采空區(qū)對高速公路路基變形的影響

黃春麗

（河北承德承朝高速公路管理處，河北 承德067000）

0 引言

本文把采空區(qū)-路基路面視為相互作用的整體，建立模型，分析采空區(qū)和路基路面的協(xié)同作用關(guān)系以及采動對路基路面變形及應(yīng)力的影響，揭示采空區(qū)路基路面變形破壞的機理，進而研究采空區(qū)路基路面在各種因素影響下的變形規(guī)律。

1 模型的建立

研究開采引起的地表沉陷，過去只是考慮了應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，沒有考慮時間因素。而大量實測資料表明，巖層移動與時間有關(guān)，巖土工程中時間是一個很重要的因素，必須考慮。在巷道開挖和采煤過程中，上覆巖層隨著時間的推移不斷變形，經(jīng)過一段時間后，在其自重、構(gòu)造應(yīng)力的作用下穩(wěn)定性遭到破壞，形成不均勻沉降及變形。采用廣義Kelvin 模型（如圖1 所示）作為開挖巖體的本構(gòu)模型來近似描述其蠕變特性。

圖1 廣義Kelvin模型

運用ANSYS 軟件建立二維分析模型，研究地下開采以后地表及路基路面變形及應(yīng)力分布情況。設(shè)計路基底面寬度為40m，填高為5m，坡度為1∶1.5，路面寬25m，僅考慮路基位于沉降曲線中間凹陷區(qū)（公路位于采空區(qū)中央正上方）的情況。邊界條件的處理、巖層及路基路面材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2 計算結(jié)果及分析

2.1 開采寬度影響分析

不同開采寬度引起的地表移動和變形量大小不同，對路基路面造成不同程度的損害。擬建模型水平向取400m，垂直向取136m，為水平煤層開采，開采厚度為6m，開采寬度分別取20m、30m、40m。分析不同開采寬度時，路基路面的移動和變形規(guī)律。

（1）位移分析

通過模擬不同開采寬度對高速公路的影響，得到路基路面位移曲線（見圖2）。不同采寬時路基路面最大位移和變形值列于表2。

圖2 不同采寬時路基位移變化曲線

表2 不同采寬時路基路面最大移動變形值

路基的最大沉降量和水平位移隨著開采寬度的增大增幅較大。路基傾斜變形、曲率變形和水平變形最大值也隨著開采寬度的增大而增大。所以當采空區(qū)橫向達到一定規(guī)模時，移動波及到地表，隨著寬度的增大，對地表的影響范圍增大，地表變形幅度也增大，進而對上方公路路基路面的影響也增大。顯然，開采寬度越大，引起的路基路面移動變形越大，路基越不穩(wěn)定。

（2）位移時間歷程分析

通過時間歷程后處理可以得到路基路面各個節(jié)點處位移變化曲線（見圖3），這樣可以更好地認識路基路面隨時間變化的趨勢。

圖3 不同采寬時路基點位移隨時間變化曲線

從圖3 中可以得到不同時刻路基路面的位移值。隨著時間的推移，路基路面的沉降量和水平位移值都在增大，初期沉降速度較大，后期沉降速度較小，并逐漸趨于穩(wěn)定。隨著采寬的增大，路基路面的移動變形隨時間而變化，采寬越大，路基路面的移動變形值越大，趨于穩(wěn)定所需的時間越長。

2.2 開采厚度影響分析

開采厚度不同，對采空區(qū)地表和高速公路路基路面的影響也不同。擬建模型開采深度為90m，模擬開采厚度分別為2m、4m、6m 時采空區(qū)上覆路基的移動和變形分布情況，計算結(jié)果分析如下。

（1）位移分析

開采厚度對地表移動有很大的影響，一次開采厚度越大，冒落帶高度越大，移動過程越劇烈，地表移動變形也越大。從圖4可以看出，隨著開采厚度的增大，路基路面各種移動和變形值也增大，采空區(qū)路基路面移動和變形值的大小與開采厚度正相關(guān)。

圖4 不同采厚時路基位移變化曲線

表3 不同開采厚度下路基路面最大移動變形值

從表3 可以看出，采厚2m 時路基的最大沉量為58.5mm，采厚6m 時最大沉降量增大到66.1mm，路基最大水平位移由10.1mm 增大到11.2mm。采厚不同時，路基路面的最大沉降量和水平位移的增加幅度不同。路基路面的傾斜變形、曲率變形和水平變形最大值也隨著開采厚度的增大而增大。

（2）位移時間歷程分析

通過時間歷程后處理，分析不同開采厚度時路基路面點位移隨時間的變化規(guī)律，結(jié)果見圖5。

圖5 不同采厚時路基位移隨時間變化曲線

從圖5可以得到路基豎向和水平位移隨時間的變化趨勢，路基和路面位移隨時間推移變化趨勢相同，初期變形速度非常快，之后變形逐漸減緩，隨著時間只有很小的增量，最終趨于穩(wěn)定。開采厚度越大，路基路面達到穩(wěn)定所需要的時間越長。

3 結(jié)論

（1）路基的最大沉降量和水平位移隨著開采寬度的增大而增大，且增幅較大。開采寬度越大，引起的路基路面移動變形越大，路基越不穩(wěn)定。

（2）隨著開采寬度的增大，路基路面的位移變形隨時間而變化，采寬越大，路基路面的移動變形值越大，趨于穩(wěn)定所需的時間越長。

（3）隨著開采厚度的增大，路基路面各種位移和變形值也增大，采空區(qū)路基路面位移和變形值的大小與開采厚度正相關(guān)。

（4）路基位移隨時間變化的趨勢相同，初期變形速度非常快，之后變形逐漸減緩，最終趨向穩(wěn)定。

[1] 欒元重，季道武，顏承順，等. 公路采動損害的計算[J].礦山測量，1998（3）：30-33.

[2] 欒元重. 采動橋梁變形分析[J]. 礦山測量，2001（4）：56-57.

[3] 王樂杰，李景岱.談路下采煤對高速公路的損害影響[J].金屬礦山，2008（8）：123-141.

[4] 張志沛.晉焦線小煤礦采空區(qū)工程地質(zhì)問題的初步研究[J].西北地質(zhì)，1997（4）：54-57.

[5] 李滿囤.太古公路采空區(qū)路橋穩(wěn)定性分析及其治理方案[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，2000（3）：85-87.