一种预加应力检测岩溶路基顶板承载能力的方法与流程

本发明涉及一种采用预加应力检测岩溶区路基顶板承载能力的方法。

背景技术：

岩溶是公路工程建设中常见的地质问题，处理不当将导致地下洞穴顶板坍塌，引起上部路基坍陷、下沉、开裂等病害，对路基的稳定造成重大影响。目前，对于深埋路基以下的洞穴型溶洞，判定方法有跨厚比法、坍塌堵塞估算法、破裂拱估算法等半定量分析方法，基于剪切概念和梁板弯矩受力的安全厚度定量分析法，以及基于有限元分析的数值法。但是由于岩溶埋于地下，现有的勘察技术手段尚无法准确的提供溶洞内部形状、顶板厚度分布、顶板基岩强度指标等技术参数，使得现有的判定方法准确性、可靠性均存在不足。

原位承载力检测是一种直观、有效的判定方法，但是目前尚没有原位测试的标准方法，现场模拟道路运行情况的等尺度荷载试验实施难度大，成本高，不易实现，所以需要有一种简便易行的，可靠有效的原位测试方法。cn105862703b一种岩溶地区路基承载能力的原位测试方法及测试装置，提供一种原位测试方法，确实可以直观有效的判定岩溶顶板是否满足荷载要求，但是采用的等效冲击荷载与一般路基承受的静态荷载方式存在一定差异，只能近似等效于路基荷载作用下受力情况，另外冲击荷载测试装置需要依专利制作，配置专用履带车设备，应用范围受到局限。

技术实现要素：

为解决背景技术中技术问题，本发明提供了一种预加应力检测岩溶路基顶板承载能力的方法，通过预应力张拉施加集中荷载检测岩溶顶板的承载能力，能够有效模拟溶洞顶板受力情况，确保顶板整体受力在可靠范围内，彻底消除岩溶区路基由于基础资料不足、设计参数可靠性低等因素造成的岩溶区路基坍塌、开裂等病害隐患；也可以为溶洞处理与否提供可靠依据，避免一些过度处理造成的工程浪费；而且本方法可以直观、有效地判定岩溶路基顶板是否满足路基设计荷载要求，是否需要进行相应的加固处理。

为实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：

一种预加应力检测岩溶路基顶板承载能力的方法，其特征在于按以下步骤进行：对岩溶路基的顶板进行受力分析，根据岩溶路基顶板的受力分布情况，得到最大弯矩设计值mmax和最大剪力设计值qmax；构建由均布荷载和集中荷载组成的简化力学模型，求取施加预应力集中荷载值；根据预应力荷载值确定锚固长度、锚杆材料和锚杆直径参数；在溶洞中部钻孔，插入锚杆并注浆锚固，设置混凝土底座和钢板作为承载板；利用预应力张拉设备施加集中荷载，锁定后监测应力变化并观察周边基岩和土体的状况，判定岩溶顶板的承载能力。

具体实施方法如下：

步骤1、对岩溶路基顶板的受力进行分析，根据岩溶路基顶板的受力分布情况，得到最大弯矩设计值mmax和最大剪力设计值qmax；

依据《公路工程技术标准》jtgb01、《公路路基设计规范》jtgd30等相关技术标准和规范，可将岩溶路基顶板、覆盖层和填筑路基简化为均布荷载，将汽车荷载简化为集中荷载或均布荷载，根据岩溶路基顶板的受力分布情况得到最大弯矩设计值mmax和最大剪力设计值qmax；

步骤2、构建由均布荷载和集中荷载组成的简化力学模型，求取施加的预应力集中荷载设计值；

简化力学模型采用简支梁结构，均布荷载q由岩溶路基顶板和覆盖层简化构成，预应力集中荷载设计值pd作用于简支梁结构中间，预应力集中荷载设计值pd通过以下公式求取，关系式为：

q＝∑hi·γi

p1＝2qmax-q·l

pd＝k·max(p1，p2)

式中：q—由顶板和覆盖层产生的单位长度均布荷载(kn/m)

γi—顶板和覆盖层的容重(kn/m³)

hi—顶板和覆盖层的厚度(m)

l—溶洞的跨度(m)，由物探勘察确定

mmax—最大弯矩设计值，由受力分析取得(kn·m)

qmax—最大剪力设计值，由受力分析取得(kn)

p1—最大弯矩设计值对应集中荷载值(kn)

p2—最大剪力设计值对应集中荷载值(kn)

k—安全系数，取1.2～2.0

pd—施加预应力集中荷载设计值(kn)

步骤3、根据预应力集中荷载设计值pd选取锚杆体材料并确定相关锚固参数；

锚杆体材料可采用钢绞线或预应力螺纹钢筋。

锚杆体截面积由下式求取：

式中：a—锚杆体截面积(mm²)

fptk—锚杆体材料抗拉强度标准值，由相关标准或规范查得(mpa)

k1—安全系数，取1.2～1.8

pd—施加预应力集中荷载设计值(kn)

锚固段长度lm由基岩与注浆体间黏结长度lr和注浆体与锚杆体之间的黏结长度lg确定；

基岩与注浆体间黏结长度lr(m)由下式求取：

式中：d—钻孔直径

frb—基岩与注浆体间的黏结强度设计值，可由相关标准、规范查得或由试验确定(kpa)

k2—安全系数，取1.8～2.0

pd—施加预应力集中荷载设计值(kn)

注浆体与锚杆体之间的黏结长度lg(m)由下式求取：

式中：dg—锚杆体直径，可由锚杆体截面积a计算求取(mm)

fb—注浆体与锚杆体间的黏结强度设计值，可由相关标准、规范查得或由试验确定(kpa)

n—锚杆体根数(根)

k2—安全系数，可取1.8～2.0

pd—施加预应力集中荷载设计值(kn)

锚固段长度lm取基岩与注浆体间黏结长度lr和注浆体与锚杆体之间的黏结长度lg的较大值。

步骤4，在溶洞中心区域开挖检测基坑，开挖至基岩顶板的顶面，面积1～3m²，在溶洞中心位置钻孔，孔径d取60mm～150mm，钻孔需要穿过溶洞伸入底部基岩内，长度不应小于步骤3确定的(lm+1)m。

步骤5，在钻孔中插入锚杆体，直至钻孔底部，锚杆体选用钢绞线或预应力螺纹钢筋，直径dg和根数根据步骤3确定，插入时应每隔1～2m设置隔离架。

步骤6，灌注水泥浆将锚杆体锚固，水泥浆采用m30水泥砂浆、m40水泥砂浆或水泥净浆。

步骤7，在基岩顶板面设置钢筋混凝土承载板，采用c20～c40混凝土，长度、宽度取20～50cm，厚度10～20cm，设置横向和纵向钢筋，钢筋直径φ10～16mm，间距50～150mm，钢筋混凝土承载板顶部设置15cm×15cm的钢板作为承压钢垫板，厚度10～20mm，钢筋混凝土承载板和钢垫板均应留有φ50～100mm孔洞，便于锚杆体钢筋穿过。

步骤8，待锚固水泥浆和承载板混凝土达到设计强度后，利用预应力张拉设备施加预应力pd，张拉分5级进行，每级荷载分别为0.2pd，0.4pd，0.6pd，0.8pd和pd，每级张拉后应稳定10min以上再进行下一级张拉，期间注意观察周围地面和应力变化情况。

步骤9，最后一级张拉稳定10min后，锁定锚杆体，观察周围土体变化和锚杆体应力变化情况48h以上，如周边土体及基岩顶板未出现塌陷、隆起、开裂等变形病害，预应力损失微小，则可判定基岩顶板承载力满足路基设计荷载要求，可不进行处理，否则说明基岩顶板承载力不足，应进行相应的处理。

步骤10，试验检测完成，撤除预应力张拉设备，采用c40混凝土回填钻孔，将基坑回填夯实。

本发明通过预应力张拉施加集中荷载检测岩溶顶板的承载能力，能够有效模拟溶洞顶板受力情况，确保顶板整体受力在可靠范围内，彻底消除岩溶区路基由于基础资料不足、设计参数可靠性低等因素造成的岩溶区路基坍塌、开裂等病害隐患；也可以为溶洞处理与否提供可靠依据，避免一些过度处理造成的工程浪费。而且本方法可以直观、有效地判定岩溶路基顶板是否满足路基设计荷载要求，是否需要进行相应的加固处理。

附图说明

图1为本发明的岩溶路基顶板承载能力检测完成后的示意图。

图示说明：

1—溶洞，2—基岩，3—覆盖层，4—检测基坑，5—钻孔，6—锚杆体，7—水泥浆锚固，8—混凝土承载板，9—钢垫板，10—预应力张拉设备。

具体实施方式

实施案例1：

本实施案例为高速公路，荷载等级为公路i级，路基填筑高度5.0m，填料容重20kn/m³，地勘资料显示，表层覆盖层碎石土，厚度1.2m，容重18kn/m³，下部为石灰石基岩，存在一跨度l为5.2m的溶洞，基岩顶板厚度为3.1m，容重23kn/m³。

1、对上述岩溶路基顶板进行受力分析，填筑路基高度5.0m，公路i级，车辆荷载依据《公路路基设计规范》jtgd30简化为16.25kn/m均布荷载，路基填土、覆盖层和基岩顶板产生均布荷载为192.9kn/m，总的均布荷载为209.2kn/m，根据岩溶路基顶板的受力分布情况，得到最大弯矩设计值mmax为706.9kn·m，最大剪力设计值qmax为543.8kn。

2、构建简化力学模型，简支梁结构，跨度l为5.2m，均布荷载q由基岩顶板和覆盖层简化构成，基岩顶板厚度h1为3.1m，容重γ1为23kn/m³，覆盖层厚度h2为1.2m，容重γ2为18kn/m³，求取q＝92.9kn/m。

根据最大剪力设计值qmax求取对应的集中荷载值p1为604.5kn。

根据最大弯矩设计值mmax求取对应的集中荷载值p2为302.2kn。

取安全系数k为1.3，施加预应力集中荷载设计值pd为785.9kn。

3、根据预应力集中荷载设计值pd选取锚杆体材料并确定相关锚固参数。

采用钢绞线作为锚杆体，则fptk＝1860×10³kpa，安全系数k1取1.2，求取锚杆体截面面积a＝507mm²，取直径15.2mm，n＝3，钢绞线总面积为544mm²，满足要求。

根据地质勘察资料，基岩为较硬岩，岩体与注浆体黏结强度设计值frb＝800kpa，钻孔直径110mm，安全系数k2取1.8，求取基岩与注浆体间黏结长度lr为5.12m；

采用m30水泥净浆锚固，查《公路路基设计规范》jtgd30，钢绞线与水泥净浆之间的黏结强度fb＝2.95mpa，求取注浆体与锚杆体之间的黏结长度lg为3.35m；

锚固段长度lm取lr和lg的较大值5.12m，取整后确定lm＝6.0m。

4、在溶洞中心区域开挖1.5×1.5m检测基坑，开挖至基岩顶板的顶面，在溶洞中心位置钻孔，孔径d取110mm，钻孔需要穿过溶洞伸入底部基岩内，长度7.0m；

5、在钻孔中插入锚杆体，直至钻孔底部，锚杆体选用钢绞线，直径dg为15.2mm，根数为3根，插入时应每隔1.5m设置隔离架。

6、灌注水泥浆将锚杆体锚固，水泥浆采用m30水泥净浆。

7、钢筋混凝土承载板采用c40混凝土，40×40cm，厚度15cm，横、纵向钢筋直径φ14mm，间距10mm，承载板顶部设置15cm×15cm的钢板作为承压钢垫板，厚度10mm，承载板和钢垫板均留有φ90mm孔洞，便于钢绞线穿过。

8、待锚固水泥浆和承载板混凝土达到设计强度后，利用预应力张拉设备施加预应力pd，张拉可分5级进行，每级荷载分别为157kn，314kn，472kn，629kn和786kn，每级张拉后稳定10min以上再进行下一级张拉。

9、最后一级张拉稳定10min后，锁定钢绞线，如图1所示，观察周围土体变化和锚杆体应力变化情况48h，周边土体及基岩顶板稳定，预应力损失微小，判定基岩顶板承载力满足路基设计荷载要求，可不进行处理。

10、试验检测完成，撤除预应力张拉设备，采用c40混凝土回填钻孔，将基坑回填夯实。

实施案例2：

本实施案例为高速公路，荷载等级为公路i级，挖方路基，地勘资料显示，下部为石灰石基岩，存在一跨度3.8m的溶洞，路基开挖至设计标高后，剩余基岩顶板厚度为2.3m，容重24kn/m³；设计路面结构层厚度75cm，综合容重24.5kn/m³。

1、对岩溶路基顶板进行受力分析，公路i级，车辆荷载依据《公路工程技术标准》jtgb01简化为3个集中荷载p＝70kn。路面结构层和基岩顶板产生均布荷载73.58kn/m，根据岩溶路基顶板的受力分布情况，得到最大弯矩设计值mmax为223.90kn·m，最大剪力设计值qmax为268.74kn。

2、构建简化力学模型，简支梁结构，跨度l为3.8m，均布荷载q为剩余基岩顶板，厚度h1为2.3m，容重γ1为24kn/m³，求取q＝55.2kn/m。

根据最大剪力设计值qmax求取对应的集中荷载值p1为327.7kn。

根据最大弯矩设计值mmax求取对应的集中荷载值p2为130.7kn。

取安全系数为1.2，施加预应力集中荷载设计值pd为393.3kn。

3、根据预应力集中荷载设计值pd选取锚杆体材料并确定相关锚固参数。

采用预应力螺纹钢筋作为锚杆体，fptk＝930×10³kpa，安全系数k1取1.6，求取锚杆体截面面积a＝677mm²，取直径32mm，n＝1，钢绞线总面积为804mm²，满足要求。

根据地质勘察资料，基岩为软岩，岩体与注浆体黏结强度设计值frb＝400kpa，钻孔直径90mm，安全系数取2.0，求取基岩与注浆体间黏结长度lr为6.96m；

采用m30水泥净浆锚固，查《公路路基设计规范》jtgd30，预应力螺纹钢筋与水泥净浆之间的黏结强度fb＝2.40mpa，求取注浆体与锚杆体之间的黏结长度lg为3.26m；

锚固段长度lm取lr和lg的较大值6.96m，取整后确定lm＝7.0m。

4、待路基开挖施工至设计标高后，在溶洞中心位置钻孔，孔径d可取90mm，钻孔需要穿过溶洞伸入底部基岩内，长度8.0m。

5、在钻孔中插入锚杆体，直至钻孔底部，锚杆体选用预应力螺纹钢筋，直径dg为32mm，根数为1根，插入时应每隔1.0m设置隔离架。

6、灌注水泥浆将锚杆体锚固，水泥浆采用m30水泥净浆。

7、钢筋混凝土承载板采用c30混凝土，20×20cm，厚度10cm，横、纵向钢筋直径φ10mm，间距10mm，承载板顶部设置15cm×15cm的钢板作为承压钢垫板，厚度10mm，承载板和钢垫板均留有φ60mm孔洞，便于预应力螺纹钢筋穿过。

8、待锚固水泥浆和承载板混凝土达到设计强度后，利用预应力张拉设备施加预应力pd，张拉可分5级进行，每级荷载分别为79kn，157kn，236kn，315kn，393.3kn，每级张拉后稳定10min以上再进行下一级张拉。

9、最后一级张拉稳定10min后，锁定锚杆体，如图1所示，观察周围土体变化和锚杆体应力变化情况48h；周边土体及基岩顶板中心出现裂缝，预应力损失超过20％，判定基岩顶板承载力无法满足路基设计荷载要求，应进行处理，记录显示在第4级加载前，整体稳定，基岩顶板的极限承载能力可定为315kn，作为补强措施的参考指标。

10、试验检测完成，撤除预应力张拉设备，采用c40混凝土回填钻孔。