城市道路路基空洞區(qū)演變分析
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肖文興 錢勁松
（同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室上海 201804）
摘要 通過有限元軟件ABAQUS模擬計算路基空洞的發(fā)育過程中，交通荷載作用下道路結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明：砂土路基中空洞發(fā)育初期，交通荷載的作用引起土體塑性失效，導(dǎo)致路面快速破壞塌陷；粘土路基不發(fā)生塑性失效，空洞緩慢發(fā)育擴大至跨徑6m時路面塌陷。借助探地雷達在道路檢測中的應(yīng)用，可及時發(fā)現(xiàn)路基空洞的存在并予以修復(fù)。
關(guān)鍵詞 路面塌陷 路基空洞 數(shù)值分析破壞模式
近年來，我國各大城市道路塌陷事故頻繁發(fā)生，不僅引起交通的中斷，往往還伴隨著各種通信、電力等基礎(chǔ)設(shè)施的損壞，嚴重地影響生產(chǎn)和生活。城市道路塌陷的原因多樣，可歸結(jié)為自然因素、路面荷載變化、施工擾動和地下管線泄漏4大類。其中地下管線泄漏是主要成因。侯超群、袁鵬等論述了城市地陷的發(fā)育過程，其主要形式是地下滲流帶走土基顆粒形成空洞，空洞在外部擾動下進一步擴大，至路面覆蓋層不足以支撐其自身重量和上覆荷載時就會產(chǎn)生路面塌陷，路面塌陷只是路基空洞擴展后在地面的宏觀表現(xiàn)。萬志清、歐陽振華等等分析了土洞形成的機理及其力學(xué)機制，研究了土洞擴展的條件，從力學(xué)的角度揭示了地面塌陷的本質(zhì)。這些研究都只是定性地揭示了城市道路塌陷的機理，而關(guān)于道路下伏路基土洞發(fā)育的定量化研究仍然較少。本文結(jié)合了前人的研究成果，從土洞形成的機理出發(fā)，對市政給排水管道破損滲水引起的路基空洞的發(fā)育過程進行了有限元數(shù)值模擬，得到了路面塌陷時路基空洞的極限臨界狀態(tài)以及路面塌陷的影響因素。
1 有限元模型
采用大型通用有限元軟件ABAQUS來模擬分析交通荷載作用下路基空洞的道路結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。圖1所示為有限元模型示意圖，模型幾何尺寸為8m×8m×8m。模型側(cè)面采用垂直方向的位移約束，底面采用三向位移約束，面層表面作為自由面不進行任何約束，各結(jié)構(gòu)層層間為完全連續(xù)接觸。荷載類型選用瀝青路面設(shè)計規(guī)范提出的BZZ-100單軸雙輪組標準荷載，加載面為矩形，通過Ikeda經(jīng)驗關(guān)系式計算得到輪胎接地壓力p=0.557 8 MPa。模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分( Structured)，計算單元采用8結(jié)點線性六面體C3D8R單元。
建模時設(shè)置空洞從給排水管道管徑中心埋深H-2 m處往上發(fā)育，空洞區(qū)域與相應(yīng)的道路結(jié)構(gòu)各層位材料一致，僅將回彈模量設(shè)置為無限小。路基空洞形成之后，周圍土體由于滲水原因抗剪強度會有很大改變；結(jié)合黃琨、王麗等關(guān)于含水率對土的抗剪強度的影響的研究成果，本文在分析時對空洞周邊浸水土體的抗剪強度做一定的折減。
目前城市道路大多采用瀝青路面結(jié)構(gòu)，砂土和粘土是常用的路基填料。結(jié)合《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》的要求，確定本文計算采用的道路結(jié)構(gòu)材料主要參數(shù)見表1。
2結(jié)果分析
2.1砂土路基路面塌陷的破壞模式
拱腳是拱體受力的承力機構(gòu)，土拱能否穩(wěn)定存在，很大程度上取決于拱腳是否堅固。路基空洞中的“拱腳”土體，十分容易被管道滲水侵蝕破壞，引發(fā)土拱受力的重新分布，從而形成新的拱體形狀，直觀表現(xiàn)為空洞的擴大。為動態(tài)研究路基空洞發(fā)育各時期路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的特點，從空洞發(fā)育初期(B=l m，D=0.3 m)開始進行數(shù)值模擬。
計算結(jié)果表明，在空洞發(fā)育的初期，行車荷載作用下的路基土洞在拱腳處開始出現(xiàn)塑性破壞，見圖2，陰影部分為塑性應(yīng)變區(qū)，拱腳土體的破壞使空洞沿跨徑方向逐漸擴展。
在地面荷載作用下，空洞進一步發(fā)育，跨徑增大到3m時，路基土體塑性區(qū)逐漸連成一片，見圖3，此時空洞上方路基土體因出現(xiàn)塑性滑移面而坍塌，路面結(jié)構(gòu)處于兩端支承、中間懸空的狀態(tài)。
路面懸空之后，在地面荷載持續(xù)作用下，路基土體塑性破壞由空洞區(qū)域向路基兩側(cè)擴展，空洞跨徑不斷增大。隨著路基土體塑性破壞區(qū)域的橫向擴展，路面結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力不斷重新分布。如圖4所示，當(dāng)空洞區(qū)域的跨徑增大到5.5 m時，底基層底面拉應(yīng)力將率先超過抗拉強度而拉裂破壞；底基層破壞之后，基層荷載應(yīng)力突增而拉裂破壞；隨后面層出現(xiàn)3點拉裂破壞，路面塌陷。
2.2粘土路基路面塌陷的破壞模式
相對砂土而言，粘土顆粒間粘聚力較大，土體抗剪強度較大，是更加優(yōu)良的路基填料。計算發(fā)現(xiàn)，在空洞發(fā)育的各階段，行車荷載作用下路基土體并沒有出現(xiàn)塑性破壞，而是在管道滲水和空氣負壓作用下，“拱腳”破壞，空洞的跨徑緩慢增大，引起空洞上伏土體的應(yīng)力自調(diào)整，逐漸剝落脫空，空洞擴大使路面結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)增強。計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)路基空洞跨徑發(fā)育到6m時，底基層抗拉強度不足被破壞，基層、面層隨即也被破壞，路面塌陷。
可以發(fā)現(xiàn)，路基土的性質(zhì)，尤其是抗剪強度，是影響城市道路塌陷破壞模式的決定因素。砂土路基抗剪強度較小，遠不足以抵抗行車荷載作用所產(chǎn)生的剪應(yīng)力而發(fā)生塑性破壞；抗剪強度較大的粘土作為路基時，空洞周邊土體在滲水、荷載作用下逐漸剝落，空洞發(fā)育十分緩慢。
3路基空洞的檢測及防治
在路基空洞的發(fā)育過程中，降雨、滲水等因素將使得土體濕度增加，強度軟化，導(dǎo)致瀝青路面沉陷和裂縫等病害，同時引起過往車輛行駛過程顛簸不暢。如果在路面塌陷之前及時發(fā)現(xiàn)空洞的存在并維修補救，能夠有效地避免交通事故的發(fā)生。
探地雷達利用高頻電磁波在地下介質(zhì)的傳播特性來探測地下目標。探地雷達發(fā)射的高頻電磁波在傳播過程中遇到介電差異的材料（如路面結(jié)構(gòu)層分界、空洞）時便發(fā)生反射，返回地面由天線接收。通過對反射波進行處理和分析，根據(jù)接收到的雷達波形、強度和走時等參數(shù)推斷出地下目標體空間位置、結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)，從而達到對地下隱蔽物的探測目的。
路基空洞中一般為空氣或水，與周圍土體的介電特性差異較大，借助探地雷達對道路下伏空間進行連續(xù)無損探測，通過對探地雷達接收到的反射波形進行數(shù)據(jù)、圖像上的解析，能夠成功地定位路基空洞的位置和大小，見圖5。
在對路基空洞成功地定位之后，應(yīng)進行必要的處治，以防路面塌陷的發(fā)生。一般來說，有直接開挖回填和鉆孔注漿2種方式可供選擇。對于由管道破損滲水引起的路基空洞，建議直接開挖，在管道維修完成后回填路基并修復(fù)路面；而對于其他原因引起的路基空洞，選用鉆孔注漿的方式更加經(jīng)濟、實用、環(huán)保。
4結(jié)論
(1)砂土路基中空洞的發(fā)育引起行車荷載作用下土基的塑性失效，進而加速空洞的擴大；數(shù)值模擬得到空洞跨徑為3m時，土基塑性失效，路面結(jié)構(gòu)因抗拉強度不足逐層拉裂破壞，路面塌陷。
(2)路基土性質(zhì)是影響城市道路塌陷破壞模式的決定因素；相對于砂土路基而言，粘土路基抗剪強度較大，在滲水、行車荷載作用下不出現(xiàn)塑性失效；路基空洞發(fā)育緩慢，最終在跨徑達到6m時，路面結(jié)構(gòu)因強度不足而破壞。
(3)探地雷達是一種無損、快速的道路病害檢測設(shè)備，在路面出現(xiàn)沉陷、裂縫等病害時，可及時采用探地雷達準確地探測出路基中空洞的位置和大小，并通過鉆孔注漿、開挖回填等方式進行處治，避免塌陷的發(fā)生。
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