（岩土工程专业论文）岩溶区加筋路堤处治技术的设计理论与数值模拟研究.pdf

d e s i g nt h e o r ya 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 ho ft r e a t m e n t t e c h n i q u ew i t hr e i n f o r c e de m b a n k m e n t f o rk a r s ta r e a b y y i nm i a o m i a o b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh o n g y u a nf u m a y , 2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者躲协为嘞 日期：x 11 年厂月) ? 日 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 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密v 。 彳( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：牌而昂 日期：岁年n 3 日 导师签名：矽鸶礁妙i i i f - r 月砖日 摘要 岩溶分布非常广泛，且地质环境复杂多变，存在很多不确定的危险性因素， 岩溶塌陷灾害日益频繁，且通常具有突然性，易造成巨大的损失和严重危害。在 修筑高速公路时，由于岩溶塌陷造成路基破坏的情况时有发生，如何对其进行有 效处治并减小其造成的危害是一个极大的难题，对其进行研究有很大的必要性。 本文通过在路堤中铺设土工织物加筋体来防止这种突然性塌陷，从而减小岩 溶塌陷带来的损失。将塌陷坑上方水平加筋体分为临空段、过渡段和锚固段三部 分，对其各部分的受力和传力特性进行了分析推算，对锚固段采用比较符合实际 情况的线弹塑性模型进行分析模拟，由基本方程导得锚固段水平加筋体弹塑性解 答，并结合边界条件建立锚固段端点拔出量及传力长度的解算流程。通过具体的 工程实例对弹塑性模型和全塑型模型下的分析结果进行了比较，得到了两种模型 结果的误差分析，探讨不同临空段宽度、加筋体刚度、上覆土体高度、界面摩擦 角等因素对临空段端部拔出量计算误差的影响，并分析上覆土体高度与锚固段传 力长度之间的关系。 利用离散元程序对土工织物加筋体处理含溶洞路基塌陷的情况进行了模拟， 并对由不同的设计参数所引起的加筋体变形过程进行了数值模拟，然后将模拟分 析结果与理论计算结果进行了对比，由于在模型中对加筋体周围的土体考虑有限， 使得两者之间存在一定的误差，但是两者之间的趋势基本保持一致，验证了理论 计算结果的正确性。 关键词：岩溶塌陷；路基破坏；界面设计参数；处治措施；数值模拟； a bs t r a c t t h ed i s t r i b u t i o no fk a r s ti sw i d e ，a n d c h a n g e a b l e t h ec o l l a p s ed i s a s t e ro fk a r s t g e o l o g i c a le n v i r o n m e n ti sc o m p l e xa n d a r e ai n c r e a s e sf r e q u e n t l ya n du s u a l l yi s s u d d e n c a u s e sh u g eo fl o s sa n ds e r i o u sh a r m e x p r e s s w a yo f t e ne n c o u n t e r i n gk a r s t d e v e l o p m e n ta r e a ，t h es u b g r a d ed a m a g e c a u s e db yk a r s tc o l l a p s eo c c u r r e df r o mt i m et o t i m e i ti sag r e a to fc h a l l e n g e st oe f f e c t i v e l yt r e a ta n d r e d u c eh a r m t h i sp a p e rl a y st h eg e o s y n t h e t i c sr e i n f o r c e db o d yi nt h ee m b a n k m e n tt op r e v e n t t h es u d d e nc o l l a p s e ，t h e r e b yr e d u c i n gt h e l o s s e sc a u s e db yk a r s tc o l l a p s e f h e g e o s y n t h e t i c sr e i n f o r c e db o d ya b o v ec o l l a p s ei sd i v i d e di n t oo v e r h e a d ，t r a n s i t i o na n d a n c h o rs e g m e n t ，a n da n a l y z e di t sf o r c ea n df o r c ec h a r a c t e r i s t i c s o fe a c hp a r t ih e r e a l i s t i ce l a s t i c p l a s t i cm o d e l si su s e dt os i m u l a t ea n c h o rs e c t i o n ，g u i d e de l a s t i c 。p l a s t i c a n s w e r so fa n c h o rs e c t i o nb yt h eb a s i ce q u a t i o n sa n de s t a b l i s hc a l c u l a t i n gp r o c e s so f t h ep u l l o u to fe n d p o i n ti na n c h o rs e c t i o na n d t h el e n g t ho ft h et r a n s m i s s i o nc o m b l n e d w i t ht h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h ea n a l y s i sr e s u l t so f t h ee l a s t i c 。p l a s t i cm o d e la n dt h e p l a s t i cm o d e li sc o m p a r e dt h r o u g hs p e c i f i cp r o j e c t se x a m p l e s ，a n do b t a i n e de r r o r a n a l y s i so ft w om o d e l s ，t h e ne x p l o r et h ei m p a c to ft h e d i f f e r e n tw i d t ho fo v e r h e a d s e c t i o n t h ed i f l f e r e n tr e i n f o r c e m e n ts t i f f n e s s ，t h ed i f f e r e n th e i g h to f t h eo v e rs o i l ，t h e d i f f e r e n ti n t e r f a c ef r i c t i o na n g l ea n do t h e rf a c t o r so n t h ec a l c u l a t i o ne r r o r so fp u l l - o u t o ft h ee n d p o i n ti nt h eo v e r h e a ds e c t i o n ，a n da n a l y s i st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e l e n g t ho ff o r c et r a n s f e rd u r i n ga n c h o rs e c t i o na n dt h eh e i g h t o ft h eo v e rs o i l i tp r o g r e s s e sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h es i t u a t i o no fg e o 。s y n t h e t i c sr e i n f o r c e d b o d vt r e a t i n gs u b g r a d ec o n t a i n i n g c a v eb yd i s c r e t ee l e m e n t ，a n ds i m u l a t e s t h e d e f o r i n a t i o np r o c e s sc a u s e db yd i f f e r e n td e s i g np a r a m e t e r t h e nc o m p a r e st h ea n a l y s l s r e s u i t sw i t ht h e o r yc a l c u l a t i o na n a l y s i s ，b e c a u s et a k i n gt h es u r r o u n d i n gs o i lo f t h e r e i n f o r c e m e n ti n t oa c c o u n ti nt h em o d e li sl i m i t e d ，s ot h e r ea r es o m ee r r o r sb e t w e e n t h et w or e s u l t s b u tt h et r e n db e t w e e nt h et w or e s u l t sr e m a i n e dt h es a m e i tv a l i d a t e s t b ec o r r e c t n e s so ft h e o r yc a l c u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：k a r s tc o l l a p s e ；s u b g r a d ed a m a g e ；i n t e r f a c e d e s i g np a r a m e t e r ； t r e a t m e n tm e a s u r e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 目录 摘要i a bs t r a c t 。i i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义1 1 2 岩溶地面塌陷及其危害3 1 3 岩溶区路堤处治的研究现状5 1 3 1 岩溶区路堤处治的国外研究现状6 1 3 2 岩溶区路堤处治的国内研究现状8 1 4 本文的主要工作及思路1 2 第二章岩溶区加筋路堤处治机理研究 2 1 概述1 4 2 2 加筋体力学特性及加筋机理1 5 2 2 1 加筋体力学特性1 5 2 2 2 加筋体结构的特性1 6 2 2 3 土工织物加筋机理研究现状1 7 2 3 加筋体及界面室内试验方法1 9 2 3 1 加筋界面室内试验研究1 9 2 4 加筋路堤处治效果的相关影响因素2 4 2 4 1 土工织物强度的发挥和破坏与地基土有关2 4 2 4 2 土工织物固定方式对承载力的影响2 4 2 4 3 填筑路堤的次序对土工织物加筋效果的影响2 5 2 4 4 筋材挠度对加筋效果的影响2 5 2 5 影响加筋土性质的界面参数2 5 2 6 小结2 7 第三章岩溶区加筋路堤计算理论与设计方法研究 3 1 加筋路堤计算理论与设计方法研究现状2 8 3 2 加筋体受力分析与设计理念3 0 3 2 1 加筋体受力分析3 0 3 2 2 加筋体设计关键值3 0 3 3 水平加筋体三部分的受力分析计算3 1 3 3 1 i 晦空段受力计算方法3 1 3 3 2 过渡段受力计算3 3 3 3 3 加筋体锚固段极限抗拔力的计算3 3 3 3 4 变形协调方程3 4 3 3 5 考虑界面弹塑性特性的锚固段计算方法3 4 3 4 实例分析3 7 3 4 1 加筋体不同刚度对水平加筋体变形的影响分析3 7 3 4 2 加筋体不同刚度对临空段竖向位移的影响分析3 8 3 5 关键设计值分析3 9 3 5 1 拔出量的分析3 9 3 5 2 加筋体传力长度计算分析4 2 3 6 j 、结4 2 第四章基于颗粒流分析的加筋路堤数值模拟分析 4 1 概述4 4 4 2 颗粒流程序分析基本原理4 6 4 2 1 离散单元法的基本思想4 6 4 2 2 颗粒流程序的力学模型4 6 4 2 3 常用接触本构模型4 9 4 3 模型的建立及计算结果分析5 1 4 3 1 颗粒生成的基本方法5 1 4 3 2 模型边界的定义5 3 4 3 3 设置模型初始条件5 3 4 3 4 颗粒细观参数的确定5 4 4 3 5 模型的建立5 5 4 3 6 计算结果分析5 6 4 4d 、结6 l 第五章结论 5 1 结论6 3 5 2 展望6 4 参考文献。6 5 致谢。7 3 附录a ( 攻读学位期间发表论文目录) 。7 4 附录b ( 攻读学位期间参与课题目录) 7 5 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 白云岩、石灰岩、岩盐、石膏等可溶性岩层遇水极易溶解，内部发生反应其 中以化学溶蚀作用为主，同时在外部机械共同作用下形成沟槽、洞穴、裂隙以及 由洞顶塌落引起的地表陷穴等一系列现象和作用的总称，称为岩溶又名喀斯特 ( k a r s t ) 1 1 , 2 。石膏及可溶性的石灰岩等碳酸盐岩等由于地下水和地表水作用，引 起溶蚀反应，进一步形成一系列特殊的岩溶地貌，就是岩溶作用；岩溶地貌及形 态类型复杂多样，不同岩溶形态对应不同的工程地质问题，岩溶形态主要有3 大类： 一是地表岩溶形态，主要有溶痕、溶沟、溶蚀裂隙、石芽、岩溶石柱、溶面、石 林、落水洞、竖井、天然井、漏斗、溶斗、塌陷漏斗、岩溶洼地、合成洼地、岩 溶盆地、岩溶槽谷、干谷、盲谷、岩溶嶂谷、断头河、溶帽山、岩溶丘陵、岩溶 垄岗、峰林、峰丛、孤峰、岩溶平原、岩溶准平原、岩溶高原、岩溶夷平面、岩 溶湖、天生桥、穿洞等；二是地表组合形态，主要有溶隙原野、岩溶丘陵、洼地、 峰丛、洼地、峰林、平原、孤峰、平原、岩溶断陷盆地、岩溶断块山地等；三是 地下岩溶形态，主要有溶孔、晶孔、溶穴、石屋、脚洞、边槽、流痕、悬吊岩、 洞穴、溶蚀侵蚀痕、洞穴网、迷宫式溶洞、地下廊道、岩溶倒虹吸管等。根据对 全球陆地上可溶岩分布的初步调查统计，岩溶分布的总面积大约为5 0 0 0 万k m 2 ，可 见地球陆地总面积的1 5 左右为地球表面岩溶面积。许多国家都有岩溶分布区域， 例如美国、南非、澳大利亚、伊拉克、英国、墨西哥等1 3 - 1 3 1 ，美国岩溶分布面积约 占其陆地面积的l5 【3 1 ，亚洲以中国、越南、日本、马来西亚、黎巴嫩和土耳其等 国最具代表性，由此可见岩溶地区覆盖面积之广。很多国家的岩溶区都比较发育， 我国是其中之一，尤其碳酸岩岩溶发育较强烈，分布最广，位于我国的岩溶形态 分布有很多种0 4 a 5 。在我国碳酸盐岩地层的分布总面积达3 4 6 万k m 2 ，占我国疆土 面积的l 3 ，其中裸露于地表的碳酸盐岩约9 1 万k m 2 f 1 6 】，主要在南方的湖南、贵州、 云南、四川、广西、广东和湖北一带，以及北方的山西、河南、山东、河北一带 分布。 为了促进我国的西部经济的发展和对西部资源的开发，以及可持续发展战略 的实施，我国对公路和铁路交通设施的需求越来越大，国家加大了这方面的建设 和投资，由于岩溶地形在我国西部地区分布广泛，加上岩溶地质构造等条件非常 复杂，其规模、成因、力学特征相差都较大，以及演化没有什么规律可循，存在 很多不确定性因素，这使公路修筑实施变得更加困难和复杂。很多情况高速公路 会穿越岩溶发育区，如果其路线所经区域地下水和地表水垂直活动剧烈，极易形 成岩溶深切峡谷和溶蚀性高原台地相间并存的岩溶地貌，岩溶峡谷、峰丛峰林、 溶蚀洼地、岩溶残丘、落水洞、漏斗、溶蚀塌陷以及各种形态的溶洞、石林、天 窗均有可能会大量分布，包含的岩溶地貌形态很多和地质特征也复杂，存在大量 的岩溶工程地质方面的问题，特别是由于岩溶作用导致岩土体结构变化，形成各 种不同形状的溶洞或者岩石洞穴及土洞，最终导致岩土体强度降低。很多重大工 程事故都是溶洞的存所引起的，据我国铁道部门初步统计，截至1 9 9 2 年全国铁路 沿线发生的岩溶塌陷近5 0 0 处，受害较重的有近6 0 处，造成经济损失少则上百万， 多则数千万【1 7 1 。 1 9 7 3 年开始国内外学者就将岩溶塌陷作为一种工程地质问题，1 9 8 3 年将桂林 岩溶的塌陷作为正式的研究课题进行研究，1 9 9 7 年我国首次举行了“地面塌陷及其 对工程建设的影响与防治”的学术会议。国际社会早已对岩溶塌陷的广泛性和危害 性给予了重大关注，原苏联是第一个研究岩溶塌陷的国家，关于塌陷方面的论文 数量可观，取得较大的成果。美国岩溶塌陷也较多，对其研究也较早；国际上对 岩溶塌陷的研究至2 0 0 1 年前后共举行过8 次关于岩溶塌陷和沉陷的国际会议 1 9 , 1 9 j 。 岩溶塌陷得发生日益频繁，成为岩溶区主要环境地质灾害，由于岩溶塌陷规模大， 发展快，危害性强，岩溶作为一种特殊的地质条件下形成的现象，已越来越引起 人们的重视，国内外科技工作者从多方面对其进行了研究，在岩溶发育的条件、 机理、成因、类型、影响因素、岩溶塌陷等方面的研究，并且取得了许多有用的 成就和可观成果。 在岩溶区修筑公路桥梁等结构建筑时，由于溶洞埋藏较浅、洞体较大、结构 复杂，这就给工程设计和施工带来重重困难，而且更重要的是在完工以后含有溶 洞的岩土体在各种因素的影响下发生结构或强度等方面的变化，发生变形甚至塌 陷，会带来更大的处理难题，发生突然性的塌陷则会带来重大的损失和后果，特 别是在岩溶地区高等级公路修筑和运营过程中，在路基主要受力范围内，受到上 部附加荷载以及不稳定的振动作用，可能导致溶洞或者土洞坍塌，引起地层的变 形，使得路基发生突然下沉，对公路产生很不利的影响。我国公路路基设计规 范规定当溶洞的顶板厚度大于1 0 米、溶洞跨度小于5 米时，在顶板完整的情况下， 可以不进行处理；但是在实际工程中，存在有大量的不符合该规范的工程场地， 对于这种情况，大多采用桩基穿过溶洞、绕开溶洞、梁板跨越、铺设土工格栅、 加固溶洞顶板等方法，尽量避开或减小溶洞所带来的影响，这样就给设计和施工 带来很多困难，同时也大大增加了成本。 所以对于存在溶洞的公路路堤的处理，是一个既困难又复杂的问题，本文就 是考虑对含溶洞的工程进行跨越、开挖回填等处理后，由于溶洞在地下水等因素 的影响下发生塌陷等引起的重大变形，在路堤中铺设土工织物来防止工程发生突 然塌陷，对其进行了理论计算，并用软件进行了分析，由分析可见铺设的土工织 物对于工程相当于一个安全储备，即使发生塌陷也会有一定的缓冲期，给工作人 2 员提供一定的时间进行处理，可以防止突然性的塌陷发生所带来的损失及危害。 1 2 岩溶地面塌陷及其危害 对于岩溶地面塌陷的涵义，存在有很多解释，但其基本含义相近。如国家标 准定义中解释为“在我国岩溶地区，由于下部洞穴扩大而导致顶板岩体塌陷，或上 覆土层中的土洞顶板因自然或人为因素失去平衡产生下沉或塌陷的通称”；此定义 实际上是考虑了两部分内容，一部分指岩溶顶板塌陷( 如图1 1 ) ，即基岩洞穴顶 板的坍塌，一般情况下发生于裸露型岩溶区域，也可能会发生于薄覆盖型岩溶区， 究其塌陷的起因，可能是由于内外部剥蚀、溶蚀的长期作用下使顶板厚度变薄， 或洞内产生了正负水压等，也是岩溶区域发育的形态过程，一般情况下常形成暗 河或谷；另一部分指土洞顶板即上覆土体的塌落，存在着两种类型：一种是砂性 土土洞塌陷，由于岩溶地下水水位下降，使岩溶管道开口处的砂层随下渗水流向 下潜蚀流失，从开口上方的砂性土层顶板开始向下发展形成土洞，当其规模达到 上覆粘性土层难以支撑时，即发生塌陷；另一种是粘性土土洞塌陷，常发生于粘 性土层覆盖区。项式均等人提出“岩溶塌陷机制是指由隐伏岩溶洞隙的岩土体覆盖 层及赋存其中的水、气所组成的综合体系，由于所作用的外动力因素的变化而产 生的各种破坏其稳定平衡状态的力学效应”，其是以塌陷机制为出发点。康彦仁等 人提出“岩溶洞隙上覆岩、土体在自然或人为因素作用下引起的变形破坏，并在地 面形成塌陷坑或洞的一种岩溶动力地质作用和现象”，该定义缺少塌陷机制的内容 1 8 j 。铁道部颁发的铁路工程地质岩溶勘测规则中提出“上覆土层( 少数为松软 岩层) 与开口岩溶洞隙中的水、气对覆盖层发生的力学效应导致的地面塌落”，此 定义涵盖了发生岩溶地面塌陷的形成机制、基本条件、作用与效果，且文字精简【：们。 溪一瓣 瓣一鬻 囹1函2团3 圈4 图1 1 溶洞顶板塌陷示意图 1 粘性土；2 灰岩；3 溶洞顶板崩落界线；4 溶洞堆积物 目前对岩溶地面塌陷的形成机理主要有以下两个观点： 一观点认为由于“岩溶地质中真空环境”的存在，如果覆盖层与溶洞成为连系 通道时，泥浆就会发生突然流失，导致岩溶洞内的地下水位发生急速下降，使得 3 岩溶腔内有压水面变为无压水面，即在水面以上的空间有低气压出现，即产生了 真空或负压，此瞬间释发出的能量，将会对覆盖土层内部结构产生强烈而迅速的 旋吸、液状化、淘空和搬运等破坏性作用而导致塌陷，这种破坏作用就是所谓的“真 空吸蚀”或“负压吸蚀”。另一观点认为在岩溶含水层上的土体是具有蚀变性的疏松 土层且是饱水的，受到施工成桩过程的严重扰动影响，地下水的渗流方向发生突 变，垂直方向渗透动水压力会迅速增加，导致土层突然变为液状化，地下水伴随 土体瞬间流向下部空洞中或岩溶裂隙通道而产生塌陷【2 1 1 。 岩溶地区溶洞对路堤损害的表现形式与地表变形的大小和性质、溶洞的形式 及特点有关，具体表现形式存在下面几种类型1 2 2 1 ，路堤不均匀沉陷损害：一般建 筑和公路路面等对地表的均匀沉降并不是很敏感，但是过大的路堤下沉，即使是 均匀的，在某些条件下也会产生严重后果，同时如果路段地表岩溶作用和岩溶发 育强烈，存在大量石芽、溶沟、漏斗等岩溶形态，其路面高低起伏不一，残留的 堆积物强度较低、厚度不等、压缩性较高、遇水作用等性质差异较大，直接在上 面修筑路堤就会存在很大的危险性，极大的可能会导致路堤的不均匀沉降变形， 由于溶洞或落水洞的局部塌陷引起的不均匀沉降，造成地面凹凸不平，使建筑物 容易丧失稳定性，造成使用条件的恶化。路基失稳损害：在大量的低山斜坡或天然 低山斜坡上修筑路堤，由于填筑层与岩溶地表结合不适，在各种岩溶水的作用下 会引起路堤沿着岩溶表面发生下滑失稳，部分岩溶表面覆有堆积物，路堤还会连 同基底覆盖层堆积物一起整体下滑失稳，对于较大尺寸的地下溶洞，常会因为溶 洞顶板厚度不足导致塌陷，从而引起路堤失稳。 岩溶地区的地质环境很脆弱，岩溶塌陷的发生不仅会改变脆弱的地质环境， 造成严重的水土流失并使环境恶化，而且岩溶地区脆弱的环境一旦破坏后就难以 甚至无法恢复。近年来，随着社会经济建设的发展，人类对环境的破坏与影响力 日益增加，在岩溶地区，因人类活动和工程活动而导致的岩溶塌陷灾害日益频繁 和广泛，造成了巨大的经济损失和严重的危害，据不完全统计世界上有很多国家 发生过严重的岩溶塌陷问题，碳酸岩盐分布面积在我国高达3 4 0 万k m 2 ，是世界上 岩溶塌陷发育最广泛的国家之一。随着越来越多的高速公路在岩溶地区修建，岩 溶作为复杂并且存在极大危险的不良地质现象，成为业内人士关注的焦点，由岩 溶引起的各种地基变形破坏，会严重影响路基的稳定性；由于公路面广线长，对 此类病害得预测、稳定性的评价和处理存在很大难度，因此路基下伏岩溶溶洞问 题日益突出而被提到研究日程上来。在探明岩溶溶洞是否存在、溶洞的大小类型 及岩溶溶洞上覆土层厚度的前提下，科学定量地研究了路基下伏岩溶溶洞对路基 的影响，弄清哪些岩溶溶洞在路面荷载作用下必须进行处理，以便为选择合理的 岩溶溶洞处理方法和处理范围等提供依据，这对防治岩溶溶洞的危害、保证公路 运营的安全是十分必要的【2 3 】。 4 在可溶性岩类主要是石灰岩的分布地区，由于岩溶塌陷经常是突然发生的， 事前没有明显的征兆，因此很难准确预测岩溶塌陷的发生，造成的危害也是难以 预测的，如岩溶塌陷会损坏农田、损害公路、吞噬房屋等基础设施，危害极大； 尤其对已经建成通车的公路、铁路等交通设施的行车安全造成了极大的威胁。岩 溶塌陷的突然发生无法预测，但是根据岩溶的发育程度，通过详细的工程地质调 查，找出潜伏的岩溶洞穴来预测岩溶塌陷发生几率的大小，即判定岩溶塌陷的稳 定性，将其作为防治路基路面塌陷的依据。由于我国喀斯特地貌分布的广泛性和 不确定性以及地下水的来源和水量的不稳定性，计算和验证溶洞塌陷存在较大困 难，因此在建设期和运营期加强预防是很有必要的1 2 4 。 对于地下隐伏溶洞在探测时不宜被发现，在公路桥梁建设中，这种情况下桥 基一般采用桩基的形式，有的在桩基在施工过程中，钻孔会进入或途径地下落水 洞或溶洞的空间，在水下浇灌混凝土时就需要将岩溶空间进行充填，这样做耗料 量较大，导致浪费。严重的情况下还需要更改施工方案，大量增加工程造价，造 成工期拖延，如果及时发现溶洞存在不会造成太大的危害。覆盖型岩溶塌陷危害 主要指覆盖型土洞和落水洞，因上部覆盖土层较厚，地貌特征不是很明显很难被 发现，勘察过程按常规孔布置进行勘探，是很难探测出这种类型的溶洞。工程建 设后，由于现场荷载发生变化而改变了应力条件，再加上降雨和人类活动后地下 水的潜蚀或渗压作用，产生塌陷造成危害【2 5 1 。 ， 岩溶塌陷通常发生在岩溶发育区，由于天然因素或人类活动对隐伏岩溶顶板 或上覆土层的影响，特别是水动力条件的改变引起的环境效应作用下，导致塌陷 突然发生。由于塌陷体成因及机理的复杂性，对于岩溶塌陷的定量预报及成因理 论等尚无系统的、统一的认识。八十年代以来，国内外许多学者针对岩溶塌陷的 发育规律、触发原因、成因机制、分布特征、防治原则、勘探方法、处理措施、 定性及定量预测预报、数值模拟等方面进行了有益的探索，并取得可观的成就。 在岩溶发育区修筑高速公路时，由于塌陷造成的路基破坏情况时有发生，如何进 行有效处治并减小其造成的危害是一个极大的难题，国外公路工程中常使用水平 加筋法防止路基岩溶塌陷造成突然性的破坏，该法在我国一些地区也有应用，但 由于水平加筋体与土之间界面特性及相互作用等极为复杂，其设计理论远远落后 于工程实践，在实际的工程应用中还存在许多问题有待解决，对其开展深入的研 究具有重要的理论价值与工程意义。 1 3 岩溶区路堤处治的研究现状 我国岩溶分布面广、类型多样，许多公路、铁路等交通设施都要穿越岩溶地 区，随即而产生的问题隐伏岩溶洞穴将会对待建或已建工程产生多大的影响。 对岩溶地区进行路基处治，主要是对影响路基稳定性的岩溶塌陷进行预防和处理； 高速公路穿过岩溶地区，在施工过程中不可避免地会碰到岩溶溶洞等不良地质， 影响溶洞洞体顶板稳定性的因素有很多，其中内因有顶板厚度及完整程度、岩体 强度及产状、洞体跨度及形态、裂隙状况及洞内充填情况等因素；外因有荷载大 小、温度、作用次数和时间、湿度等。通过对岩溶地下洞河路基塌陷进行研究， 相似模型与数值模拟分析可以给邻近未塌陷段的处治方案评价与检验提供一定依 据。岩溶对路基的危害较大，实践证明如果不加以处理或处理不当，不仅会影响 工程计划方案发生变更，延长施工期限，造成浪费，而且会产生各种病害【2 6 】。岩 溶区路基稳定性的评价与治理方法在国内外已有广泛的研究，且已经取得很大的 成就，但是不同岩溶区的路基稳定性处理方法都具有自身的适用条件，必须考虑 工程自身的特点，处理方法必须有针对性，才会解决工程存在的问题与危害。 1 3 1 岩溶区路堤处治的国外研究现状 岩溶分布面积广泛，主要分布在人口稠密的地区，这些地区所面临的岩溶灾 害问题非常严峻，此地区人类活动相对强烈，工程相对较多，岩溶灾害引起的后 果严重引起国际研究专家的普遍关注。自2 0 世纪7 0 年代以来，就溶洞问题进行交 流和商讨解决岩溶地质灾害问题的经验与方法等方面前后举行了多次国际会议。 1 9 7 3 年，首次在西德汉诺威国际工程地质协会举行了岩溶塌陷与沉陷方面的专题 国际讨论会，特别对欧洲在蒸发岩地区发生的地面塌陷、勘测技术分布规律和防 治措施几个方面进行了讨论。1 9 7 8 年，美国研究专家主要对岩溶地面塌陷的发育 规律问题进行了研究，并就岩溶地区工程地质的问题举行了讨论会。19 9 6 年美国 学者写了建于溶洞上的建筑物喀斯特地区基础的施工与设计，这本书系统地 介绍了喀斯特地区对于岩溶塌陷德防治措施方面的内容。从1 9 8 4 至u 2 0 0 3 年期间先 后分别举行了9 次关于工程环境对喀斯特地形的影响及溶洞塌陷等多学科的会议， 是关于岩溶塌陷与岩溶问题方面目前世界上举办影响最大、历史最长的国际会议。 2 0 0 4 年，英国一些学者将全国的许多相关专家组织到一起，共同编写了工程施 工过程中喀斯特地区岩溶溶洞塌陷问题，对工程活动中岩溶隐患如何处置的问 题进行了系统地介绍1 3 7 1 。 岩溶路基病害的发育一般是因为隐伏岩溶的存在，极具挑战性的问题之一是 对隐伏岩溶发育带的探测，但是由于发达国家发展快、技术先进以及仪器设备高 级等优势，在这一领域将各种地球物理方法都运用其中。计算机技术的不断发展 不断推出新的物探仪器，探测仪器也在往多功能化、集成化的方向发展，相关的 物探仪器设备已被广泛用于环境地质调查和环境监控、矿产勘探、工程物探等方 面。 国外对隐伏岩溶探测技术极为重视，对其标准或指南进行了制定，方便工作 人员在制定工作方案时也能做出正确判断，如在1 9 9 9 年美国测试与材料协会 ( a s t m ) 1 2 7 颁发了物理方法选择的标准指南( d 6 4 2 9 9 9 ) 。该指南系统介绍了1 2 6 种在水文、工程及环境地质调查中目前常用的不同的物探方法，在此基础上又列 举了每一种方法的易用性、用途、探测深度、分辨率和局限性等方面的特性。对 于隐伏岩溶的探测问题，专业人士一致推荐三个首选方法：频域电磁法、微重力 法、地质雷达：两个次选方法：直流电阻率法、浅层地震折射波法。1 9 9 9 年，英 国大不列颠标准局【2 8 】颁布了( b s 5 9 3 0 地面调查英国实施标准。2 0 0 4 年，美国地 质与地球物理咨询公司对地球物理勘探的经验进行了总结【2 9 1 ，并出版了地面物 理方法，这本书对1 4 种探测方法进行了系统地分析。 目前对岩溶路基稳定性进行评价所面临的重大难题是对岩溶洞穴顶板的安全 厚度及失稳机理的研究，由于岩溶洞穴失稳过程的复杂性和特殊性，模型试验成 为对其进行研究手段之首选。1 9 8 4 年，南非某大学的j m a r i u sl o u w 采用1 ：1 0 的 比例，对混凝土路面由于基岩岩溶塌陷引起的变形及破坏特征等方面进行了模拟。 1 9 7 0 年日本学者【3 们、1 9 8 4 年美国学者【3 、1 9 8 6 年前苏联学者、1 9 9 5 年美国学【3 2 1 、 1 9 9 9 年俄罗斯学者【3 3 1 、2 0 0 4 年英国大学【3 4 】等学者专家先后分别采用物理模型试验、 二维拉格朗日快速变换( f l a c 2 d ) 和有限单元法等数值分析方法，对洞穴高度、荷 载以及洞穴宽度与顶板安全厚度的问题进行了系统地研究。一般情况下在岩溶地 区，溶洞顶板的安全厚度值应超过溶洞宽度的7 0 ，但对于在一般的工程荷载作 用下此值偏于保守，对于高速公路来说更为保守。 岩土工程离心机基本原理是利用机体转动时产生的离心力去模拟物体的实际 重力，利用此机器很多现场的试验都能在室内进行，而且离心机可用于模拟多种 工程问题，国外学者对洞穴上覆粘土层的塌陷问题采用岩土工程离心机进行了地 面塌陷的试验研究工作【3 5 1 ，由于对粘土强度的影响没有考虑在内，就不能把试验 结果推广到其它性质的土层条件中。c r a i 9 1 3 6 1 在1 9 9 0 年用离心模型试验对于粘土直 接覆盖于洞穴之上的情况进行了模拟研究，推算出无量纲的安全系数的极限值， 并通过此无量纲比率，将其推广到模拟其它没有特定条件的土层中。在c r a i g 所做 的试验基础之上，a b d u l l a 和g o o d i n g s 在1 9 9 6 年利用离心机，通过塌陷破坏机理和 导致塌陷的临界组合条件，对洞穴上覆的弱固结砂层的塌陷破坏与弱固结砂层强 度和厚度、洞穴开口大小、洞穴自身强度、地表荷载、以及上覆砂层的厚度的关 系等方面进行了模拟并加以重点研究，但是在岩溶系统中采用离心机对地下水动 态变化对上覆岩土的作用的模拟存在很多方面的局限性。 目前，国外对岩溶路基病害的防治方面进行了大量的研究，研究中总结了对岩 溶路基病害的防治措施，一般情况下主要是采用控制排水、片筏或者条形等特殊 基础、土工格栅等方法。具体应用如下，控制排水 3 s 3 9 j ：覆盖型岩溶区新塌陷的 发生和土层的不均匀沉降大多与地面排水系统受到破坏和人类活动有很大关系， 对于岩溶区处治的一个重要方面要控制好场地的排水。国外的工程师将原有的落 水洞作为处理暴雨的排泄通道，美国肯塔基市为了防止道路路肩土层的塌陷，对 7 子由地表水的入渗引起的塌陷的情况，设置了引水渠道将地表径流引到落水洞中。 特殊基础【3 s 3 9 j ：覆盖型岩溶区不均匀沉降和地面塌陷对建筑物引起的后果和危害 很大，为了对其进行有效地防治，最经济的基础类型采用片筏基础和条形基础， 而最有效的基础类型是片筏基础。国外也常将灌浆加固、桩基等方法用于岩溶病 害的处理。土工格栅【3 8 l ：在公路建设中，广大学者已经广泛认识到采用土工合成 材料来防治路面路基塌陷比混凝土盖板的优势，其中土工合成材料中重型土工格 栅最为有效，其纵向抗张强度高达4 0 0 k n m ，一般情况下仅为4 0 k n m 。1 9 9 8 年， 英国在白垩地层分布区修筑公路时，发现自垩地层发育有深7 m 、直径达2 0 m 、被 粘土砂砾石充填的管道，施工中主要采用以下几种方案进行了处理：对于粘土 充填的小型管道则采用混凝土填塞、大型管道先换填石头采用振动法进行加强后 铺设土工栅格；对于中密砂砾石充填的小型管道上方的路基，铺设加强型土工 格栅，来承受上面的路堤：对于直径超过8 m 的管道，则用桥跨越，桥基采用桩 基础，桩基到管道的间距不小于桩径的2 倍；对于直径小于8 m 、大于l m 的管道 则采用钢筋混凝土盖板跨越，盖板跨度为管道直径的两倍；对于直径l m 以下、 发育在桥基下的管道，彻底清除其充填物，换填为混凝土。 1 3 2 岩溶区路堤处治的国内研究现状 在我国，岩溶区给各类工程建筑包括高速公路在内带来的危害最突出的问题 就是路基的不均匀沉陷或岩溶塌陷，岩溶区公路路基的设计主要是从对影响路基 稳定的岩溶和岩溶水进行预防和处理等方面入手的，主要采取的措施有：跨越、 疏导、堵塞、加固和利用某些岩溶形态【4 0 1 。浅岩溶主要采用充填、堵塞的方式进 行封闭处理，最后在岩溶基坑上面铺设具有特殊功能的土工织物做防水层，以防 止雨水进入已经处理的岩溶内部并形成水囊从而引起的路基病害。深岩溶加固处 治施工的具体作法：先开挖，再在岩溶下部土体进行注浆加固，浇筑钢筋混凝土 板梁，回填浆砌片石，岩溶顶面铺设特殊功能的土工织物做防水层。 从国内外的研究现状可以看到，在对岩溶的探测技术方面，国内水平与国外 相比存在一定的差距。在岩溶塌陷处治方面，国外以结合工程的研究分析进行处 治为主，国内则是开展大量的区域和试验研究工作，在结合工程的专门研究上存 在一定的局限性。对于岩溶区的塌陷引起的危害提到日程以来，国内先后对于岩 溶路堤处治的工程实例数不胜数，也基本形成了成熟的技术，对于不同的工程项 目针对具体的工程环境采取不同的措施，都取得了良好的效果。 熊灵阳 4 1 1 等人1 9 9 8 年以南昆铁路路基岩溶塌陷预防整治的实际资料为依托， 分析了云贵高原山地铁路路基隐伏岩溶塌陷的成因( 地表水的下渗、淘蚀和冲刷 作用等) 和岩溶发育形成的溶缝、溶洞、溶蚀性破碎带，提出该工程的预防整治 方案主要为注浆整治，注浆目的是隔离地表水，提高路基的整体强度。目前我国 铁路对岩溶路基塌陷的整治常常是在发生严重后果后才不得不被迫花大量经费去 8 处理，像南昆铁路线这种未经运营就采取岩溶注浆来加固预防塌陷尚属首例，值 得提倡和推广，这种做法对我国的环境保护及国际减灾计划的实施有着重要意义。 万志清等人【轭1 1 9 9 9 年对发生在桂林市的岩溶地面塌陷的处理方法进行了研 究，其处理方法是先用片石、粘土、砂卵石等进行回填做成反滤层，再进行固结 灌浆。 武汉林等人1 ”1 2 0 0 2 年介绍了对地面塌陷的危害及建筑中地基的处治方法，对 以深部基岩作持力层的高层和超高