岩溶区公路路基下伏溶洞顶板安全厚度确定方法研究

岩溶区公路路基下伏溶洞顶板安全厚度确定方法研究

中国是世界上最发育的坦陀罗洲之一。如何确定溶洞顶板安全厚度是路基设计的核心问题。针对溶洞顶板安全厚度的确定,传统的方法主要有厚跨比法、普氏拱法、荷载传递线交汇法、结构力学近似方法等,这些方法一直是中国岩溶区路基设计的重要依据,但由于方法过于粗略,作为岩溶区高等级公路路基设计判据时其缺陷性进一步暴露。数值流形方法和有限元法也是确定溶洞顶板安全厚度的重要方法,其计算结果精确,是重大工程溶洞顶板安全厚度评价的重要依据,但由于其建模操作复杂,在大量工程建设中较难采用。隧道开挖对地表变形的影响可给溶洞顶板厚度的评价提供重要参考。该文在此基础上利用限制位移反分析方法来确定顶板安全厚度,推导地表水平位移值和曲率值的计算公式,并通过对具体工程实例的计算,分析新方法和传统方法的解答,验证新方法的可靠性和精确性。1传统研磨头的厚度确定方法1.1压力拱受力分析普氏理论假定岩体由于节理的切割,经开挖后形成松散岩体,但仍具有一定的粘结力,洞室开挖后,洞顶岩体将形成一自然压力拱,压力拱稳定的条件是在拱切线方向只有压力。普氏拱法压力拱受力分析见图1,压力拱跨度计算见图2。由普氏拱平衡理论推导得:式中:fk为岩石坚固系数;D1为拱跨度;θ=45°-φ/2;φ为盖层土体的内摩擦角。压力拱是洞室顶部坍塌造成的,可近似认为压力拱跨度为岩溶洞穴跨度,可得:联立式(1)、式(2)、式(3)可得:对于平面呈圆形的立方体洞室,采用普氏经验系数为0.828,得:由式(6)可得岩溶洞室顶板厚度最小值,即安全厚度。1.2中心传递线深基坑荷载传递线交汇法假定荷载作用在顶板中心,并按与竖直线30°~40°向下传递,当传递线在顶板与溶洞侧壁交点以外时认为此时安全,否则不安全。1.3确定评价指标稳定围岩顶板厚度评价可采用厚跨比法,根据顶板最薄处的厚度H和顶板的水平投影跨度L求出跨厚比H/L,作为评价指标。该评价方法不考虑荷载大小和性质,也不考虑顶板形态。根据经验,当跨厚比H/L≥0.5时是安全的,取跨厚比H/L≥1.0为安全界限。该方法计算简便,但由于考虑因素较少,较为粗略估算时可以采用。1.4安全厚度的估算(1)按梁板模型抗剪强度估算安全厚度。当溶洞洞室较小、顶板较厚较完整、剪力起控制作用时,有极限平衡条件为q=T,T=τhL,得到h=q/(Lτ),其中L为洞室平面四边之和,τ为岩石允许抗压强度的1/12。(2)按梁板抗弯强度估算安全厚度。当厚跨比较小时,弯矩起控制作用,由抗弯计算公式可以得到溶洞顶板的安全厚度,其中M=ue014qL2。2单元体开挖对地表变形和位移的影响针对隧道施工开挖引起地表位移和变形的问题,阳军生、刘宝琛首先推导了单元体开挖对地表位移和变形的影响,进而利用概率理论对隧道进行积分计算,得到隧道开挖对地表的影响。在此基础上利用地表控制位移来反分析溶洞顶板所需的最小安全厚度。2.1单元体结构缺陷计算从统计的观点来看,溶洞的塌陷可以看成无数单元体的塌陷,分析每一个单元塌陷对地表的影响,然后把每个单元体影响叠加即为整个溶洞塌陷对地表的影响。如图3所示,设距离地面一定深度位置有一溶洞,溶洞顶板距离地面为h(即溶洞顶板厚度)。由文献可知,在单元体塌陷情况下得到地表最大下沉值和水平位移值为:式中:r(z)=z/tanβ;β为地层主要影响角,tanβ取决于开挖所处的地层条件,对于地表,主要影响范围r(H)=H/tanβ。当溶洞塌陷后,即溶洞内每个单元都发生塌陷,对溶洞范围内单元体进行积分。地表最大曲率值为:地表最大水平位移值为:地表下沉值直接求解较困难,由文献可知,地表反弯点下沉值约为地表最大下沉值的0.63倍,地表反弯点下沉值为:由于实际工程中溶洞内有充填物及岩石具有碎胀性,实际地表的位移将变小,引入调整系数α,则式(9)~(11)分别调整为:由此可得溶洞塌陷后地表垂直变形Ez(x,z)和水平变形Ex(x,z)为:对于地表,只需将z=0代入即可求解。同样,曲率变形也可对其中变量求解得到变形的表达式,地表的位移和变形即可完全求解。2.2地表变形影响岩溶区溶洞塌陷可考虑为溶洞内各个单元塌陷的集合,根据各个单元塌陷对地表的变形影响,可综合考虑整体溶洞引起的地表变形。如果能应用测量手段或概率评估手段得到地表工程建筑物或构筑物的地表限制变形,即可反分析得到溶洞塌陷引起的破坏延伸高度,从而得到溶洞顶板的安全厚度。精确地测量评估地表限制变形较困难,采矿工业通过大量的工程实践积累了地表限制变形和采空区顶板厚度的关系。苏联专家叶尔马可夫在对煤矿进行细致分析的基础上,建立了不同保护等级的建筑物地表限制变形。后来波兰学者在叶尔马可夫标准的基础上提出了自己的标准,即把安全等级分为四级(见表1):一级为可靠地表,地表不会出现破坏;二级为安全地表;三级为基本安全地表;四级为不安全地表。对于高等级公路路基,按照第三级进行限制,先确定高等级公路的破坏判据,再根据破坏判据确定溶洞塌陷向上的传递高度,此即为溶洞顶板的最小安全厚度。广西玉林某一级公路经过岩溶区,地质勘探资料显示该公路多处下伏溶洞。下面选取其中一合同段路基下伏溶洞进行计算分析,得到溶洞顶板的最小安全厚度,评价其对路基可靠性的影响。资料显示该地区上覆土层厚度为4.8~6.0m,该土层为第四系粉质黏土,下伏基岩为弱风化石灰岩,岩溶发育强烈,已勘探出地面以下24.8m处有一溶洞,洞室高2.9m,形状接近圆形,直径约为勘探处洞室高度,溶洞顶板厚度为0.4m,洞室内填充部分杂填土。由于该地区没有建立配套变形监测机构,根据周围矿山的变形监测资料,结合工程经验,取定tanβ=1.7。计算结果表明,溶洞正上方位置的下沉量最大,下沉值为120mm,影响半径约为18.1m,地表的最大水平位移发生在距离洞室中心线两侧约8m位置,最大水平变形值为4.8mm/m,地表的最大曲率发生在洞室正上方,最大曲率值为102m-1,溶洞的最小安全厚度为0.28m。对照表1可知,该高等级公路路基的溶洞顶板安全厚度达到要求,地表变形和位移符合