礦山開采引起的路面差異沉降控制方法研究

樊風建

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

由于礦區(qū)舊路路基的沉降固結狀態(tài)不穩(wěn)，而新路路基的沉降未完全，新舊路基結合之處勢必會產(chǎn)生非均勻沉降，從而導致縱向裂縫的產(chǎn)生，不僅會迫使水泥混凝土面板在剪應力作用下出現(xiàn)斷板，也可使瀝青混凝土路面出現(xiàn)相應的反射裂縫[1]。此情況會對礦區(qū)運輸車輛的行駛造成安全隱患，大幅增加車輛的輪胎磨耗與油耗水平，增大運輸時間與成本。

傳統(tǒng)管樁復合地基沉降變形計算方法利用數(shù)值簡化模式，對路基拼接帶地區(qū)進行加固處理，再通過確定樁帽與樁體間等效半徑的方式，實現(xiàn)對礦區(qū)地基的沉降特性分析。然而此方法并不能有效治理因礦山開采而造成的路面凹陷情況。為解決上述問題，設計新型路面差異沉降控制方法，從水環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價入手，在確定基層底脫空路面結構響應形式的同時，確定具體的結合帶壓實度系數(shù)，再以此為標準，對實際差異沉降控制標準進行完善。

1 礦山開采對礦區(qū)路面的影響

礦山開采對礦區(qū)路面差異沉降行為造成的影響可分為水環(huán)境質(zhì)量評價、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價。

1.1 水環(huán)境質(zhì)量評價

礦區(qū)水質(zhì)較為清潔，質(zhì)量極大，但屬于自然流動用水，對于路面差異沉降行為的影響并不明顯。然而礦區(qū)內(nèi)生活污水中含有大量的污染物，如若未經(jīng)處理排放，會導致礦區(qū)路面出現(xiàn)嚴重的差異沉降行為[2，3]。根據(jù)礦山開采區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境現(xiàn)狀水平可知，大部分污水會通過地表排泄的方式，直接進入地表水系，并攜帶大量的泥沙及小礦石顆粒，使得路面的差異沉降現(xiàn)象愈發(fā)顯著。設NA代表礦區(qū)流動水資源的阿伏伽德羅常數(shù)，D1代表水環(huán)境沉降指標。聯(lián)立上述物理量，可將礦山開采環(huán)境中的水環(huán)境質(zhì)量評價結果表示為：

其中，k1代表小礦石顆粒的濾水作用系數(shù)，X1代表污水成分的地表排泄系數(shù)。

1.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價

由于礦山的開發(fā)建設，區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的平均生產(chǎn)力水平會出現(xiàn)一定程度的下降，但在此過程中，若能著力進行生態(tài)恢復，則可在一定程度上控制路面差異沉降行為的作用強度。相對于礦山開采區(qū)域的自然體系生產(chǎn)力保底數(shù)值而言，若開采過程中的路面差異沉降行為過大，則會導致礦石自身的穩(wěn)定性承載能力下降，從而使得路面的差異沉降程度持續(xù)增大[4]。就礦山開采區(qū)域來說，森林植被的覆蓋面積能夠直接決定生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價結果，且該項條件始終屬于內(nèi)在影響因素。若礦山開采區(qū)域內(nèi)的礦點分布相對較為集中，且淺層地表環(huán)境中存在多個廢棄地，則可認為植被對礦石的遮擋作用是影響地面差異沉降水平的關鍵因素。設D2代表生態(tài)環(huán)境沉降指標，聯(lián)立礦區(qū)內(nèi)植株資源的阿伏伽德羅常數(shù)N′A，可將礦山開采環(huán)境中的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價結果表示為：

上式中，k2代表礦區(qū)生態(tài)景觀所具備的差異沉降維持系數(shù)，X2代表生態(tài)環(huán)境中的礦點分布系數(shù)。

2 路面差異沉降控制方法

在水環(huán)境與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價結果的支持下，按照基層底脫空路面結構響應、路基填筑、結合帶壓實度確定、差異沉降控制標準研究的分析流程，實現(xiàn)路面差異沉降控制方法的順利應用。

2.1 基層底脫空的路面結構響應

礦區(qū)公路多采用半剛性型路面結構，此類結構具有良好的整體性與較大的剛度化水平，若與路面斜坡變化相結合，礦山開采不僅會造成路面結構層在橫斷面方向上表現(xiàn)出層底脫空的情況，也會使路面結構的頂部區(qū)域產(chǎn)生明顯的向下彎拉應力，而當路基結構所能承擔的拉應力水平超過路面結構層所容許的最大彎拉應力數(shù)值時，則會導致基層底脫空區(qū)域出現(xiàn)明顯的橫、縱向裂縫。

2.2 路基填筑

礦區(qū)公路路面在原有沉降路基的基礎上進行后續(xù)加寬拓建時，除了最普通的填筑工藝外，還可以采用間隙施工原則。所謂間歇法填筑首先對待加寬的外側部分進行填筑，但由于既有差異沉降路基的存在，在填筑的同時，還需預留一定空間的物理空隙，當沉降軟基部分的載荷達到固定強度值后，才可對預留空隙進行二次填筑[7，8]。

2.3 結合帶壓實度

新舊路基結合帶通常是大型礦山壓路機壓實施工過程中的死角，極易被忽視。根據(jù)過往的路面差異沉降控制工程經(jīng)驗，老舊路基壓實不充分會直接對新擴展路基的穩(wěn)定性造成影響[9]。為有效避免此種影響，需分別計算未處理區(qū)域與已處理區(qū)域間的側向位移量與沉降變形量，再借助既定計算公式，判斷路面結合帶成分的實際壓實度。

表1 結合帶壓實度計算參數(shù)

分析上述數(shù)值對比關系可知，相較于未處理的路基臺階來說，壓實處理后路基路面所承擔的沉降壓力水平明顯降低。因此，在實施礦區(qū)路面施工的過程中，須嚴格控制新老路基之間結合帶的壓實程度。

2.4 差異沉降控制標準

一般情況下，結構層材料的容許拉應力數(shù)值應與路面承受的行車載荷作用值相等，而當這種臨界狀態(tài)被礦山開采等外力作用破壞后，路面結構則會在短時間內(nèi)達到最大疲勞應力狀態(tài)，從而出現(xiàn)差異沉降行為。在實施擴建的過程中，路面結構的附加拉應力條件應與礦區(qū)行車載荷的不均勻沉降作用強度相等，且其計算點處所承擔的拉應力數(shù)值也必須滿足容許拉應力的真實實施條件。設f代表礦區(qū)地面結構層材料的容許拉應力系數(shù)，聯(lián)立公式（1）、公式（2），可將礦山開采引起的路面差異沉降控制標準表示為：

上式中，I代表路面結構的疲勞壽命值，i0代表系數(shù)I的最小取值條件，B代表路面所承擔的差異運輸載荷力數(shù)值，b0代表系數(shù)B的最小取值條件。至此，實現(xiàn)對各項指標系數(shù)量的計算與處理，在不考慮其他干擾條件的情況下，完成礦山開采引起路面差異沉降控制方法的研究。

3 實用性分析

為驗證新型路面差異沉降控制方法的實際應用價值，設計如下比照實驗。選取某礦區(qū)開采空間作為實驗環(huán)境，將圖3所示沉降基坑一分為二，其中一半基坑分配給實驗組，另一半基坑分配給對照組，實驗組采取新型路面差異沉降控制方法，對照組采取管樁復合地基沉降變形計算方法。

圖1 礦山開采引起的路面差異沉降基坑

已知樁體模量是導致地基沉降行為的主要原因，一般情況下，基坑內(nèi)的樁體模量越大，地面地基的沉降行為也就越明顯。下表記錄了實驗組、對照組樁體模量與地基沉降行為間的實際影響變化關系。

表2 實驗組影響關系

表3 對照組影響關系

對比表2、表3可知，實驗組地基沉降水平在樁體模量等于40 GPa、60 GPa、80 GPa的情況下，均保持相對平穩(wěn)的數(shù)值變化趨勢，且隨著樁體模量值水平的增大，地基沉降水平也維持相對遞增的變化趨勢。對照組地基沉降水平在樁體模量等于40 GPa、60 GPa的情況下，能夠保持相對平穩(wěn)的數(shù)值變化趨勢，而當樁體模量達到80 GPa時，這種穩(wěn)定變化趨勢被打破，并逐漸呈現(xiàn)出持續(xù)上升的變化形式，整體均值水平更是遠高于實驗組。

綜上可知，新型路面差異沉降控制方法可在樁體模量不斷增大的情況下，實現(xiàn)對地基沉降水平的有效控制，可較好應對由礦山開采帶來的內(nèi)路面沉降現(xiàn)象。

4 結束語

與管樁復合地基沉降變形計算方法相比，新型路面差異沉降控制方法能夠適應基層底脫空的路面結構響應方式，可在對路基進行填筑的同時，實現(xiàn)對結合帶的壓實處理，不僅彌補了礦山開采在水環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量方面造成的抑制性影響，也可對差異沉降標準進行嚴格控制。