CN112001014A - 一种强夯处治溶洞区地基的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强夯处治溶洞区地基的方法，包括如下步骤：步骤一、确定建造路段溶洞的特征；步骤二、选定预设的强夯参数对溶洞区进行大面积强夯：步骤三、根据覆盖层的厚度和强夯参数得到建造路段未击破溶洞顶板跨度的上限；步骤四、根据溶洞顶板跨度的上限和岩土参数，对建造路段的地基施加路堤、车辆荷载进行稳定性验算；若稳定性验算不通过，则在路面基层设置双向配筋连续混凝土板进行补强加固，从而达到处治目的。本发明对可以根据覆盖层厚度和夯击能快速确定未击破溶洞的顶板跨度的上限，从而不必大量钻孔调查溶洞跨度，节省了调查费用和调查时间；具有价格低，施工速度快的优点，能够加快工期，节约工程造价和勘察费用的优点。

Description

一种强夯处治溶洞区地基的方法
技术领域
本发明属于交通领域，尤其涉及一种强夯处治溶洞区地基的方法。
背景技术
溶洞区的路基在运营过程中将面临下伏未探明溶洞塌陷的风险，因此建造时需对隐伏溶洞进行探测、评价和处治。隐伏溶洞处治的难度，不在如何处理，而在如何准确探明溶洞几何尺寸。常用溶洞探测方法有钻探、物探两类。物探理论上可以探测溶洞的空间特征，但是由于技术发展水平限制和岩土介质的复杂性，实际效果很难令人满意。钻探能查明溶洞的埋深，高度和顶板厚度等参数，但即便是大量钻孔也无法准确查明溶洞的跨度。而跨度又是影响溶洞顶板稳定性最重要的因素。缺乏准确的溶洞顶板跨度数据，是难以对其进行稳定性评价的重要原因。
在诸多的地基处理方法中，强夯法的巨大冲击力可以将溶洞击破，然后只要回填溶洞，就可使稳定性存疑的岩溶地基得到妥善处治；反之，如果巨大冲击力也没有将溶洞击破，则说明溶洞顶板具有一定的承载力，或许可以不用处理。因此，用强夯方法处治溶洞区地基，兼顾了地基处治和路基稳定性评价，经济高效。
在强夯作用下，溶洞顶板的作用结果可以分为以下两种情况：①溶洞顶板被击穿；②溶洞顶板未被击穿。对于顶板被击穿的溶洞，可采用块石、碎石土进行充填，消除塌陷风险，相比传统的注浆法，块石、碎石土强夯充填造价低很多。对于未击穿的溶洞，通常认为其具有一定的承载力，通常不进行处理。但是部分溶洞的稳定性实际不能达到道路要求导致其具有塌陷风险。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种强夯处治溶洞区地基的方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种强夯处治溶洞区地基的方法，包括如下步骤：
步骤一、通过钻孔的初步勘察，确定建造路段溶洞的特征，溶洞的特征包括洞高、覆盖层以及溶洞顶板厚度；
步骤二、选定预设的强夯参数对溶洞区进行大面积强夯：若有溶洞被击穿，则通过击穿孔，用片石、块石、碎石土回填后夯实；若溶洞未击穿，则暂不处理；
步骤三、根据覆盖层的厚度和强夯参数得到建造路段未击破溶洞顶板跨度的上限；所述未击破溶洞顶板跨度的上限即在审定的覆盖层的厚度和强夯参数下，溶洞不被击破的最大跨度；所述强夯参数为夯击能；
步骤四、根据溶洞顶板跨度的上限和岩土参数，对建造路段的地基施加路堤、车辆荷载进行稳定性验算,若稳定性验算通过，则不需额外处理；若稳定性验算不通过，则在路面基层设置双向配筋连续混凝土板进行补强加固，从而达到处治目的。
进一步的改进，所述步骤三中，首先试验得到覆盖层的厚度和强夯参数对应的未击破溶洞顶板跨度的上限的对照表；然后根据覆盖层的厚度和强夯参数估算建造路段未击破溶洞顶板跨度的上限。
进一步的改进，所述步骤三中，将试验得到的覆盖层的厚度和强夯参数对应的未击破溶洞顶板跨度的上限的对照表内数据，以覆盖层的厚度为横坐标，以未击破溶洞顶板跨度的上限为纵坐标，进行数据拟合得到设定强夯参数下覆盖层的厚度和未击破溶洞顶板跨度的上限的对应曲线；然后根据覆盖层的厚度和强夯参数查找对应的对应曲线得到未击破溶洞顶板跨度的上限。
进一步的改进，所述对照表如下所示：
Figure BDA0002645812610000021
进一步的改进，所述步骤四中，根据溶洞顶板跨度的上限和岩土参数采用有限元法对地基稳定性进行验算，然后按强度折减法进行计算得到地基稳定性安全系数。
进一步的改进，所述岩土参数包括溶洞顶部各种岩石的厚度、强度参数指标和模量。
本发明的优点：
1.对可以根据覆盖层厚度和夯击能快速确定未击破溶洞的顶板跨度的上限，从而不必大量钻孔调查溶洞跨度，节省了调查费用和调查时间。
2.对于击破溶洞，填充料为块石、碎石土等材料，非常廉价，而且充填后夯实，加固效果好；对未击破的溶洞，选择在路面基层进行补强，利用了顶板自身的承载力，避免触碰溶洞。因而该方法具有价格低，施工速度快的优点，能够加快工期，节约工程造价和勘察费用。
3.有效预防了未击穿溶洞可能存在的塌陷风险。
附图说明
图1a为跨厚比为8的溶洞顶板微裂纹发展过程图一；
图1b为跨厚比为8的溶洞顶板微裂纹发展过程图二；
图1c为跨厚比为8的溶洞顶板微裂纹发展过程图三；
图2为跨厚比为8的溶洞顶板破坏形态图；
图3为跨厚比为7的溶洞顶板微裂纹最终分布图；
图4为跨厚比为7的溶洞顶板破坏形态图；
图5为跨厚比为6的溶洞顶板微裂纹最终分布；
图6为覆盖层厚度H＝4、5、6m条件下，溶洞跨度W与击破能E的关系曲线图；
图7为有限元对地基稳定性进行验算模型图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明的技术方案作具体说明。
1.为了查明不同溶洞跨度的击穿机理，发明的溶洞覆盖层厚度4m，溶洞顶板厚度1m，跨厚比λ分别取4～8，采用6000kN·m(夯锤锤重200kN，夯锤直径2.6m)夯击能进行强夯数值模拟，分析不同条件下溶洞顶板的破坏模式。
溶洞顶板岩石的击穿是强夯过程中内部损伤不断累积的结果，为了揭示强夯作用下溶洞顶板的损伤乃至击穿过程，本发明采用FISH语言编写子程序，用圆盘表示颗粒间断裂产生的微裂纹，监测岩石颗粒之间的黏结情况，实现了岩石微裂纹的追踪显示，揭示强夯过程中溶洞顶板的破坏模式。
1.1强夯击破溶洞顶板的情况
图1a-1c是跨厚比λ为8的溶洞地基在强夯过程中顶板微裂纹的发展过程。
由图1a-1c示的顶板击穿过程如下：强夯中，首先在上部(岩土分层处)产生损伤微裂纹(如图1a所示)，原因是强夯产生的冲击能，以波的形式在地基内传播，在冲击波到达土和岩石分层处，土颗粒和岩石颗粒发生相互错动，产生微裂纹。然后在顶板跨中底面和溶洞顶板支座处出现损伤微裂纹(如图1b所示)，顶板跨中的损伤微裂纹不断向上延伸，形成宏观裂缝，顶板跨中破坏，随后支座由于应力重分布，承受较大的弯矩，支座顶面出现大量损伤微裂纹(如图1c所示)，微裂纹贯通，支座发生破坏，从顶板出现微裂纹到最终破坏时间为108ms，最终破坏形态如图2所示，形成典型的弯拉破坏。
图3是跨厚比λ为7的溶洞在强夯过程中顶板的微裂纹形态，顶板击穿过程如下：在强夯过程中，先是岩土分层处出现损伤微裂纹，然后在顶板跨中底面和溶洞顶板支座处出现损伤微裂纹，裂纹不断发展，最后跨中出现损伤裂纹但未贯通，而支座的微裂纹贯通(如图3所示)，形成宏观裂缝，最终支座破坏，从顶板出现微裂纹到最终破坏时间为66ms，最终破坏形态如图4所示，形成典型的冲剪破坏。
综上，强夯作用下溶洞顶板的破坏模式主要分为2种。当溶洞顶板跨厚比较大时，在强夯作用下顶板发生弯拉破坏，是一种渐进的破坏模式，破坏时间长；溶洞顶板跨厚比稍小时，在强夯作用下顶板发生冲剪破坏，破坏时间短。
1.2强夯未击破溶洞顶板的情况
图5是跨厚比为6的溶洞在强夯过程中顶板微裂纹的最终形态。在强夯过程中，微裂纹与2.1节的发展过程相似，先是岩土分层处出现损伤微裂纹，随后在顶板跨中和支座出现损伤微裂纹，裂纹不断发展，但未贯通，随着冲击能的耗散，顶板的微裂纹不再增加(如图5所示)，最终溶洞顶板未击穿。
当溶洞顶板跨厚比为5时，在强夯作用下不会发生击穿。强夯过程中，只有岩土分层处出现了少量损伤微裂纹，顶板跨中底面和支座不受影响，而溶洞顶板的破坏主要是由于跨中底面和支座的微裂纹向上延伸导致的，因此可以认为跨度较小的溶洞在强夯作用下，溶洞顶板的抗弯、抗剪承载力不受影响。
2强夯处治溶洞地基方法
2.1击破能与溶洞顶板跨度的关系
定义溶洞顶板的击破能E为溶洞顶板离散元颗粒速度不能随时间收敛为零时，对应的最小夯击能。通过分析击破能与顶板跨度的关系，来提出强夯处治溶洞地基的方法。
取夯锤锤重200kN、夯锤直径2.6m和溶洞顶板厚度1m，采用不同夯击能进行强夯数值模拟，图6给出了当覆盖层厚度H＝4、5、6m条件下，溶洞跨度W与击破能E的关系曲线。由图6可知，击破能E随着溶洞跨度W的增加而减少。
2.2强夯处治溶洞区地基的方法
在强夯作用下，溶洞顶板的作用结果可以分为以下两种情况：①溶洞顶板被击穿；②溶洞顶板未被击穿。对于顶板被击穿的溶洞，可采用块石、碎石土进行充填，消除塌陷风险，相比传统的注浆法，块石、碎石土强夯充填造价低很多。对于未击穿的溶洞，则进一步进行稳定性评价后再考虑如何处治。
在溶洞稳定性的评价中，最难获取的数据是溶洞的跨度。由图6可知，一定覆盖层厚度、溶洞顶板厚度的溶洞，在一定夯击能作用下，顶板跨度越大，越容易击破。因此一定夯击能下，未击破溶洞的跨度有一个上限。找到这个跨径上限，就可以对未击破溶洞的稳定性进行估计；并且因为这个跨径是上限，所以评价结果是偏保守的，符合工程要求。
基于上述分析，总结出强夯处治溶洞区地基的方法如下：①通过少量钻孔的初步勘察，确定某路段溶洞的大致特征：洞高、覆盖层以及溶洞顶板厚度等，不要求查明所有溶洞分布和跨度；②选定一定强夯参数对溶洞区进行大面积强夯：若有溶洞被击穿，则通过击穿孔，用片石、块石、碎石土回填后夯实；若溶洞未击穿，则暂不处理。③根据地层和强夯参数估算该路段未击破溶洞顶板跨度的上限。④根据溶洞跨度上限和岩土参数，对该段地基施加路堤、车辆荷载进行稳定性验算,若稳定性验算通过，则不需额外处理；若稳定性验算不通过，则在路面基层设置双向配筋连续混凝土板进行补强加固，从而达到处治目的。
2.3强夯处治溶洞区地基的优势
传统溶洞评价和处治中，为查明所有溶洞跨度所需大量钻孔，不但需要大量时间，还需要大笔勘察费用。而溶洞处理通常采用的是注浆法，存在着处治费用较高，施工中无法控制注浆量等问题。采用强夯进行溶洞区地基处理，经济效益体现在：对于击破溶洞，填充料为块石、碎石土等材料，非常廉价，而且充填后夯实，加固效果好；对未击破的溶洞，选择在路面基层进行补强，利用了顶板自身的承载力，避免触碰溶洞。因而该方法具有价格低，施工速度快的优点，能够加快工期，节约工程造价和勘察费用。
3未击破溶洞跨度上限估算方法
未击破溶洞是将来公路运营的严重威胁，对其进行稳定性的评价的难点是如何确定溶洞顶板的跨度。由于溶洞跨径越大，越容易击破，因此在夯击能一定的情况下，未击破的溶洞的跨径应小于某一数值，本文称该跨度为该夯击能下的“未击破溶洞跨度上限”。
实际工程中常用的夯击能为4000kN·m，6000kN·m，为便于应用，本文给出溶洞顶板厚度1m，不同覆盖层厚度下的未击破溶洞跨度上限，如表1所示。对于其它地质条件，可用发明推荐的数值方法进行计算确定。
表1常见夯击能下未击破溶洞跨度上限
Figure BDA0002645812610000061
可以根据上表数据拟合制作制作对应夯击能下覆盖层厚度-未击穿溶洞最大跨度曲线，从而根据曲线得到一定夯击能下，对应覆盖层厚度的未击穿溶洞最大跨度。
4工程应用
本发明以夏蓉高速湖南宁道段K273+600～K274+000段地基处治作为例说明成果应用方法。
K273+600～K274+300段为填筑路堤的路段，路堤高4m，初步设计勘察发现该段溶洞分布较多，其中路段钻孔10个，发现溶洞的钻孔有6个，地质情况从上至下分别为：①粉质粘土，厚度为1～9m；②中风化灰岩，厚度为1～3m,抗压强度为35.5MPa。该路段的溶洞处于半充填状态，充填物为软塑状粉质粘土，溶洞顶板厚度1～3m，高0.4～3.8m，覆盖层厚度为2.8～5m，溶洞跨度未知。决定对该路段采用(200×20)kN·m夯击能点夯一遍，夯锤直径2.6m，夯点间距5m，每处2击。强夯击穿溶洞3个，击穿后溶洞塌陷位置采用现场片石充填夯实。其中未击穿溶洞顶板厚度取为1m，覆盖层厚度为5m，由表1可知溶洞上限跨度为9m。然后采用有限元对地基稳定性进行验算(方法参见：戴自航.岩溶区高速公路路堤及溶洞顶板稳定性数值分析[J].岩土力学,2014,35(S1):382-390；张林,杨志刚.溶洞顶板稳定性影响因素正交有限元法分析[J].中国岩溶,2005(02):156-159)，计算模型如图7所示，按强度折减法进行计算得到地基稳定性安全系数为1.52，表明该路段未击穿溶洞在路堤荷载作用下处于稳定状态，不会发生破坏，不需额外处治。
上述高速公路均在2012年交工通车，至今未发生溶洞塌陷问题，说明本文的岩溶地基处治方法是可行的。
上述仅为本发明的一个具体导向实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明的保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种强夯处治溶洞区地基的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、通过钻孔的初步勘察，确定建造路段溶洞的特征，溶洞的特征包括洞高、覆盖层以及溶洞顶板厚度；
步骤二、选定预设的强夯参数对溶洞区进行大面积强夯：若有溶洞被击穿，则通过击穿孔，用片石、块石、碎石土回填后夯实；若溶洞未击穿，则暂不处理；
步骤三、根据覆盖层的厚度和强夯参数得到建造路段未击破溶洞顶板跨度的上限；所述未击破溶洞顶板跨度的上限即在审定的覆盖层的厚度和强夯参数下，溶洞不被击破的最大跨度；所述强夯参数为夯击能；
步骤四、根据溶洞顶板跨度的上限和岩土参数，对建造路段的地基施加路堤、车辆荷载进行稳定性验算,若稳定性验算通过，则不需额外处理；若稳定性验算不通过，则在路面基层设置双向配筋连续混凝土板进行补强加固，从而达到处治目的。
2.如权利要求1所述的强夯处治溶洞区地基的方法，其特征在于，所述步骤三中，首先试验得到覆盖层的厚度和强夯参数对应的未击破溶洞顶板跨度的上限的对照表；然后根据覆盖层的厚度和强夯参数估算建造路段未击破溶洞顶板跨度的上限。
3.如权利要求2所述的强夯处治溶洞区地基的方法，其特征在于，所述步骤三中，将试验得到的覆盖层的厚度和强夯参数对应的未击破溶洞顶板跨度的上限的对照表内数据，以覆盖层的厚度为横坐标，以未击破溶洞顶板跨度的上限为纵坐标，进行数据拟合得到设定强夯参数下覆盖层的厚度和未击破溶洞顶板跨度的上限的对应曲线；然后根据覆盖层的厚度和强夯参数查找对应的对应曲线得到未击破溶洞顶板跨度的上限。
4.如权利要求2所述的强夯处治溶洞区地基的方法，其特征在于，所述对照表如下所示：
Figure FDA0002645812600000011
Figure FDA0002645812600000021
5.如权利要求2所述的强夯处治溶洞区地基的方法，其特征在于，所述步骤四中，根据溶洞顶板跨度的上限和岩土参数采用有限元法对地基稳定性进行验算，然后按强度折减法进行计算得到地基稳定性安全系数。
6.如权利要求1所述的强夯处治溶洞区地基的方法，其特征在于，所述岩土参数包括溶洞顶部各种岩石的厚度、强度参数指标和模量。
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