公路路基結(jié)構(gòu)在采空區(qū)域的變形破壞研究

張普綱

（1.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，山西太原030006；2.山西省交通科學(xué)研究院，山西太原030006）

1 概述

近年來高速公路建設(shè)突飛猛進(jìn)，其規(guī)劃區(qū)域逐漸向煤炭資源集中分布的山區(qū)延伸，大量采空區(qū)域與現(xiàn)采區(qū)域不可避免地上覆了高速公路。已經(jīng)產(chǎn)生塌陷變形的煤礦采空區(qū)地表與后續(xù)的塌陷或殘余變形，會(huì)誘發(fā)高速公路路基、路面或構(gòu)筑物地基產(chǎn)生變形破壞，嚴(yán)重影響其強(qiáng)度及穩(wěn)定性，對公路安全運(yùn)營造成危害。實(shí)踐表明，部分穿越采空區(qū)的公路運(yùn)營時(shí)出現(xiàn)了不同程度的路基沉陷變形而導(dǎo)致路面塌陷破壞，因此，研究采空區(qū)域內(nèi)高速公路路基路面的變形破壞的規(guī)律，尋求其主控因素，在勘察階段能夠針對性查清，在設(shè)計(jì)階段對變形薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其強(qiáng)度，對采空區(qū)采取經(jīng)濟(jì)有效地治理技術(shù)路線。

2 地表變形誘發(fā)路基結(jié)構(gòu)變形一般原理

地表下沉一般均是大范圍的、連續(xù)的、平緩的，而在時(shí)間上是漸變的。在這種下沉形式下，路基下部有整體巖層支托，不會(huì)發(fā)生松動(dòng)、破碎現(xiàn)象，表現(xiàn)為整體移動(dòng)，因而不會(huì)失去其堅(jiān)固性。因而高速公路受地表沉陷變形的影響以水平變形最為明顯，在地表拉伸變形區(qū)，公路路基的密實(shí)度降低，但在車輛動(dòng)載荷的作用下，路基在豎向上再壓縮，使其在采動(dòng)過程中始終保持足夠的強(qiáng)度，路基表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂縫，這種裂縫也是逐漸形成的，在豎直方向上，發(fā)展到一定深度即會(huì)尖滅。在地表壓縮變形區(qū)，路基的密實(shí)度將增大。由于路基土體有一定的空隙，能吸收一部分壓縮變形，不會(huì)對路基造成影響。高速公路的破壞變形值以水平拉伸破壞變形值為準(zhǔn)。公路設(shè)計(jì)與施工主要應(yīng)該考慮地表剩余下沉及其引起的剩余傾斜、剩余曲率和剩余水平變形，重點(diǎn)考慮的部位相應(yīng)為盆地邊緣的拉伸變形影響區(qū)、壓縮變形影響區(qū)和傾斜變形影響區(qū)。

3 物理相似試驗(yàn)過程分析

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橥鹊匿摷芙Y(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)，模型架長4370mm、高2600mm、寬200mm。本試驗(yàn)，如圖1所示，為一垂直公路走向的橫向模擬。煤層由底層13層，每層35塊砌塊紅磚模擬，并用抽動(dòng)磚塊模擬采空以產(chǎn)生地表變形，厚800mm的夯實(shí)黃土模擬巖層傳遞變形，路面結(jié)構(gòu)由水泥穩(wěn)定碎石基層相似模擬，其不同強(qiáng)度由水泥、碎石等材料的比例控制，以公路路基的實(shí)際厚度同比例尺模擬。

模擬臺(tái)設(shè)置了位移測量點(diǎn)，測點(diǎn)5排40處，間距200mm。初期微小位移的測定由頂部安放的2個(gè)千分表完成，測點(diǎn)使用精細(xì)的圖釘，粘貼于對應(yīng)位置，中心為小十字。

為較為準(zhǔn)確地模擬路基變形特征，路基采用由水泥穩(wěn)定碎石基層。水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度形成原理有嵌擠作用與水泥的硬化作用，其中：

嵌擠作用：由于水泥穩(wěn)定級配碎石具有一定的顆粒組成，按顆粒大小進(jìn)行排列組合，按小顆粒補(bǔ)充大顆?？障?、一級補(bǔ)填一級的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，它在外力的作用下，依靠顆粒間的嵌擠和摩阻作用而形成內(nèi)摩阻力，使其具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

水泥的硬化作用：水泥與水發(fā)生強(qiáng)烈的水解和水化反應(yīng)，形成其他化合物。水泥的各種化合物生成后，有的自行硬化，形成水泥骨架；有的則與碎石中的其他礦物質(zhì)發(fā)生硬凝反應(yīng)和碳酸化作用，從而增加水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度。

圖1 縱向模型布置圖（單位：mm）

3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)臺(tái)裝好后，經(jīng)一周的養(yǎng)護(hù)，達(dá)到穩(wěn)定后即可開始進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。在有機(jī)玻璃板上標(biāo)定測點(diǎn)位置，測量測點(diǎn)原始坐標(biāo)采用全站儀進(jìn)行，位移測量由全站儀和人工手動(dòng)方式共同進(jìn)行。

試驗(yàn)過程以間隔時(shí)間抽取磚塊模擬采空，人為產(chǎn)生變形，誘發(fā)路基結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。試驗(yàn)過程中觀察分析路基結(jié)構(gòu)的破壞全過程為主要內(nèi)容。為了模擬采空區(qū)沉降盆地邊緣的拉伸變形，磚塊抽取從左側(cè)路肩腳處最上層開始，一次抽取2塊，時(shí)間間隔2h，抽取后進(jìn)行宏觀變形跡象與位移觀測，繪制整個(gè)抽取過程模型的變形曲線，分析破壞點(diǎn)與對應(yīng)變形量，試驗(yàn)過程至路基結(jié)構(gòu)完全破壞結(jié)束，留存影像資料，整理分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制圖件，進(jìn)行變形分析。

3.3 試驗(yàn)成果研判

研究表明，高速公路路基的材料相似產(chǎn)品碎石混凝土穩(wěn)定層為脆性材料，脆材料的明顯特征是抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度。一系列力學(xué)作用后，路基在彎矩作用下其上部受拉，從上部折斷，發(fā)生突然破壞。從試驗(yàn)看，路基受采動(dòng)引起的地表變形作用，在長期的抵抗變形后突然折斷，不同于采空區(qū)地表緩慢形成的漸變曲線與沉陷盆地。

分析不同高度路基邊點(diǎn)在不同時(shí)刻的下沉量（圖2），在未破壞前路基培土路肩發(fā)生過2次折斷，直至發(fā)生突然破壞。圖3所示路基下沉曲線顯示最大下沉量為102mm，下沉的同時(shí)各測點(diǎn)同時(shí)產(chǎn)生了一定量的水平位移。

4 結(jié)論與建議

圖2 路基邊點(diǎn)下沉量曲線

圖3 各測點(diǎn)位移失量

本文采用物理相似材料模擬試驗(yàn)，對采空區(qū)高速公路路基結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)和破壞規(guī)律進(jìn)行了研究。通過對路基變形全過程的分析，證實(shí)了高速公路路基變形性質(zhì)為受拉破壞，橫向路基結(jié)構(gòu)破壞為懸臂梁結(jié)構(gòu)上部受拉。

根據(jù)研究成果，為減少采空區(qū)域高速公路路基破壞，延長路基壽命，在采空區(qū)高速公路路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮路基與采空沉陷變形區(qū)的相對位置、路基結(jié)構(gòu)變形破壞特點(diǎn)，針對相關(guān)部位變形特征針對性進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)，提高其抗變形和抗破壞能力，從路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身預(yù)防采空引起的破壞。