城市道路及地下空间综合承载能力定量评价方法及系统

1.本发明涉及道路塌陷隐患评价技术领域，尤其涉及一种城市道路及地下空间综合承载能力定量评价方法及系统。


背景技术：

2.近年来，在自然和人为因素影响下，城市道路塌陷事故频发，地面塌陷具有随机性、突发性、后果严重等特点，同时随着城市车辆保有量持续增加，一旦发生地面塌陷，很容易造成重大财产损失和人员伤亡。研究表明，道路塌陷事故的发生与地下空洞的孕育、发展密切相关，地下空洞的存在为地层的破坏发展提供了必要的空间，是诱发地面塌陷的前提条件。
3.大量工程案例表明，道路地下空洞的规模特征是影响塌陷的重要因素，但目前当探测发现道路地下空洞时，由于缺乏科学、系统的空洞综合承载能力评价方法，并未评价空洞当前的综合承载能力是否满足安全要求，往往直接封闭道路进行处置工作，实际上一些小型空洞的承载力能够满足道路承载能力的要求，可以暂缓处置或不作处置，传统空洞处置工作在一定程度上造成了不必要的人力物力资源浪费。
4.因此，有必要研究一种城市道路及地下空间综合承载能力定量评价方法及系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种城市道路及地下空间综合承载能力定量评价方法及系统，能够科学辨识道路地下空洞当前状态，实现了道路空洞综合承载能力的定量表征。
6.一方面，本发明提供一种城市道路及地下空间综合承载能力定量评价方法，所述方法的步骤包括：
7.s1、获取道路结构层、层状土体和空洞的数据，以及路面车辆载荷；
8.s2、根据s1获取的数据得到道路结构层承载力p0；
9.s3、根据s1获取的数据得到层状土体结构承载力p1；
10.s4、根据s1获取的数据得到空洞结构承载力p2；
11.s5、根据得到的道路结构层承载力p0、层状土体结构承载力p1和空洞结构承载力p2，得到道路空洞综合承载力p3；
12.s6、根据步骤s1获取的路面车辆荷载和s5得到的道路空洞综合承载力p3评价城市道路及地下空间的综合承载能力；
13.s2-s4顺序不固定。
14.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s1中道路结构层、层状土体和空洞的数据具体包括：
15.道路结构层的厚度、密度和屈服应力；
16.层状土体的厚度、密度和屈服应力；以及
17.空洞的最大半径、最大高度和埋深。
18.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s1中空洞具体为拱形空洞。
19.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s5中道路空洞综合承载力p3为考虑了道路结构层自重、层状土体自重对道路空洞综合承载能力的削减作用后的综合承载力。
20.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s5中道路空洞综合承载力p3为考虑了安全裕度的综合承载力。
21.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述安全裕度基于除道路结构层、层状土体和空洞外的其他因素决定，所述安全裕度具体为20％。
22.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，空洞的最大半径、最大高度和埋深的获取方式为：通过探地雷达设备无损探测获取；
23.道路结构层和层状土体的厚度均通过微损旋压触探设备钻测获取；
24.道路结构层和层状土体的密度均通过对微损旋压触探设备获取的标准取芯试件进行称重测量得到；
25.道路结构层和层状土体的屈服应力均通过对微损旋压触探设备获取的标准取芯试件进行单轴压缩试验得到。
26.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s1中的路面车辆载荷通过现场调研获取。
27.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法还包括：根据s6的评价结果对被评价的价城市道路及地下空间进行加固补强处理。
28.另一方面，本发明提供一种城市道路及地下空间综合承载能力定量评价系统，所述系统包括：
29.数据获取模块，用于获取取道路结构层、层状土体和空洞的数据以及路面车辆载荷；
30.道路结构层承载力计算模块，用于通过数据获取模块获取的数据计算得到道路结构层承载力；
31.层状土体结构承载力计算模块，用于通过数据获取模块获取的数据计算得到层状土体结构承载力；
32.空洞结构承载力计算模块，用于通过数据获取模块获取的数据计算得到空洞结构承载力；
33.道路空洞综合承载力计算模块，用于根据道路结构层承载力、层状土体结构承载力和空洞结构承载力，得到道路空洞综合承载力；
34.综合承载能力评价模块，用于根据路面车辆荷载和道路空洞综合承载力评价城市道路及地下空间的综合承载能力。
35.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述道路空洞综合承载力计算模块在计算道路空洞综合承载力时考虑道路结构层自重、层状土体自重对道路空洞综合承载能力的削减作用，以及安全裕度。
36.与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本
发明的道路空洞综合承载能力评价方法，能够科学辨识道路地下空洞当前状态，实现了道路空洞综合承载能力的定量表征，并以路面车辆荷载为临界判别准则定量评价道路综合承载能力是否满足安全要求，根据具体道路情况进行具体分析，评价结果可为开展道路地下空洞的处置工作提供指导，为保证城市道路安全运行提供依据。
37.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
39.图1是本发明一个实施例提供的城市道路空洞综合承载能力评价方法的流程图；
40.图2是本发明实施例1提供的某道路空洞结构示意图。
具体实施方式
41.为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
42.应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
43.针对现有技术的不足，本发明提供一种城市道路及地下空间运行综合承载安全裕度定量评价方法，用以科学评价空洞的安全状态，并为空洞处置提供依据。
44.该方法的步骤如图1所示，包括：
45.步骤1、获取道路、地层、空洞基本参数和路面车辆荷载；
46.道路、地层、空洞基本参数包括空洞最大半径、最大高度和埋深，道路结构层的厚度、密度和屈服应力，层状土体的厚度、密度和屈服应力；
47.空洞最大半径、最大高度和埋深通过探地雷达设备无损探测获取；道路结构层的厚度和各层状地层的厚度通过微损旋压触探设备直接钻测获取；所述道路结构层的密度和屈服应力与各层状地层的密度和屈服应力通过微损旋压触探设备获取的标准取芯试件力学参数测试得到，其中，密度通过微损旋压触探设备获取的标准取芯试件称重测量得到，屈服应力通过微损旋压触探设备获取的标准取芯试件单轴压缩试验得到；路面车辆载荷通过现场调研获取。
48.步骤2、计算道路结构层承载力p0；
49.根据道路结构体受力特征，确定层状土体的边界条件为周边固支，上边界受到路面车辆载荷作用，由于道路结构层主要构成材料为沥青和混凝土，考虑道路结构层的破坏形式为o-x弹塑性破坏，建立层状土体结构承载力计算公式，根据步骤1获取的道路结构层厚度、屈服应力和空洞的最大半径，计算道路结构层承载力，具体计算公式如下：
[0050][0051]
上述公式中，p0为道路结构层承载力，σ0和h1分别为道路结构层的屈服强度和厚
度，r为空洞的最大半径；其中，σ0、h1和r为已知值。
[0052]
步骤3、计算层状土体结构承载力p1：由于地层结构的受力特征与道路结构层的受力特征相似，建立层状土体结构承载力计算公式，根据步骤1获取的空洞埋深、道路结构层厚度、层状土体厚度、屈服强度和空洞最大半径，计算层状土体结构承载力，具体计算公式如下：
[0053][0054]
上述公式中，p1为层状土体结构承载力，σ
1i
为层状土体的屈服强度，l为空洞埋深，hi为层状土体结构的厚度，i＝1，2，3
…
n，n为层状土体结构的层数；其中，σ
1i
和hi为已知值。
[0055]
步骤4、计算拱形空洞结构承载力p2，其包括下面两个子步骤：
[0056]
步骤4.1、首先根据步骤1获取的空洞最大半径和最大高度计算拱形土体的有效断面面积，拱形土体的有效断面面积可通过土体矩形断面面积与空洞半椭圆断面面积之差计算得到，具体计算公式如下：
[0057][0058]
上述公式中，s为拱形土体的有效断面面积，b为空洞的最大半径，c为空洞的最大高度；其中，b和c为已知值。
[0059]
步骤4.2、根据数值模拟研究，拱形结构受水平分布荷载作用时，极限承载力与强度衰减因子、拱形土体断面面积、空洞半径和高度密切相关，同时根据步骤1获取的土体屈服强度、空洞最大半径、最大高度和步骤步骤4.1得到的拱形土体的有效断面面积，计算拱形空洞结构承载力，具体计算公式如下：
[0060][0061]
上述公式中，p2为拱形空洞结构承载力，σ3为拱形空洞所在地层的土体屈服强度，λ为强度衰减因子，一般取0.8；其中，σ3、λ和s为已知值。
[0062]
步骤5、计算道路空洞综合承载力p3：大量工程实践经验和理论分析表明，道路发生塌陷时，拱形空洞结构首先破裂失稳，然后导致空洞上方层状土体出现结构破坏并失去承载力，最后使得道路结构层断裂诱发道路塌陷，因此空洞结构综合承载能力由道路结构层、层状土体结构和拱形空洞结构的承载力共同构成；同时道路结构层及层状土体结构的重力荷载对道路空洞综合承载力具有削减作用，需在计算中减去空洞上方的土体自重；此外考虑到其他致塌因素对空洞结构稳定性的影响，如工程施工扰动、地下管线运维、降雨等，设定20％的安全裕度；进而根据步骤1获取的道路结构层和层状土体的厚度和密度参数、步骤2得到的道路结构层承载力p0、步骤3得到的层状土体结构承载力p1和步骤4得到的拱形空洞结构承载力p2，同时考虑20％的安全裕度，计算道路空洞综合承载力；综上所述，道路空洞综合承载力表达式如下：
[0063][0064]
上述公式中，p3为道路空洞综合承载力，ρ0为道路结构层的密度，ρi为各层状土体的密度，i＝1，2，3
…
n，n为层状土体结构的层数，g为重力加速度，取10m/s2。
[0065]
步骤6、评价道路空洞综合承载能力：当路面车辆荷载超过道路空洞综合承载力时，道路结构层将会产生破断，从而造成道路塌陷，因此选择路面车辆荷载与道路空洞综合承载力进行比较，用以评价道路空洞综合承载能力是否满足要求；若道路空洞综合承载力大于路面车辆荷载，则说明空洞综合承载能力满足安全要求；若道路空洞综合承载力小于路面车辆荷载，则说明空洞综合承载能力不满足安全要求，此时需根据道路结构层底部应力与实测屈服应力的差值，进行后续加固补强工作。
[0066]
本发明还提供一种城市道路及地下空间综合承载能力定量评价系统，该系统包括：
[0067]
数据获取模块，用于获取取道路结构层、层状土体和空洞的数据以及路面车辆载荷；
[0068]
道路结构层承载力计算模块，用于通过数据获取模块获取的数据计算得到道路结构层承载力；
[0069]
层状土体结构承载力计算模块，用于通过数据获取模块获取的数据计算得到层状土体结构承载力；
[0070]
空洞结构承载力计算模块，用于通过数据获取模块获取的数据计算得到空洞结构承载力；
[0071]
道路空洞综合承载力计算模块，用于根据道路结构层承载力、层状土体结构承载力和空洞结构承载力，得到道路空洞综合承载力；
[0072]
综合承载能力评价模块，用于根据路面车辆荷载和道路空洞综合承载力评价城市道路及地下空间的综合承载能力。
[0073]
实施例1：
[0074]
下面采用该实施例1，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0075]
实施例1针对的道路情况如图2所示，具体为：2021年7月，采用探地雷达和微损旋压触探设备对某道路进行空洞塌陷隐患综合探测，该道路为城市主干道，交通车流量较大，曾发生过排水管线渗漏造成的道路塌陷事故。综合探测过程中发现该道路某段存在一处空洞，采用本发明的方法评价道路空洞综合承载能力，具体步骤如下：
[0076]
(1)采用探地雷达获取空洞的最大半径为1.5m，最大高度为0.6m；采用微损旋压触探设备获取道路结构层厚度为0.56m，各层土体的厚度分别为杂填土0.6m，粉质粘土3.25m，同时根据微损旋压触探结果，空洞埋深为2.45m；根据微损旋压触探标准取芯土体试件单轴压缩试验和密度测量，得到道路结构层的密度为2152kg/m3、屈服强度为11.8mpa，杂填土的密度为1950kg/m3、屈服强度为167.5kpa，粉质粘土的密度为2010kg/m3、屈服强度为182.5kpa，如图2所示；根据该道路现场调研情况，调研期间该道路主要行经车辆为小型轿车和客车，为充分验证当前空洞综合承载力是否满足要求，考虑满载55人的大型客车行经该空洞上方，取大型客车轮胎接地半径为0.192m，自重为17.1吨，每位乘客及携带行李按
75kg计算，从而得出空洞上方的路面荷载为30.56kpa。
[0077]
(2)计算道路结构层承载力p0：该道路结构层承载力计算结果如下：
[0078][0079]
(3)计算层状土体结构承载力p1：该道路层状土体结构承载力计算结果如下：
[0080][0081]
(4)计算拱形空洞结构承载力p2：该道路拱形土体有效断面面积和拱形空洞结构承载力计算结果如下：
[0082][0083][0084]
(5)计算道路空洞综合承载力p3：道路空洞综合承载力计算结果如下：
[0085][0086]
(6)评价道路空洞综合承载能力：该道路的最大车辆荷载为30.56kpa，小于754.4455kpa，评价当前空洞综合承载能力满足安全要求。
[0087]
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0088]
(1)计算参数易于获取
[0089]
本发明所需的空洞最大半径和最大高度可通过探地雷达设备直接提取，道路结构层和层状土体的厚度可采用微损旋压触探设备直接获取，道路结构层和层状土体的屈服强度和密度可利用单轴压缩试验和称重测量获取，所需设备和试验器材易于获取且操作简便，同时对于同一路段或条件类似的道路环境，只需提取一次所需参数。因此，本发明所需计算参数易于获取，并能在保证计算精度的情况下显著减少实际探测工作量。
[0090]
(2)定量表征了道路空洞综合承载力
[0091]
本发明基于板结构弹塑性o-x破断原理及拱形结构力学特征，在考虑道路结构层、层状土体结构和拱形空洞结构承载力的基础上，得出了道路空洞综合承载力的表达式，并通过工程实测参数定量表征了道路空洞综合承载力。
[0092]
(3)定量评价了道路空洞综合承载能力
[0093]
本发明提出以路面车辆荷载为临界判别准则，基于空洞综合承载能力与路面车辆荷载的对比分析，给出了评价道路空洞综合承载能力的方法，为指导道路空洞塌陷隐患的处置工作提供了依据。
[0094]
以上对本技术实施例所提供的一种城市道路及地下空间运行综合承载安全裕度定量评价方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。
[0095]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
[0096]
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。