肖文兴 钱劲松
（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海 201804）
摘要 通过有限元软件ABAQUS模拟计算路基空洞的发育过程中，交通荷载作用下道路结构的力学响应。结果表明：砂土路基中空洞发育初期，交通荷载的作用引起土体塑性失效，导致路面快速破坏塌陷；粘土路基不发生塑性失效，空洞缓慢发育扩大至跨径6m时路面塌陷。借助探地雷达在道路检测中的应用，可及时发现路基空洞的存在并予以修复。
关键词 路面塌陷 路基空洞 数值分析破坏模式
近年来，我国各大城市道路塌陷事故频繁发生，不仅引起交通的中断，往往还伴随着各种通信、电力等基础设施的损坏，严重地影响生产和生活。城市道路塌陷的原因多样，可归结为自然因素、路面荷载变化、施工扰动和地下管线泄漏4大类。其中地下管线泄漏是主要成因。侯超群、袁鹏等论述了城市地陷的发育过程，其主要形式是地下渗流带走土基颗粒形成空洞，空洞在外部扰动下进一步扩大，至路面覆盖层不足以支撑其自身重量和上覆荷载时就会产生路面塌陷，路面塌陷只是路基空洞扩展后在地面的宏观表现。万志清、欧阳振华等等分析了土洞形成的机理及其力学机制，研究了土洞扩展的条件，从力学的角度揭示了地面塌陷的本质。这些研究都只是定性地揭示了城市道路塌陷的机理，而关于道路下伏路基土洞发育的定量化研究仍然较少。本文结合了前人的研究成果，从土洞形成的机理出发，对市政给排水管道破损渗水引起的路基空洞的发育过程进行了有限元数值模拟，得到了路面塌陷时路基空洞的极限临界状态以及路面塌陷的影响因素。
1 有限元模型
采用大型通用有限元软件ABAQUS来模拟分析交通荷载作用下路基空洞的道路结构的力学响应。图1所示为有限元模型示意图，模型几何尺寸为8m×8m×8m。模型侧面采用垂直方向的位移约束，底面采用三向位移约束，面层表面作为自由面不进行任何约束，各结构层层间为完全连续接触。荷载类型选用沥青路面设计规范提出的BZZ-100单轴双轮组标准荷载，加载面为矩形，通过Ikeda经验关系式计算得到轮胎接地压力p=0.557 8 MPa。模型采用结构化网格划分( Structured)，计算单元采用8结点线性六面体C3D8R单元。
建模时设置空洞从给排水管道管径中心埋深H-2 m处往上发育，空洞区域与相应的道路结构各层位材料一致，仅将回弹模量设置为无限小。路基空洞形成之后，周围土体由于渗水原因抗剪强度会有很大改变；结合黄琨、王丽等关于含水率对土的抗剪强度的影响的研究成果，本文在分析时对空洞周边浸水土体的抗剪强度做一定的折减。
目前城市道路大多采用沥青路面结构，砂土和粘土是常用的路基填料。结合《城镇道路路面设计规范》的要求，确定本文计算采用的道路结构材料主要参数见表1。
2结果分析
2.1砂土路基路面塌陷的破坏模式
拱脚是拱体受力的承力机构，土拱能否稳定存在，很大程度上取决于拱脚是否坚固。路基空洞中的“拱脚”土体，十分容易被管道渗水侵蚀破坏，引发土拱受力的重新分布，从而形成新的拱体形状，直观表现为空洞的扩大。为动态研究路基空洞发育各时期路面结构力学响应的特点，从空洞发育初期(B=l m，D=0.3 m)开始进行数值模拟。
计算结果表明，在空洞发育的初期，行车荷载作用下的路基土洞在拱脚处开始出现塑性破坏，见图2，阴影部分为塑性应变区，拱脚土体的破坏使空洞沿跨径方向逐渐扩展。
在地面荷载作用下，空洞进一步发育，跨径增大到3m时，路基土体塑性区逐渐连成一片，见图3，此时空洞上方路基土体因出现塑性滑移面而坍塌，路面结构处于两端支承、中间悬空的状态。
路面悬空之后，在地面荷载持续作用下，路基土体塑性破坏由空洞区域向路基两侧扩展，空洞跨径不断增大。随着路基土体塑性破坏区域的横向扩展，路面结构的荷载应力不断重新分布。如图4所示，当空洞区域的跨径增大到5.5 m时，底基层底面拉应力将率先超过抗拉强度而拉裂破坏；底基层破坏之后，基层荷载应力突增而拉裂破坏；随后面层出现3点拉裂破坏，路面塌陷。
2.2粘土路基路面塌陷的破坏模式
相对砂土而言，粘土颗粒间粘聚力较大，土体抗剪强度较大，是更加优良的路基填料。计算发现，在空洞发育的各阶段，行车荷载作用下路基土体并没有出现塑性破坏，而是在管道渗水和空气负压作用下，“拱脚”破坏，空洞的跨径缓慢增大，引起空洞上伏土体的应力自调整，逐渐剥落脱空，空洞扩大使路面结构荷载效应增强。计算发现，当路基空洞跨径发育到6m时，底基层抗拉强度不足被破坏，基层、面层随即也被破坏，路面塌陷。
可以发现，路基土的性质，尤其是抗剪强度，是影响城市道路塌陷破坏模式的决定因素。砂土路基抗剪强度较小，远不足以抵抗行车荷载作用所产生的剪应力而发生塑性破坏；抗剪强度较大的粘土作为路基时，空洞周边土体在渗水、荷载作用下逐渐剥落，空洞发育十分缓慢。
3路基空洞的检测及防治
在路基空洞的发育过程中，降雨、渗水等因素将使得土体湿度增加，强度软化，导致沥青路面沉陷和裂缝等病害，同时引起过往车辆行驶过程颠簸不畅。如果在路面塌陷之前及时发现空洞的存在并维修补救，能够有效地避免交通事故的发生。
探地雷达利用高频电磁波在地下介质的传播特性来探测地下目标。探地雷达发射的高频电磁波在传播过程中遇到介电差异的材料（如路面结构层分界、空洞）时便发生反射，返回地面由天线接收。通过对反射波进行处理和分析，根据接收到的雷达波形、强度和走时等参数推断出地下目标体空间位置、结构和几何形态，从而达到对地下隐蔽物的探测目的。
路基空洞中一般为空气或水，与周围土体的介电特性差异较大，借助探地雷达对道路下伏空间进行连续无损探测，通过对探地雷达接收到的反射波形进行数据、图像上的解析，能够成功地定位路基空洞的位置和大小，见图5。
在对路基空洞成功地定位之后，应进行必要的处治，以防路面塌陷的发生。一般来说，有直接开挖回填和钻孔注浆2种方式可供选择。对于由管道破损渗水引起的路基空洞，建议直接开挖，在管道维修完成后回填路基并修复路面；而对于其他原因引起的路基空洞，选用钻孔注浆的方式更加经济、实用、环保。
4结论
(1)砂土路基中空洞的发育引起行车荷载作用下土基的塑性失效，进而加速空洞的扩大；数值模拟得到空洞跨径为3m时，土基塑性失效，路面结构因抗拉强度不足逐层拉裂破坏，路面塌陷。
(2)路基土性质是影响城市道路塌陷破坏模式的决定因素；相对于砂土路基而言，粘土路基抗剪强度较大，在渗水、行车荷载作用下不出现塑性失效；路基空洞发育缓慢，最终在跨径达到6m时，路面结构因强度不足而破坏。
(3)探地雷达是一种无损、快速的道路病害检测设备，在路面出现沉陷、裂缝等病害时，可及时采用探地雷达准确地探测出路基中空洞的位置和大小，并通过钻孔注浆、开挖回填等方式进行处治，避免塌陷的发生。
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