采空區(qū)不均勻沉降引起的瀝青路面附加應(yīng)力分析

高新文

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)　交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南　長(zhǎng)沙　410114；2.山西省交通運(yùn)輸廳，山西　太原　030002)

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采空區(qū)不均勻沉降引起的瀝青路面附加應(yīng)力分析

高新文

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410114；2.山西省交通運(yùn)輸廳，山西太原030002)

采用隨機(jī)介質(zhì)理論計(jì)算采空區(qū)地表沉降，根據(jù)所得采空區(qū)沉降盆地函數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法預(yù)計(jì)地表剩余沉降，再采用彈性力學(xué)方法分析不均勻地表剩余沉降對(duì)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)層的影響，得到了結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力的解析表達(dá)式，并以某通過采空區(qū)的高速公路為例，分析采空區(qū)地表剩余沉降引起的路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明：采空區(qū)地表剩余沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力的影響十分顯著，所生產(chǎn)的水平和豎向拉應(yīng)力以及剪切應(yīng)力易導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生裂縫和脫空，影響路面的使用功能，因而在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮附加應(yīng)力的影響。

道路工程；瀝青路面；隨機(jī)介質(zhì)理論；附加應(yīng)力；采空區(qū)；地表沉降

0　引言

煤炭資源在我國(guó)一次性能源結(jié)構(gòu)中處于絕對(duì)主要地位，煤炭資源的大規(guī)模開采留下大量采空區(qū)。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，近二十年以來我國(guó)在采空區(qū)建設(shè)高速公路的里程呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。但是由于采空區(qū)的特殊性，其對(duì)公路路基和路面有十分顯著的影響，在開工建設(shè)前首先要對(duì)采空區(qū)的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。盡管如此，采空區(qū)公路路基作為一種特殊路基，在目前的《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJD30—2004)[1]中并未對(duì)其進(jìn)行規(guī)定。鑒于此，國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者對(duì)此展開了研究。余學(xué)義[2-3]對(duì)高等級(jí)公路下伏采空區(qū)的危害程度和影響評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，并指出正確預(yù)計(jì)采空區(qū)剩余沉降位移并采用合理的路面結(jié)構(gòu)和路面材料是提高采空區(qū)高等級(jí)公路抗變形能力的重要措施。童立元等[4-7]在綜述了國(guó)內(nèi)外高速公路下伏采空區(qū)問題的研究現(xiàn)狀，從采空區(qū)對(duì)高速公路的危害性及其評(píng)價(jià)方法、公路與采空區(qū)相互作用規(guī)律以及采空區(qū)處治措施等方面進(jìn)行了深入研究。通過上述研究成果發(fā)現(xiàn)：采空區(qū)對(duì)高速公路的危害性主要表現(xiàn)為采空區(qū)會(huì)引起沉陷，造成地表不均勻沉降，這會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響，并在路面中產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而引起翻漿等路面病害。因此，正確預(yù)計(jì)采空區(qū)地表沉降是保證高速公路路面工程質(zhì)量的關(guān)鍵。但是采空區(qū)地面變形計(jì)算問題一直是采空區(qū)高速公路建設(shè)中的難題之一，現(xiàn)有的采空區(qū)地面變形計(jì)算方法主要包括經(jīng)驗(yàn)估算法[7]、理論計(jì)算法[8-9]和數(shù)值計(jì)算法[10-12]，但是在采空區(qū)地面位移領(lǐng)域至今仍未能建立一種準(zhǔn)確合理的計(jì)算模型。目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的能較好解決采空區(qū)地面變形計(jì)算難題的方法是劉寶琛和張家生等[13]提出的隨機(jī)介質(zhì)理論，該理論方法已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多個(gè)礦區(qū)的地面沉降分析中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果。

由于采空區(qū)的沉降是隨時(shí)間發(fā)展的一個(gè)過程，在公路建設(shè)初期和后期運(yùn)營(yíng)過程中都會(huì)發(fā)生，而且根據(jù)采空區(qū)與公路走向的空間位置不同，采空區(qū)的沉降是不均勻的。不均勻沉降是指采空區(qū)剩余沉降隨時(shí)間發(fā)展而導(dǎo)致的路基橫向或縱向沉降差異現(xiàn)象，其與一般沉降的區(qū)別在于前者導(dǎo)致不同位置處的沉降存在差異。公路路面結(jié)構(gòu)對(duì)路基不均勻沉降是十分敏感的，不均勻沉降可能引起路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力，這一點(diǎn)在軟土路基[14]和凍土路基[15]中已經(jīng)得到了驗(yàn)證，但是采空區(qū)不均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，相關(guān)的研究成果還鮮見報(bào)道。鑒于此，本文在介紹隨機(jī)介質(zhì)理論計(jì)算采空區(qū)地表剩余沉降的基礎(chǔ)上，開展采空區(qū)不均勻地表剩余沉降引起的高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力計(jì)算方法研究，分析附加應(yīng)力與路面結(jié)構(gòu)層之間的關(guān)系，為采空區(qū)高速公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1　隨機(jī)介質(zhì)理論

隨機(jī)介質(zhì)理論由波蘭科學(xué)院J.Litwiniszyn教授創(chuàng)立，后經(jīng)劉寶琛院士發(fā)展完善，已廣泛應(yīng)用于巖土工程和采礦工程領(lǐng)域。在三維歐氏坐標(biāo)系中(z為垂直軸，x和y為相互垂直的水平軸)，隨機(jī)介質(zhì)理論推導(dǎo)得到的下沉盆地W的表達(dá)式為：

(1)

式中，B11，B12，B22，A1，A2，N均為介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

由于根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論，巖體被視為由大量尺寸不同、形狀各異的巖塊緊密地?cái)D壓在一起組成，且單個(gè)巖塊具有很大的自由度，因而整個(gè)地下開挖可以視為無數(shù)個(gè)巖塊的面積開挖。根據(jù)式(1)可以得到由于單個(gè)巖塊開挖引起的地層沉降We為：

(2)

式中，ρ(z)為下沉盆地向傾斜方向的偏移；r1(z)=r2(z)分別為下沉盆地在走向和傾斜方向的主要影響半徑，其與深度z有關(guān)。

對(duì)于近水平開挖的情況，ρ(z)=0，r1(z)=r2(z)=r(z)， 地面(X,Y)處由于開挖巖塊(x,y,z)引起的下沉量為：

(3)

在有了單元巖塊開采的計(jì)算結(jié)果后，只要通過積分即可求出開挖空間Ω引起的地面下沉，即有：

(4)

式中W為地表下沉盆地函數(shù)。

在確定采空區(qū)范圍后，根據(jù)式(4)就可以預(yù)計(jì)在開挖后的地表下沉盆地函數(shù)以及相應(yīng)的地表最大沉降量Wmax。

2　地表剩余沉降計(jì)算

對(duì)于已經(jīng)開采完成的老采空區(qū)，在先期開采過程中已發(fā)生了一部分地面沉降，在后期高速公路建設(shè)過程中對(duì)路面結(jié)構(gòu)影響較大的是地表剩余沉降量Wres，其被定義為自工程建設(shè)開始以后地表所產(chǎn)生的沉陷，包括已采空區(qū)對(duì)地表影響還沒有基本結(jié)束的沉降量以及殘余沉降量?jī)刹糠?。其中，殘余沉降量指地表沉降基本結(jié)束后，破碎巖塊微小空間經(jīng)過漫長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)一步密實(shí)后的地表下沉量。

根據(jù)余學(xué)義[16]的研究成果：我國(guó)開采實(shí)踐表明地表下沉量隨時(shí)間的變化規(guī)律符合Sulstowicz A.假設(shè)(下沉盆地體積增長(zhǎng)率與開挖區(qū)未壓密的體積成正比)，即有，

(5)

式中，Wmax為地表最大沉降量。c為與巖性、采深有關(guān)的參數(shù)，采深較淺、覆巖巖性較軟、韌性較差時(shí)c=2.5～3.0；采深較淺、覆巖巖性較硬、韌性較大時(shí)c=2.0～2.5；采深較大、覆巖巖性較軟、韌性較差時(shí)c=1.5～2.0；采深較大、覆巖巖性較硬、韌性較大時(shí)c=1.0～1.5。t為下沉持續(xù)時(shí)間。

公路工程中，在根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論預(yù)計(jì)了采空區(qū)的最大沉降量Wmax后，采空區(qū)剩余沉降量計(jì)算目前一般采用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(6)

式中，α為綜合剩余沉降系數(shù)，一般根據(jù)地面調(diào)查、采礦調(diào)查、沉降觀測(cè)、物探及鉆探結(jié)果等因素進(jìn)行宏觀分析來綜合確定。

式(5)和式(6)都是用于預(yù)計(jì)采空區(qū)的最大剩余沉降，而對(duì)于地面任意點(diǎn)的剩余沉降則無法計(jì)算，為此本文在式(6)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將式中地表最大沉降量Wmax用沉降盆地函數(shù)W(X, Y)代替，用于求解地面任一點(diǎn)的剩余沉降值，即：

(7)

在確定采空區(qū)地表剩余沉降后，就可以分析其引起公路瀝青路面附加應(yīng)力的影響，以評(píng)價(jià)采空區(qū)的影響程度以及是否需要預(yù)先進(jìn)行處理。

3　地表剩余沉降引起路面附加應(yīng)力計(jì)算方法

已有研究成果表明[5, 11, 16]：采空區(qū)地表剩余沉降是不均勻的，位于沉降盆地正中位置地面剩余沉降最大，往盆地邊緣走地面剩余沉降逐漸減小。采空區(qū)地表剩余沉降的不均勻性將會(huì)在路面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，影響路面結(jié)構(gòu)的性能，因此分析在不均勻地表剩余沉降影響下的路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力是采空區(qū)公路工程設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)，在此針對(duì)公路工程中常用的瀝青路面結(jié)構(gòu)，選取典型的不均勻沉降模式，采用解析方法對(duì)路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力進(jìn)行分析。

公路工程瀝青路面常用的路面結(jié)構(gòu)為半剛性基層瀝青路面，其典型結(jié)構(gòu)包括瀝青面層、半剛性基層、半剛性底基層和路基4個(gè)結(jié)構(gòu)層。對(duì)于穿過采空區(qū)上方的高速公路，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于采空區(qū)會(huì)引起上覆巖土體的沉陷，導(dǎo)致公路路基出現(xiàn)不均勻的沉降，該沉降可以根據(jù)采空區(qū)引起的剩余地表沉降來確定。在確定了路基不均勻沉降后，就可以利用彈性力學(xué)方法對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力情況進(jìn)行分析。曹東偉[17]針對(duì)多年凍土區(qū)路基，采用彈性力學(xué)解析方法對(duì)路基融沉變形引起的路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，取得了較好的效果，在本文針對(duì)采空區(qū)不均勻沉降引起的附加應(yīng)力計(jì)算時(shí)借鑒此方法，具體分析過程簡(jiǎn)要介紹如下。

圖1　瀝青路面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of asphalt pavement structure

3.1計(jì)算基本假定

(1)路面各結(jié)構(gòu)層為連續(xù)均質(zhì)、各向同性線彈性材料，力學(xué)特性用彈性模量E和泊松比ν表示；

(2)路面各結(jié)構(gòu)層在垂直方向完全連續(xù)，層間不會(huì)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，瀝青面層、基層和底基層間為連續(xù)接觸條件，而底基層與路基之間為光滑接觸條件；

(3)不考慮均勻路基沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響；

(4)按平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析。

3.2計(jì)算模型

根據(jù)文獻(xiàn)[17]中數(shù)值分析結(jié)果表明：考慮和不考慮土基影響所得基層最大拉應(yīng)力結(jié)果非常接近，因而在此進(jìn)行分析時(shí)將路面結(jié)構(gòu)單獨(dú)取出作為分析對(duì)象，不考慮路基。此外，由于路面的寬度遠(yuǎn)大于其結(jié)構(gòu)層的厚度，將各結(jié)構(gòu)層側(cè)向簡(jiǎn)化為垂直邊界，再結(jié)合假定(2)得到如圖2所示計(jì)算分析模型，其中瀝青面層厚度為h1，彈性模量為E1，泊松比為ν1；半剛性基層厚度為h2，彈性模量為E2，泊松比為ν2；半剛性底基層厚度為h3，彈性模量為E3，泊松比為ν3。

3.3邊界條件

(1)瀝青面層邊界條件

(8)

(2)底基層邊界條件

(9)

(3)層間連續(xù)條件

當(dāng)y=h1時(shí)，

(10)

當(dāng)y=h1+h2時(shí)，

(11)

圖2　瀝青路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力計(jì)算模型Fig.2　Model for calculating additional stress in asphalt pavement structure

在以上式(7)～(11)中，下標(biāo)1，2，3為分別代表瀝青面層、半剛性基層和半剛性底基層；ux為沿x方向的位移；uy為沿y方向的位移；Wres(x)為地表剩余沉降函數(shù)。

3.4路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力的彈性力學(xué)解法

設(shè)瀝青面層、半剛性基層和半剛性底基層的應(yīng)力函數(shù)為：

(11)

由彈性力學(xué)理論可得附加應(yīng)力表達(dá)式為：

(13)

將邊界條件式(8)～(11)代入式(13)就可以求解得到附加應(yīng)力系數(shù)Ai，Bi，Ci和Di(i=1, 2, 3)，再將求解結(jié)果代回附加應(yīng)力表達(dá)式即可計(jì)算相應(yīng)的附加應(yīng)力，具體的求解過程見文獻(xiàn)[17]，在此不再贅述。以上就是采空區(qū)不均勻沉降引起路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力的計(jì)算方法，下面將通過實(shí)例來應(yīng)用該方法。

4　實(shí)例分析

某高速公路跨越采空區(qū)，采空區(qū)近似水平，開采時(shí)為房柱式開采，采空區(qū)長(zhǎng)度約為90 m，寬度為20 m，埋深為50 m，采厚為2.3 m。高速公路路面寬度為28 m，路線走向與采空區(qū)長(zhǎng)度方向垂直，且經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)路面中線偏離采空區(qū)中心位置約為8 m。此外，根據(jù)地面調(diào)查情況確定此采空區(qū)的綜合剩余沉降系數(shù)為0.4。

結(jié)合第2節(jié)中的隨機(jī)介質(zhì)理論和第3節(jié)中介紹的地表剩余沉降計(jì)算方法，計(jì)算得到此高速公路下伏采空區(qū)引起的地表剩余沉降曲線如圖3所示。由圖可知：此采空區(qū)處地表剩余沉降最大值約為180 mm，且地表剩余沉降隨距離采空區(qū)中心點(diǎn)處的距離而急劇下降。需要說明的是，圖3是依據(jù)坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在道路中線處的坐標(biāo)系而得到的，因而剩余沉降曲線并不對(duì)稱，最大值發(fā)生在x約為8.0 m處，此處即為采空區(qū)中心位置。

圖3　地表剩余沉降曲線Fig.3　Surface residual subsidence curve

根據(jù)采空區(qū)高速公路路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)?shù)乇硎Ｓ嘞鲁痢?00 mm時(shí)，采空區(qū)路基基本穩(wěn)定[7]。在此處計(jì)算的地表剩余沉降最大值約為180 mm，小于200 mm，屬于基本穩(wěn)定區(qū)，對(duì)公路無大的影響，無須采取特殊的工程措施進(jìn)行處理。但是，為了預(yù)防地表剩余沉降對(duì)后建的路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，現(xiàn)根據(jù)地表剩余沉降計(jì)算結(jié)果對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行附加應(yīng)力計(jì)算，為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。路面結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面，基層采用水泥穩(wěn)定碎石，底基層采用二灰土。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2006)[18]，半剛性基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)如表1所示。

表1　瀝青路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)Tab.1　Parameters of asphalt pavement structure layers

由于采空區(qū)中心位置偏離道路中線大概8 m，因此對(duì)公路路基而言，采空區(qū)地表剩余沉降屬于不均勻沉降，其會(huì)在路面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力。此外，圖3所示地表剩余沉降曲線可以近似用余弦曲線表示如下：

(14)

確定了地表剩余沉降后，根據(jù)式(14)按照第3節(jié)介紹的附加應(yīng)力計(jì)算方法即可求得路面各結(jié)構(gòu)層處的附加應(yīng)力。

為了分析不均勻沉降量對(duì)路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力的影響，計(jì)算時(shí)考慮最大剩余沉降量分別為36，72，108，144 mm和180 mm的情況，分析在不同地表剩余沉降下路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力的發(fā)展過程。計(jì)算結(jié)果以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力σx，σy和τxy隨剩余沉降量的變化規(guī)律如圖4所示。由圖可知：隨著地表剩余沉降量的增加，各結(jié)構(gòu)層底面附加水平應(yīng)力呈線性增加，其中底基層底面處水平拉應(yīng)力增長(zhǎng)速率最快，瀝青面層底面為壓應(yīng)力，其增長(zhǎng)速率次之，半剛性基層底面處水平拉應(yīng)力增速最小。因而不均勻地表剩余沉降對(duì)瀝青面層和底基層附加應(yīng)力影響最為顯著；半剛性底基層底面和瀝青面層頂面容易產(chǎn)生拉應(yīng)力，最易產(chǎn)生裂縫，對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。而在豎向，不均勻地表剩余沉降在各結(jié)構(gòu)層中產(chǎn)生的附加應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且數(shù)值隨著地表剩余沉降量的增加而增加，這種豎向拉應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)層之間產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。層間附加剪應(yīng)力隨地表剩余沉降量的增加而增加，當(dāng)這種附加剪應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)層間材料抗剪強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)層之間將會(huì)產(chǎn)生剪切變形，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層的脫空。

圖4　路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力隨剩余沉降量的變化規(guī)律Fig.4　Additional stresses of pavement structure layers varying with residual subsidence

圖5　路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力隨層厚的變化規(guī)律Fig.5　Additional stresses of pave ment structure layers varying with layer thickness

以上是針對(duì)表1所示路面結(jié)構(gòu)層計(jì)算不同地表剩余沉降引起的結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果表明不均勻地表剩余沉降將會(huì)在路面結(jié)構(gòu)層中產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層層面間產(chǎn)生脫空、底面產(chǎn)生拉裂縫，影響路面結(jié)構(gòu)的使用功能，因而在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮附加應(yīng)力的影響，采用合適的結(jié)構(gòu)層材料和厚度，以保證路面的使用功能。因此，為了對(duì)采空區(qū)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有更實(shí)際的指導(dǎo)意義，在此針對(duì)地表剩余沉降最大值為180 mm的最不利情況，以瀝青面層底面附加應(yīng)力作為研究對(duì)象，通過改變結(jié)構(gòu)層厚度，建立附加應(yīng)力與結(jié)構(gòu)層厚度之間的關(guān)系，如圖5所示。由圖可知：隨著面層厚度的增加，面層底面的水平附加壓應(yīng)力呈增大的趨勢(shì)，同樣地，面層底面的豎向附加拉應(yīng)力也有輕微增大的趨勢(shì)，而面層底面的剪切應(yīng)力則隨面層厚度的增加有減小的趨勢(shì)；隨著基層厚度的增加，面層底面水平和豎向附加應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且均有隨基層厚度增加而增加的趨勢(shì)；同樣地，隨著底基層厚度的增加，面層底面水平、豎向附加應(yīng)力和層間剪切應(yīng)力均有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。因此，在進(jìn)行采空區(qū)公路瀝青路面結(jié)構(gòu)組合和厚度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理地選擇結(jié)構(gòu)層的厚度，保證在相同的不均勻沉降條件下路面結(jié)構(gòu)層間的附加應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)，不會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)中裂縫的產(chǎn)生。

5　結(jié)論

(1)采用隨機(jī)介質(zhì)理論計(jì)算采空區(qū)地表沉降，得到采空區(qū)沉降盆地函數(shù)，在此基礎(chǔ)上預(yù)計(jì)采空區(qū)的地表剩余沉降曲線，該曲線在采空區(qū)中心點(diǎn)處取得最大值，一般可用余弦曲線來描述。

(2)通過一實(shí)例分析了采空區(qū)地表不均勻沉降所引起的路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力及結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)其的影響，結(jié)果表明：采空區(qū)中心點(diǎn)與路面中線的相對(duì)位置將影響地表剩余沉降量，進(jìn)而影響路面各結(jié)構(gòu)層底面附加水平應(yīng)力；隨著結(jié)構(gòu)層厚度的增加，各結(jié)構(gòu)層地面附加應(yīng)力都有增加的趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)層厚度的選擇需謹(jǐn)慎。研究成果可以初步指導(dǎo)采空區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度的設(shè)計(jì)。

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Analysis of Additional Stresses in Asphalt Pavement due to Asymmetrical Subsidence of Mined-out Region

GAO Xin-wen

(1.School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 410114, China;2.Shanxi Provincial Transport Department, Taiyuan Shanxi 030002, China)

The surface subsidence of mined-out region is calculated by using stochastic medium theory, and the surface residual subsidence is predicted by using empirical calculation method according to the obtained subsidence basin function of mined-out region. Then, the effects of asymmetrical surface residual subsidence on the semi-rigid base asphalt pavement structure layers are analyzed by using elasticity method, and the analytical solutions of additional stresses of the structure layers are obtained. Finally, taking an expressway which crosses the mined-out region as an example, the corresponding additional stresses in the pavement structure layers resulted from mined-out region surface residual subsidence are analyzed. The result indicates that the surface residual subsidence of mined-out region has remarkable impact on additional stresses of pavement structure layers, of which the lateral and horizontal tensile stresses and shear stress will lead to cracks and voids in structure layers, thus influencing the service function of pavement. Therefore, the additional stresses should be taken into account when designing pavement structure in mine-out region.

road engineering; asphalt pavement; stochastic medium theory；additional stress; mined-out region; surface subsidence

2015-09-21

高新文(1974-)，男，山西新絳人，博士.(1066845513@qq.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.10.005

U416.217

A

1002-0268(2016)10-0025-07