2袁臻

请尊敬的各位专家、教授指导！,岩溶地区路基失稳数值模拟与处治评价,主讲人：袁 臻,芮勇勤1，2，袁海利3，袁 臻1，肖春发1，熊 韬1，周传敏1 (1。长沙理工大学，长沙 410076；2。东北大学，沈阳 110004；3。江西省交通工程集团，南昌 330003),Changsha University of Science & Technology,在我国西部地区，岩溶特别发育的地方。主要分布在贵、滇、川东、鄂西、湘西。 从上世纪80年代起，坐拥庞大资源的西部，就被人称之为“富饶的贫穷”。西部的贫穷并不是缺乏资源，而是缺乏整合资源的手段，是落后的基础设施与不合理的产业结构。特别是交通的落后已成为西部经济发展的瓶颈，要改变这一局面的就必须大力发展交通事业，将西部的资源最大限度地合理利用起来。 在这种情况下，交通部早期规划的“五纵七横”12条国道主干线有8条连通西部。近期根据中央经济工作会议指出的“加快打通西部地区与中部和东部地区、西南地区与西北地区、通江达海、连接周边的运输通道”要求，交通部依托国道主干线，规划了开发西部公路大通道工程。西部公路大通道原则上是以二级以上公路技术标准实施，重点建设8条路线，总规模约1.5万公里。 随着“西部大开发”和“可持续发展”等战略的实施，西部的路网密度将大幅度提高。许多公路等交通都需要源于或穿越这些岩溶地区，随即而来产生的问题就是，在这些岩溶地区，隐伏的空洞将会对待建的或已建的道路工程产生什么样的影响，有必要结合空洞地区的具体工程在这些方面作些探索。,问题的提出,岩溶洞穴分布图,一、社会与经济发展的要求 在未来二十年内，中国经济的持续高速发展迫切需要大规模地基础设施建设来拉动，交通基础设施建设也将以前所未有的速度在这些相对比较落后的岩溶地区发展，以带动这些地区经济和社会的发展。 由于对道路工程下伏岩溶洞穴所引起的沉陷灾害的机理缺乏深入的理论研究和较少工程实践，以至于一些道路工程在岩溶洞穴地区修筑时，由于各方面的影响因素考虑不到位，或营运中在附加静荷载和运输工具的动荷载的影响下，路基下方原来相对稳定的岩溶洞穴出现了“活化”，导致地表残余变形过大，影响到了正常使用甚至发生了事故，从降低成本，确保安全的角度出发，对下伏岩溶洞穴地区路基工程稳定性进行数值模拟分析研究，以指导我们的设计与施工就显得十分重要。,研究的意义,公路营运当中岩溶塌陷引起的路面破坏,二、交通建设对学科的发展提出了更高的要求 岩溶地区的路基稳定性问题在国内外都属于一个较新的研究课题。岩石力学与数值分析的发展为其深入研究提供了理论基础与实现手段。从丰富岩土力学内容，将理论的发展转化为生产力的角度出发，研究也显得非常迫切与必要。 总之，岩溶地区路基稳定性问题是一个复杂的系统问题。采用数值分析、计算机模拟的方法不但可行，而且可以花费较少的人力、物力和较短的时间找到影响岩溶地区路基稳定性的主要影响因素和影响程度。这不但对岩石力学理论发展，而且对于工程实践都具有非常积极的意义。,本论文研究的意义,国内外主要研究概况,近十多年以来，我国岩溶路基破坏模拟方向研究取得长足的进展。在广泛引进国外先进技术的基础上，探索出适合于我国实际情况的研究途径。 芮勇勤等教授带领的课题组，对承担的西部交通科技项目进行了“岩溶地区公路工程地质勘察与综合评价技术研究”和“岩溶对公路（路基、桥基、隧道）的稳定性影响研究”，该课题通过有关实体工程实例和理论分析，系统研究了不同岩溶地区地质工程条件对公路工程（路基、桥基、隧道）的危害程度；利用模拟试验和数值模拟（RFPA2D，RFPA3D）研究手段，研究复杂岩溶工程稳定性问题；并建立了相应的稳定性综合评价技术标准 。,下伏岩溶洞穴路基的稳定性评价 (概况国内),总的来说，评价道路工程下伏岩溶洞穴稳定性问题，分析方法可大致分两大类，一类是在工程实践中发展起来的平面解析法，它计算较为简单，对工程设计建设具有一定的指导作用，但因为计算条件过于简化，其计算结果往往和实际情况有一定的出入。另一类方法是随计算机技术发展而出现的数值模拟法，它能较好地模拟实际岩溶洞穴的发育分布情况，能就具体问题作出较为准确的稳定性评价。,国内外主要研究概况,下伏岩溶洞穴路基的稳定性评价 (评价方法),一、平面解析法对岩溶洞穴稳定性评价1基岩中岩溶洞穴稳定性评价 (1) 完整顶板稳定性评价 荷载传递线交汇法 双向板分析法 厚跨比法 成拱分析法 (2) 不完整顶板稳定性评价 洞穴顶板坍塌堵塞估算法 结构力学分析法2第四系松散覆盖层中洞穴稳定性评价 (1) 破裂拱法 (2) 经验公式法 (3) 坍塌平衡法 (4) 洞顶板坍塌堵塞法 二、数值模拟法对岩溶洞穴稳定性评价,路基下伏岩溶洞穴路基的稳定性评价方法,1地形地貌； 2下伏岩溶发育程度； 3岩溶洞穴顶板厚度； 4岩溶洞穴的分布位置； 5岩石化学成份； 6岩体结构； 7岩溶地下水的埋藏、补给、径流和排泄情况； 8重力和人工加载；,影响岩溶洞穴区路基稳定性的主要因素,岩溶洞穴引起路基失稳实例分析,路基塌陷段工程概况,K468+000K469+200,该段为袁水河冲洪积平原，地形平坦开阔，上覆亚粘土及砾砂，厚度较大，下伏基岩为灰岩。本区发育有一系列北东向断层群，断裂倾向南东，倾角4060，由于本区断裂构造很发育，导致下伏基岩比较破碎，岩溶很发育，其中K469+025 055处出现一大的岩溶塌陷，呈近似圆形，直径30m，深20m。,路基塌陷段工程概况,因为该段在勘察阶段未发现有岩溶发育，直到路基填筑到9m左右时，在K469+025 K469+055处发生岩溶塌陷，才对该处进行了地质补勘，基本探明了K469+000K469+200段的岩溶发育与分布情况。路基下伏岩溶分布与路线位置关系如图所示。,建立模型,现根据具体的地形、地质钻孔资料，建立了三维模型来进行分析。为了减小模型边界对塌陷区数值计算的影响，现取原地层模型的长、宽、高分别为280m180m80m。建好后的模型如图所示。,岩溶洞穴路基塌陷数值模拟,定义材料属性及参数调节,岩溶洞穴路基塌陷数值模拟,单元网格划分与边界条件设置,文中分析选用大变形理论、DP屈服准则、位移收敛准则。,岩溶洞穴路基塌陷数值模拟,有限元模拟结果分析（1）,地表位移等值线图,在K469+020K469+180段，随地下暗河岩溶发育程度的不同，路基产生了不同程度的变形。显然在发生塌陷的K469+020K469+060位移较大，而在K469+060K469+180段，岩溶发育相比前段较轻，位移相对较小。,岩溶洞穴路基塌陷数值模拟,有限元模拟结果分析（2）,K469+020K469+060段所得到的位移场与应力场的分布大致与实际相符，可以认为分析所采用的岩土体参数较为合理。从而为下一步K469+060180的工程处治方案的模拟评价提供了基础,横断面位移等值线图,纵断面位移等值线图,岩溶洞穴路基塌陷数值模拟,路基沉陷整治方案数值模拟分析,方案一：双层连续配筋混凝土板；方案二：双层连续配筋混凝土板+碎石桩；方案三：双层连续配筋混凝土板+静压注浆；,路基沉陷整治方案数值模拟分析（方案一）,地表位移等值线图,路基沉陷整治方案数值模拟分析,路基沉陷整治方案数值模拟分析（方案一）,从路面各向应力分布图看，因受下伏岩溶的影响，路面的应力应变分布比较紊乱，在这种复杂受力条件下，极易使路面产生裂隙，加速路面的老化，大大缩短路面的使用寿命。而路面的疲劳开裂，不仅会使路面的抗变形能力降低，更重要的是随着地表水的下渗等影响，会加速下伏路基与基岩的变形与破坏，最终可能导致暗河顶板断裂，导致上部路基塌陷。,路基沉陷整治方案数值模拟分析,路基沉陷整治方案数值模拟分析（方案一）,从路基及顶板的位移分布可得出，在暗河流向改变的河道加宽段K469+130K469+160，位移受岩溶洞穴影响明显，顶板最大相对位移为16.8mm。 综上所述，尽管采用了双层连续配筋的混凝土结构增加了路面结构的整体刚度，但并没有很有效地改变暗河顶板的受力情况，河道两侧岩体剪应力与顶板下部相对位移仍较大。这对于该处完整性不是很好的灰岩顶板来说，长期处于这样一种受力状况之下，是很容易引起暗河顶板塌陷，导致上伏路基失稳的。,路基沉陷整治方案数值模拟分析,主要研究结论,昌金高速K469+000K469+200岩溶路基塌陷分析与处治评价 1、文中通过对塌陷段的模拟反分析,得到较合适的岩土体参数,并将这些参数运用到临近段的处治方案模拟评价中。从塌陷段K469+000K469+080模拟的结果来看，与实际调塌陷状况相近，说明所建立的三维模型、单元类型、设置的边界条件以及网格划分是可行的，从而所采用的岩土体参数是比较合理的。 2、从K469+080K469+180段“双层连续配筋混凝土板”方案的数值模拟结果来看，尽管增大了路面的结构的抗变形能力，但并没有改变岩溶顶板的受力状况，其顶板最大位移为55mm ，这对于具有一定裂隙与脆性的顶板来说，长期处于一种这样的受力状态，很容易因顶板塌陷引起上伏路基失稳，因此建议该段整治应采取“双层连续配筋混凝土板+碎石桩”方案。,岩溶洞穴路基工程勘察设计的几点思考,1、对于岩溶发育地区的高等级道路设计，应把设计前的工程地质勘察提高到一个更加重要的地位上来，特别是对于路幅范围内的工程地质勘察，应投入较多的勘察工作量，基本查明岩溶分布、发育规律及对公路工程的影响程度，为设计方案的确定提供充分的地质依据。这样就可以将一些问题避免在设计阶段，以减少工程建设当中不必要的人力与财力浪费。 2、施工单位进场施工前，应详细调查对地形地貌以及询问当地居民附近岩溶的分布情况，特别有是有地下暗河的出入口的路段附近，尽量发现勘察未发现的岩溶地貌，及时变开更不合理的设计，以减少因勘察不明、设计不当导致岩溶塌陷所带来的损失。 3、在道路建