ，t h e nu s e n a q i a ne x p r e s s d w a yi nw h i c ht h e r ea r eh i d d e nk a r s tc a v e su n d e rt h es u b g r a d ea s e n g i n e e r i n gb a c k r o u n d ，s e c o n d l y , t h r o u g ht h es p o td e t e c t i o nt ou n d e r s t a n dt h ek a r s t d e v e l o p m e n td i s t r i b u t i o nr u l ea n dt h es h a p eo ft h ek a r s tc a v e ，u s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ht h ek a r s tc a v er o o fs u b g r a d es t a b i l i t ya n dt h er a t i oo f t h i c k n e s st os p a nt h ek a r s tc a v er o o fs a f e t y t h i sp a p e ra d o p t sf i e l ds u r v e y , g e o p h y s i c a le x p l o r a t i o n o u t d o o ra n di n d o o rt e s t a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n dm e t h o d so fd e m o n s t r a t i o np r o j e c t s ， m a i n l yo nt h ef o l l o w i n gj o b ： i no r d e rt ou n d e r s t a n da b o u tt h ew a t e rf l o w sa n dt h ek a r s ts i t u a t i o no fn a q i a n h i g h w a ys u b g r a d ee n c o u n t e r e d ，t h es i t er e c o n n a i s s a n c eo fk a r s ta r e a s ( 室) u s i n gg e o l o g i c a lr a d a ra n dh i g hd e n s i t ye l e c t r i c a ld e t e c t i o nk a r s tc a v ei nt h e s i t e ，g e o l o g i c a lr a d a rm a i n l ya d o p t s1 0 0 m h za n d4 0 m h za n t e n n ad e t e c t ，h i g h d e n s i t y e l e c t r i c a lu s ew e n n e ra n ds p e ye l e c t r o d ea r r a ym e t h o dd e t e c t ，a f t e rd e t e c t i o nk n o wt h a t k a r s ti sm o r ed e v e l o p e di nk 2 1s e c t i o na n dk 4 5s e c t i o n ，w h i c hw o u l db ei m p a c to f n a q i a ne x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o n ，b o t hu s e di nc o n j u n c t i o n ，t h e yc a nm o r e ：e f f e c t i v e l y d e t e c tt h el o c a t i o no fk a r s tf o u n d a t i o n ，s i z ea n dm o r p h o l o g y t h r o u g h t h e l a b o r a t o r y t e s ta n dr e f e r e n c em a t e r i a l si n t h el i m e s t o n e e x p e r i m e n t a ld a t ao ft h eg e o l o g i c a le x p l o r a t i o n ，b yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e f l a c l 3 de s t a b l i s ht h r e ed i m e n s i o n a ls u b g r a d e m o d e l a n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es t a b i l i t yo fk a r s ts u b g r a d ea n dt h er a t i oo fk a r s tc a v e st h i c k n e s sa n d s p a n t h r o u g ht h er e s e a r c hw o r k ，t h i sp a p e rm a d et h ef o l l o w i n gp r o g r e s s ： h i g h d e n s i t ye l e c t r i c a lm e t h o da n dg e o l o g i c a lr a d a rd e t e c t i o nc a v ew o r k sw e l l b u te a c hh a si t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，o fh i g h d e n s i t ye l e c t r i c a lh a sl o w r e s 0 1 u t i o n ，s oi td o e sn o tr e f l e c tt h eh i e r a r c h i c a lf i l l i n gi nc a v e s a n dr e f l e c tt h es m a l ls i z e o fc a v ec o n d i t i o n s ，b u ti t sd e t e c t i n gd e p t ha n da r e aw i d e l y g e o l o g i c a lr a d a rm e t h o d h a s h i g hr e s o l u t i o n ，s oi tc a nr e f l e c tt h ei n t e r n a lf i l l i n gl a y e r e dc a v ec o n d i t i o n sa n ds m a l l s i z ec a v e ，b u ti t se f f e c t i v ed e t e c t i n gd e p t hi so n l y1 5m e t e r s ht h en a q i a ne x p r e s s w a yk a r s ta r e a ，p a v e d r o a d sd i r e c t l yt ot h el i m e s t o n em o t ， a n dm e e tt h ef o l l o w i n gc o n d i t i o n s ：1 ) l i m e s t o n ew e a kw e a t h e r i n ga n d f i s s u em e d i u m d e v e l o p m e n t ，2 ) f o u r 1 a n eh i g h w a y , 3 ) c a r s l o a dr a t i n go fh i g h w a y 。i ，4 ) i h k eo h e i m p a c tf a c t o ro f 1 2c a r s ，l a n er e d u c t i o nf a c t o ro f0 6 7 t h r o u g ht h en u m e r l c a ls 埘u l a t l o n s o f t w a r ef l a c 3 da n a l y s i st o k n o w ：a w h e ns u b g r a d ek a r s tc a v e sr a t i oo ft h i c k n e s s a n ds p a ni sl e s st h a n0 6 ，t h ee n g i n e e rs h o u l dt a k es o m em e a s u r e s t oa v o i dt h ec o l l a p s e o ft h es u b g r a d ea n dh a n d et h ek a r s tc a v e ；b u tw h e nt h er a t i oi sm o r et h a no 6 ，w e c a n t h i n kt h a tt h ek a r s ts u b g r a d ei ss t a b l eu n d e rs u c hk a r s tc a v e b 1 nt h ec o n d i t i o n t h a tt h e k a r s tc a v es h a d ea n dl i m e s t o n ei st h es a m e ，t h eg r e a t e s t t h r e a tt ot h es t a b i l i t yo ft h e s u b g r a d ei sw h e nt h ek a r s tc a v ei nt h em i d d l eo fs u b g r a d eb o t t o m ，t h e s e c o n d l yt h e a t1 s w h e nt h ek a r s tc a v ea tt h eb o t t o mr i g h t ( o rl e f t ) s u b g r a d e ，t h em i n i m u m t h r e a ti sw h e n t h ek a r s tc a v ea tt h es u b g r a d e ss l o p eb o t t o m n e 伽e ru s e di na g g r e g a t em i x t u r e ，a n dc o n s i d e r i n gv e h i c l el o a d ，h 。o u 曲h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ef l a c 一3 da n a l y s i st ok n o w ：i nt h ep r o c e s s o ft h ek a r s t e m b a n k m e n tf i l l i n g ，f r o m0 t o4m e t r e si nh e i g h to ft h ef i l l i n g ，a st h ei n c r e s e m e n to ft h e t h i c k n e s so ft h es u b g r a d e sf i l l i n g ，t h es e c u r i t yr a t i oo fk a r s tc a v er o o f st h i c k n e s sa n d s p a ni n c r e a s et o o b u tm o r et h a n4 m e t e r si nh e i g h t ，a st h et h i c k n e s so ft h ef i l l i n gi n c 。e s e c o n t i n u o u s l y ，t h es e c u r i t yr a t i oo fk a r s tc a v er o o f st h i c k n e s sa n ds p a nd e c r e a s e a n d w h e nt h et h i c k n e s so ft h ee m b a n k m e n tf i l l i n gi sl a r g e rt h a n 1 7m e t r e s ，t h ec h a n g e m e n t o ft h es e c u r i t yr a t i oo ft h ek a r s tc a v er o o f st h i c k n e s sa n ds p a n i ss m a l l ，i t sv a l u e1 s a b o u t0 5 4 f i n a l l y ，a p p l y i n gr e s e a r c ha c h i e v e m e n t t ot h ee n g i n e e r i n go fk 4 5d e e pc u t t l n g s e c t i o no fn a q i a nh i g h w a ya n dh e n ib r i d g ec h a n g et o t h es u b g r a d e ，a n d9 1 v es o m e h e l p f u la d v i c e st ot h e c o n s t r u c t i o no ft h et w op r o j e c t k e yw o r d s ：k a r s ta r e a s ；f i l ls u b g r a d e ；s t a b i l i t y ；t h er a t i oo f t h i c k n e s sa n ds p a n ； h e i g h to ff i l l i n g 目录 第一章绪论1 1 1 研究意义与目的1 1 2 国内外研究现状1 1 3 主要研究内容与技术路线及成果3 1 3 1 主要研究内容3 1 3 2 技术路线3 1 3 3 主要研究成果5 第二章岩溶发育的特征研究6 2 1 岩溶发育的一般规律6 2 2 岩体分级方法8 2 2 1 岩体分级的独立因素分析9 2 2 2 岩体质量分级方法1 0 2 3 纳黔路岩溶发育特征1 4 2 3 1 地形地貌1 4 2 3 2 水文地质。1 5 2 3 3 岩溶发育1 5 2 4 本章小结1 6 第三章岩溶发育形态及分布探测1 7 3 1 探测方法1 7 3 1 1 地质雷达法1 7 3 1 2 高密度电法2 1 3 2 纳黔路岩溶发育探测2 4 3 2 1 探测线的布置2 4 3 2 2 探测工作完成量。2 7 3 2 3 探测资料评价与分析2 9 3 3 本章小结3 7 第四章岩溶路基溶洞顶板稳定性评价3 9 4 1 稳定性影响因素分析3 9 4 2 稳定性评价方法分析4 1 4 3 纳黔路溶洞顶板稳定性评价4 3 4 4 1 定性评价4 3 4 4 2 半定量评价4 4 4 4 本章小结4 6 第五章岩溶路基稳定数值模拟研究4 7 5 1 岩溶路基稳定分析简述4 7 5 2 纳黔路岩溶路基稳定性分析4 7 5 2 1 分析模型的建立4 7 5 2 2 岩溶路基溶洞顶板厚跨比值分析5 1 5 2 - 3 溶洞位置对溶洞顶板厚跨比值的影响5 6 5 2 4 路基填筑高度对溶洞项板安全厚跨比值的影响5 9 5 3 本章小结6 3 第六章工程实例6 4 6 1 实例一6 4 6 1 1 工程概况6 4 6 1 2 现场：r ：作6 4 6 1 3 溶洞顶板稳定性验算6 6 6 1 4 溶洞处理建议6 7 6 2 实例二6 7 6 2 1 黑尼大桥工程简介6 7 6 2 2 黑尼大桥岩溶探测7 0 6 2 3 路皋稳定性分析7 4 6 2 4 黑尼大桥溶洞顶板稳定性验算8 1 6 2 5 建议8 1 6 3 本章小结8 2 第七章结论和展望8 3 7 1 结论8 3 7 2 展望8 4 参考文献8 5 致谢8 7 在学期间发表的论著及取得的科研成果8 8 附录8 9 第一章绪论 1 1 研究意义与目的 第一章绪论 国际上把岩溶统称为喀斯特( k a r s t ) 。地表的岩溶地貌主要以溶沟、石芽、漏 斗、竖井、落水洞、溶蚀沣地、干谷、盲谷、孤峰等形式存在，而地下溶蚀地貌 主要为溶洞和暗河。根据可溶岩分布统计，地球表面岩溶面积约占地球陆地总面 积的1 5 左右，全球陆地上岩溶分布的总面积约有5 0 0 0 万k m 2 。在许多国家如美 国、澳大利亚、南非、英国、伊拉克、墨西哥等都有岩溶分布区域，可见岩溶在 地球表面分和范围之广和面积之大。美国岩溶面积占本国陆地面积的1 5 ，亚洲 以我国、r 本、越南、马来西亚、土耳其和黎巴嫩等国的岩溶地貌最具代表性。 我国是一个岩溶分布广且面积大的国家，我国的岩溶主要分布在碳酸盐岩、 裸露地区，面积约9 1 - 1 3 0 万平方千米，约占国土面积的八分之一。其中以广西、 贵州、云南和四川青海( 即云贵高原) 东部的岩溶区域所占的面积最大，是世界 上最大的岩溶区之一；西藏和北方一些地区也有岩溶分白1 2 j 。 我国公路和城市道路工程在建设过程中不可避免地要穿越岩溶区，而确保岩 溶区路基的稳定性及防治就成为公路建设成败的关键；岩溶区路基顶板稳定性的 评价是岩溶区路基处治的基本依据，所以丌展岩溶区路基稳定及防治相关技术的 研究具有重要的理论与实际意义。 本文依托纳溪至川黔界段高速公路工程，纳黔路路线起于贵州省赤水河畔的 大坪子，经安基屯水库、石门、西庆、黑尼，止于泸州市纳溪区新乐镇。纳黔路 所经地区构造主要受山字形构造体系的控制，构造东翼的构造线以北东方向为主， 西翼的构造线以北西方向为主。这种构造特征对岩溶发育有重要作用。此外在叙 永山字型构造弧顶在震东、后山一带，此处两组张性裂隙发育，且地层转折大， 故岩溶发育尤为强烈。 本文研究的目的旨在解决岩溶地区路基修筑技术中的关键技术问题，以确保 纳黔高速公路建设工程的顺利进行。 1 2 国内外研究现状 由于岩溶洞穴顶板稳定性影响因素多而且作用复杂，目前国内外多采用物理 模型试验、数值模拟等研究手段。 在国外，1 9 8 4 年，南非s t e l l e n b o s c h 大学j m a r i u s 采用l ：1 0 比例尺，模拟 2 第一章绪论 混凝土路面在岩溶塌陷影响下的变形、破坏特征；1 9 7 0 年同本学者n o g u s h i 、1 9 8 6 年前苏联学者b x o m e h k o 、l9 8 4 年美国学者r a l p h j h o d e k 、19 9 5 年美国学 者t h o m a s 、m t h a r p 、俄罗斯学者a v a n i k e e v 英国n o t t i n g h a m 大学l uz h e n x i n 先后采用物理模型试验、有限元法和二维拉格朗同快速变换( f l a c 2 d ) 等数值 分析的方法，系统研究了荷载、洞穴宽度以及洞穴高度与顶板安全厚度问题。普 遍认为在大多数岩溶区，溶洞顶板安全厚度值应超过溶洞宽度的7 0 ，但该值在 一般的工程荷载下偏于保守，而对于高速公路的荷载来说则更为保守。q u b a i n b s s e k s i n s k y e j 和j ij 通过工程实例，介绍了复杂岩溶条件下桥梁桩基设计时应 注意的问题，并针对不同的地基类型提出了不同的设计方法p “】。 国内对路基下的溶洞项板稳定性问题，廖春芳等在深入分析岩溶及采空区岩 层顶板安全厚度影响因素，及岩溶岩层顶板安全厚度传统半定量分析方法存在缺 陷的基础上，结合潭邵高速公路岩溶及采空区路基稳定性的特点，提出利用三维 非线性有限元分析手段和枚举优化理论确定岩溶及采空区岩层顶板安全厚度的方 法，并已在工程实践中应用。袁腾方等对高速公路路基岩溶顶板稳定性评价的特 点，引进模糊数学理论，采用多级模糊评判理论与系统层次分析方法，建立了高 速公路路基下伏岩溶顶板稳定性的二级模糊综合评判模型，为高速公路岩溶区路 基稳定性的评价开辟了新的途径。钱国玉、王靖涛对铁路路基下溶洞顶板稳定性 问题，采用半定量的荷载传递线交汇法、类比法和按梁板受力弯矩情况来计算溶 洞顶板的安全厚度。周建普、李献民总结研究了各种评价方法，把它们分为定性、 半定量、和定量的分析评价方法。可见，对溶洞顶板稳定性分析评价方法的研究， 经过近些年逐步趋于成熟和完善，很多评价方法己成功的应用到工程实践中【5 6 】。 溶洞顶板稳定性问题，是从工程的角度提出的，在此问题提出前，已经研究 了很多年。含有溶洞的岩溶塌陷，其实是溶洞盖层的塌陷，即是溶洞顶板失稳问 题，这里所说的溶洞上部的盖层就是溶洞的顶板。溶洞顶板稳定性和岩溶塌陷的 含义并不相同，首先是问题的研究角度不同，溶洞顶板稳定性是从工程的角度提 出的，即从工程的角度研究问题，而岩溶塌陷则从地质角度出发来研究问题，陈 园亮在岩溶地面塌陷的成因与防治中首先明确岩溶塌陷是一种地质灾害；其 次，研究的内容不完全一致，溶洞顶板稳定性主要研究未发生塌陷的溶洞顶板( 盏 层) ，在人为因素下如荷载、抽水引起的地下水下降、震动等的作用下的稳定性， 岩溶塌陷的问题由来已久，塌陷的引发因素包括自然因素和人为因素，其研究的 塌陷包括古岩溶塌陷和现代岩溶塌陷，偏重于研究已发生的岩溶塌陷，但也研究 未发生的岩溶的塌陷，如对区域性岩溶塌陷的预测；研究的手段有所区别，岩溶 塌陷研究的地域性和时域性较广，研究涉及的学科也较多，诸如岩溶学、水文地 质学、土质学、力学、地质环境及人文科学等，溶洞顶板稳定性研究的地域性和 第一章绪论 3 时域性较小，研究涉及的学科包括工程地质学、力学、水文地质学等。但是岩溶 塌陷研究的内容有许多包括溶洞顶板稳定性问题，如岩溶塌陷的机制、岩溶塌陷 的预测和岩溶塌陷的工程处理措施等。因此，在研究溶洞顶板稳定性问题时，要 从岩溶塌陷问题的研究中借鉴其研究内容、方法和观点。 1 3 主要研究内容与技术路线及成果 1 3 1 主要研究内容 本文依托四川省交通厅科技项目岩溶地区路基病害防治及桥隧修筑系列技 术，主要研究纳溪至川黔界段高速公路岩溶与采空区地区公路路基修筑中的若干 关键技术问题，结合工程实际，重点丌展以下几方面的工作和研究： 纳黔路现场工作 采用地质雷达法和高密度电法对纳黔路多处路基段进行物探，以了解纳黔路 岩溶发育和分布情况，并对比地质雷达法和高密度电法探测溶洞精确性的效果。 溶洞顶板厚跨比与岩溶路基稳定性的关系 通过进行实地调查，收集资料和室内试验，获取灰岩的内摩擦角、弹性模量、 粘聚力等参数，采用数值模拟软件f l a c - 3 d 分析溶洞顶板厚跨比值与岩溶路基稳定 性的关系，主要包括两个方面： 1 ) 在纳黔路灰岩条件下，岩溶路基稳定时溶洞顶板的厚跨比值； 2 ) 溶洞位置对溶洞项板厚跨比值的影响。 灰岩风化程度、裂隙发育情况以及在数值模拟中岩土体参数的取值等，这些 都关系到模拟结果是否具有实际意义，此外，路基形式和模型尺寸的选择也是一 个关键问题，模型尺寸过小则所模拟的结果对实际工程情况没有指导性，过大则 会出现模型计算时问过长而无法得到模拟结果的情况。 路基填土高度对溶洞厚跨比值的影响 利用f l a c - 3 d 建模，分析路堤填筑高度对溶洞顶板安全厚跨比值的影响，并将 路堤填土下溶洞顶板安全厚跨比值与正常情况下溶洞顶板安全厚跨比值进行对 比。建模过程岩土体参数结合纳黔路工地现场土质以及纳黔路地质勘察报告来选 取，模拟出来的结果能反映纳黔路工地的实际情况，并对纳黔路基设计、施工具 有指导作用。 1 3 2 技术路线 由上面的综述可知路基溶洞顶板的稳定性研究是应用性较强的工作，在充分 收集资料与进行现场调研的基础上，整理和分析岩溶发育探测的研究和溶洞顶板 4 第一章绪论 稳定性研究现状。分析影响岩溶路基稳定性的各种因素，运用f l a c 3 d 分析溶洞 厚跨比与岩溶路基稳定性的关系，以纳黔路岩溶路基下隐伏岩溶孔洞与采空区段 路基稳定性研究为主线，并采用物探方法的适宜性和有效性进行了分析，通过物 探及有限的钻探手段，确定了岩溶的形态特征及空间分布特征，以此建立数值模 拟的几何模型，将研究成果应用到实际工程中，对实际工程具有指导作用，从而 保证纳黔高速岩溶路基施工的顺利进行。 本文拟采用的技术路线如图1 1 图1 1 岩溶路基稳定性分析技术路线 f i g1 1t e c h n o l o g yr o u t eu s e dt os u b g r a d es t a b i l i t ya n a l y s i so fk a r s t 第一章绪论 5 1 3 3 主要研究成果 通过现场的工作和数值模拟分析，本文得到如下成果： 在运用高密度电法和地质雷达探测纳黔路溶洞的的过程中发现，它们各自 有其优缺点。高密度电法分辨率低，不能反映溶洞内充填物的分层情况和反映小 体积溶洞，但其探测深度大、面积广。地质雷达分辨率高，可反映溶洞内部充填 物分层情况和小体积溶洞，但其有效的探测深度仅为1 5 米。此外，在探测溶洞的 准确性方面，地质雷达要比高密度电法准确。 在纳黔路岩溶路基，直接往灰岩铺筑路面，且满足以下条件：1 ) 灰岩弱风 化、裂隙中等发育，2 ) 四车道的高速公路，3 ) 汽车荷载等级为公路一i 级，4 ) 取汽车的冲击系数为1 2 ，车道折减系数为0 6 7 ；通过数值模拟软件f l a c 一3 d 的 分析知：a 路基溶洞顶板厚跨比值小于0 6 时，应采取适当的防治路基塌陷及处 置溶洞的措施；路基溶洞顶板厚跨比值大于0 6 时，岩溶路基是稳定的。b 在相 同的溶洞形状和灰岩条件下，对路基稳定性构成威胁最大的是溶洞位于路基中部 时，其次是溶洞位于路基右侧( 或左侧) 底下，威胁最小的则是溶洞位于路基坡 脚。 在纳黔路岩溶填筑路基，当所采用的填料为土石混合料，且考虑汽车荷载 时，通过数值模拟软件f l a c - 3 d 的分析知：在0 至4 米的填筑高度内，随着路基填筑 高度的增加，溶洞顶板的安全厚跨比值也随之增加；过了4 米后，随着填筑高度的 继续增加，溶洞顶板的安全厚跨值反而下降，而当路堤填筑厚度超过1 7 米时，溶 洞顶板的安全厚跨比值变化很小，其值约为0 5 4 。 6 第二章岩溶发育的特征研究 第二章岩溶发育的特征研究 2 1 岩溶发育的一般规律 岩溶的发育主要受可溶性岩石的性质、地质构造形迹、地下水条件及气候等 因素影响，前三种因素是岩溶发育的三个必要条件。可溶性盐岩是岩溶发育的物 质基础，水动力条件是岩溶发育的基本条件，构造形迹控制发育。 岩石的可溶性越强，在同等条件下就越有利于岩溶发育。按岩石的化学成分、 矿物成分的不同，可溶性岩石可分为三组：硫酸盐岩( 石膏、硬石膏) 及盐岩( 含 钠的岩盐和含钾的光卤石等) 和碳酸盐岩，其溶解度的大d , j t 颐序为：岩盐 硫酸 盐 碳酸哉，在地球表面上碳酸盐岩分布最广。 地质构造也是影响岩溶发育的一个主要因素，地质构造包括断裂与褶皱，它 们对地下水循环运动的途径和方向起着重要的控制作用。地质构造对岩溶发育的 影响体现在以下三个方耐7 】 地壳的构造运动对岩溶发育阶段的影响； 各种构造形迹对岩溶发育形态和规模的影响： 区域地质构造对岩溶分布的影响。 地质构造形迹为具有溶蚀性的水对碳酸盐岩进行选择性溶蚀创造了基本条 件。下面论述断裂与褶皱对岩溶发育的作用。 断裂对岩溶控制作用 断裂构造使岩层产生大量裂隙，为岩溶水的移动和盐溶化作用提供了极为有 利的发育条件。断裂构造对岩溶发育的影响取决于断裂规模、断裂性质和断裂充 填状况这三个因素的综合作用。 断层带一般包括三个部分：内带，即断层面之间的部位，它是断层两盘位移 的主要活动带，分布不连续，破坏剧烈，岩石变形剧烈，成分复杂，在碳酸盐类 岩石分布区主要为s i 0 2 等酸性不溶物含量较高，其上主要发育擦痕、街布；中带， 即断层破碎带，在断层内带两侧或被外侧次一级断层面所限制，是岩石强烈挤压 破碎的部位；外带，即断层影响带，在断层破碎带外侧又分为上盘影响带和下盘 影响带，主要是密集节理发育带。 各种不同力学性质的断层富水部位与富水性的不同主要与断层的构造性质 和胶结程度有密切关系。构造岩石动力变质作用的产物，在构造应力作用下，使 原来岩石及组成矿物发生变形、破碎等机械作用，也常有一定程度的重结晶作用。 由于构造应力的性质和强度的不同，可以将岩溶构造分为：碎块岩、岩溶角砾岩、 第二章岩溶发育的特征研究 7 岩溶磨砺岩、岩溶碎裂岩、岩溶糜棱岩、片理化岩。 断裂影响带内节理均发育，节理对岩溶发育起控制作用，特别是控制岩溶洞 穴发育的方向。岩溶洞穴的延伸方向是受到岩性、水动力条件、地貌、构造等综 合控制的，又往往受到几组剪节理的控制，其总体延伸方向又往往是纵张节理和 横张节理的方向，因而构成网格状或锯齿状的溶洞。 层间裂隙主要指在构造应力作用下，由于岩层之问的相对位移而产生的裂 隙。层面与层间裂隙对岩溶发育有重要作用，特别是在不纯碳酸盐岩层或碳酸盐 岩与非可溶岩互层组合中，溶洞和岩溶管道沿层问和层间裂隙发育的现象十分普 遍。很多落水洞或溶洞就是沿着层间裂隙相连的部位发育的。 褶皱对岩溶的控制作用 岩层褶皱时，伴生和派生的裂隙系统一方面为地下水的活动提供了通路，另 一方面褶曲变形的隔水层又限制着地下水的循环补给，于是，岩溶的发育也具有 不同的特点。当向斜褶皱的核部形成层压水区时，一般情况下，岩溶发育相对均 一。但是，如有显性张裂带时，也可能发育横穿向斜的倒虹吸式的岩溶管道。在 背斜褶皱中，沿背斜上部的纵张与横张裂隙，也可能发育岩溶管道。 在构造应力的作用下，褶皱的不同部位不同，变形机制不同，岩体遭受破坏 的程度不同，对于地表水和地下水移动的影响不同，因而直接影响岩溶的发育。 褶皱不同部位对岩溶发育及富水性的影响规律如下i 驯： 1 ) 受弯曲构件都有中性面，背斜核部岩层在中性面上方是受挤压，在中性 面下方是受拉伸，因而形成上涨下压的二次纵张节理以及背斜轴部的共轭x 形节 理。因此，背斜核部的岩体较为破碎，容易遭受剥蚀，在地形上形成沟谷，有利 于岩溶水富集和岩溶发育，常常在背斜核部发育大量漏斗、溶蚀洼地、落水洞及 竖井等垂直岩溶形态。向斜核部岩层的受力状态恰与背斜核部岩层的受力状态相 反，即在中性面上方受挤压，在中性面下方受拉伸，因而向斜核部的岩层常常形 成上压下张的二次纵张节理，由于向斜具有较好汇聚水的条件，当向斜核部埋深 不很大时，成为重要的富水构造，常发育有纵向暗河系统。 2 ) 褶皱翼部岩层的倾斜程度，在一定程度上反映了该部位的受力强弱与变 形程度。褶皱翼部岩层倾角的不同，岩溶发育特征也有较大差异( 如表2 1 所示) ， 因此，对岩溶的发育有直接的影响。岩层倾角岩层富水性好，但也有些资料说明 陡翼岩溶发育较强、富水性亦大于缓翼，具体是缓倾角还是陡倾角对岩溶发育影 响大，还要结合地形条件和植被覆盖等综合考虑。 3 ) 无论是背斜还是向斜的转折部位，岩层走向与倾向均发生改变，岩层弯 曲产生第二级构造应力场，压应力方向与褶皱轴向平行，于是产生与轴向近似平 行的次纵张裂隙，所以此部位岩体破裂，埋深较浅，汇水能力好，有利于岩溶发 8 第二章岩溶发育的特征研究 育。已有的钻探资料表明，褶皱的转折部位是岩溶在褶皱各部位中发育率最高的。 表2 1 褶皱翼部岩体断裂发育特征及岩溶发育状况 t a b l e2 1t h ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c so ff o l dw i n gr o c kf r a c t u r ea n dt h ed e v e l o p m e n ts