基于FLAC3D模擬分析采空區(qū)高速路基穩(wěn)定性

袁曼飛 劉鈺

摘 要：通過FLAC3D數(shù)值模擬分析車輛荷載因素以及路面本身質(zhì)量因素，對采空區(qū)上方公路路基的影響。模擬路基、車輛荷載、采空區(qū)自身沉降對采空區(qū)活化變形影響程度，總結(jié)采空區(qū)上方高速公路路基穩(wěn)定性關(guān)鍵因素和治理方法。通過計算模擬分析發(fā)現(xiàn)，車輛荷載對采空區(qū)路基的影響很大，同時車輛荷載擾動能夠使采空區(qū)活化變形。在采空區(qū)上方修建公路或者鐵路應(yīng)做好路基加固措施，盡量避免經(jīng)過采空區(qū)中心變形敏感區(qū)域。

關(guān)鍵詞：采空區(qū);車輛荷載;路基穩(wěn)定性;FLAC3D

中圖分類號：TD325+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0111-04

Abstract：Through FLAC3D numerical simulation， the influence of vehicle load factors and the quality of the road surface on the roadbed above the goaf is analyzed. The influence of subgrade， vehicle load and subsidence of the goaf itself on the activation deformation of the goaf was simulated， and the key factors and treatment methods of subgrade stability of expressway above the goaf were summarized. Through the calculation and simulation analysis， it was found that the vehicle load had a great influence on the subgrade above goaf， and the vehicle load disturbance could activate the goaf deformation. To build roads or railways above the goaf， roadbed reinforcement measures should be taken， and try to avoid passing through the deformation sensitive area in the center of the goaf.

Key words：goaf;vehicle load; roadbed stability; FLAC3D

0 引言

煤炭被大規(guī)模的開采后，由于開采引起的地下空洞、孔隙、離層等欠壓實(shí)的采空區(qū)長期存在[1]。采空區(qū)帶來諸多環(huán)境災(zāi)害問題，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境、交通等方面的發(fā)展帶嚴(yán)重影響。若在煤礦采空區(qū)上修建高速公路，車輛動荷載對高速路基施加應(yīng)力和振動波，同時也會將影響傳遞到下方采空區(qū)，又進(jìn)一步破壞了采動后的平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致高速路基傾斜、塌陷，褶皺等現(xiàn)象，危及高速公路上車輛行駛安全。FLAC3D軟件是最優(yōu)秀的土木工程建模分析軟件，能夠分析模型在受到外力的動荷載和靜荷載而產(chǎn)生位移變化，力學(xué)變化等，在邊坡安全，基坑安全，礦山巖石移動中有廣泛應(yīng)用。

文獻(xiàn)2采用數(shù)值模擬分析和概率積分法分析評價公路地表穩(wěn)定性[2]，針對地表形變進(jìn)而評價公路穩(wěn)定性。文獻(xiàn)3用有限元分析軟件對沈大高速公路下條帶開采進(jìn)行模擬研究[3]，研究高速公路下條帶開采的對路基影響;文獻(xiàn)4對高速公路下伏多層采空區(qū)引起的地表沉陷進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要分析采空區(qū)對地表的影響[4]。以上文獻(xiàn)主要采用數(shù)值模擬方法對采空區(qū)上方不同荷載形式進(jìn)行模擬計算分析，缺少車輛荷載運(yùn)動對路基的直接影響，同時車輛擾動影響通過路基傳遞到采空區(qū)，引起采空區(qū)活化變形又會影響路基，因而相互產(chǎn)生耦合作用并未闡述清楚。為了更好的弄清楚車輛荷載對采空區(qū)路基的影響，本文主要利用FLAC3D軟件，構(gòu)建采空區(qū)巖層模型以及上方高速公路路基模型，研究車輛荷載對路基影響以及采空區(qū)活化變形對路基的影響，主要從路基沉降量進(jìn)行分析。

1 車輛荷載與采空區(qū)路基相互作用

1.1 車輛荷載對采空區(qū)路基影響

車輛荷載本主要從載重和速度兩個方面進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬進(jìn)行計算分析，車輛在路面行駛對路面產(chǎn)生動荷載作用力，使路基產(chǎn)生形變情況[5]。為了研究車輛荷載對采空區(qū)路基的影響，改變車輛載重量來計算不同載重對路基產(chǎn)生最大沉降值;然后改變車輛行駛速度計算速度對路面的影響。為了進(jìn)一步研究載重和速度影響嚴(yán)重程度，將不同載重在不同速度下對路基產(chǎn)生的沉降值進(jìn)行模擬計算。這樣可以發(fā)現(xiàn)載重和速度對路基的影響程度，找到影響路面沉降的關(guān)鍵因素。

1.2 采空區(qū)活化變形對路基影響

地下煤層開挖后，在頂板巖層自重作用下產(chǎn)生垮落、破碎、離層、彎曲等巖層移動和變形，導(dǎo)致地表產(chǎn)生盆地[8]。在經(jīng)過長時間壓實(shí)后仍然會有少量空洞和空隙，當(dāng)發(fā)生擾動時采空區(qū)還會產(chǎn)生有殘余變形。高速公路修建以后，車輛荷載在運(yùn)動過程中對路基產(chǎn)生作用力，路面不平整產(chǎn)生的波長和振幅會增加車輛對路基的破壞，與此同時，這些作用力傳遞到采空區(qū)的巖層內(nèi)殘留的空洞、離層、裂縫等空間，會導(dǎo)致地下巖層產(chǎn)生再移動和再變形。這種移動和變形對采空區(qū)路基的破壞包括以下3種[6][8]：

（1）引起路基傾斜 。車輛動荷載擾動引起采空區(qū)活化變形并非均勻，可使路基不均勻下沉，使路面帶來傾斜。車輛荷載的擾動會引起采空區(qū)上覆巖層殘余變形，進(jìn)而導(dǎo)致路基傾斜，破壞路面平整度，容易引發(fā)交通事故。

（2）導(dǎo)致隱性凹陷或塌陷 。在車輛荷載和路基的共同作用下采空區(qū)空洞、離層等開始閉合壓實(shí)。這樣路基下面會形成塌陷坑、路面凹陷坑現(xiàn)象，甚至地表并不出現(xiàn)任何跡象，具有很強(qiáng)隱蔽性，一旦超載車輛通過極易導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故。

（3）路面產(chǎn)生裂縫和褶皺。在車輛反復(fù)荷載作用下采空區(qū)會發(fā)生沉降，導(dǎo)致路面產(chǎn)生裂縫。如果沉降量過大甚至可能導(dǎo)致路面出現(xiàn)開裂或臺階。由于采動破壞，導(dǎo)致地下水位發(fā)生變化，有時會使路基反水，引起路基軟化，而車輛荷載在加速和減速產(chǎn)生水平剪應(yīng)力對公路表面形成褶皺，使公路無法正常通行。

2 FLAC3D建模分析車輛荷載對采空區(qū)路基影響

2.1 構(gòu)建模型確定力學(xué)參數(shù)

本次模擬工程為山西地區(qū)某高速公路段，該公路穿越煤田采空區(qū)地段較多，本次實(shí)驗(yàn)選擇一個具有代表性的區(qū)段，煤厚在3.6～8.5m，平均煤厚約6m，頂板自然垮落，主要以砂巖和粉砂巖為主。采用 FLAC3D 數(shù)值模擬軟件構(gòu)建采空區(qū)巖層模型，在地表構(gòu)建路基模型[2，3]，路基上方構(gòu)建二自由度車輛模型模擬車輛動荷載，通過改變荷載、速度等相應(yīng)參數(shù)，記錄最大下沉值。對于采空區(qū)建模力學(xué)參數(shù)的選擇如表1所示。

2.2 車輛荷載對采空區(qū)路基影響的計算分析

2.2.1 數(shù)值模擬的基本數(shù)據(jù)條件。

車輛荷載對路基的影響主要從車輛載重和行駛速度兩方面因素研究;路面質(zhì)量主要從路面波長與振幅的兩個參數(shù)著手研究[7]。路面高低起伏變化用正弦波形來表示，根據(jù)我國路面統(tǒng)計分析，通常采用的平均值為標(biāo)準(zhǔn)[5]，本次實(shí)驗(yàn)取波長選為8.0m，振幅選為5.21mm[8]。我國常用車輛載重參數(shù)，小型車輛載重對路面影響較小通?？梢院雎裕敬螌?shí)驗(yàn)分別選取10t、30t、45t、60t、特殊車型80t、100t的載重作為車輛荷載;模擬不同載重對路基的影響選擇車輛行駛速度為最高限速為90km/h。為了模擬方便，所有模擬載重車輛與地面接觸形式和運(yùn)動方式相同。

2.2.2 車輛荷載因素的影響

車輛荷載因素主要從車輛載重和車輛行駛速度進(jìn)行模擬，主要是針對采空區(qū)中心位置路基最大沉降值進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)模擬結(jié)果整理分析如圖2所示。

為了更好分析問題，對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合、整理得到車輛荷載對路基影響分析圖。由圖2? ?（a）可知，車輛載重與最大下沉量成正比例關(guān)系，這說明車輛荷載對路基的破壞隨著車輛荷載的增加而更加嚴(yán)重，也是路基破壞的最主要形式之一。由圖2? ?（b）車輛速度對路基的影響可知，該過程可分為兩個階段：當(dāng)速度小于45km/h時，隨著速度的增加呈現(xiàn)近似二次曲線變化，在速度為17～18km/h時達(dá)到最大沉降值;當(dāng)速度大于45km/h時，隨著速度的增加下沉值緩慢增大，但是總體呈現(xiàn)正比例關(guān)系，變化率并不大。為了更清楚不同車輛荷載對路基的影響實(shí)際情況，采用三個不用載重的車輛在不同速度條件下進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，其數(shù)據(jù)成果如圖3所示。

據(jù)圖3所知，在車輛不同載重條件下，低速行駛的汽車對采空區(qū)路基影響敏感，不同載重車輛對路基影響明顯不同。經(jīng)分析，當(dāng)速度達(dá)到45km/h后，車輛速度對路面的影響變化較小，車輛荷載變化對路基影響更為顯著，因此，車輛速度對路基總體影響不大，車輛荷載對路基影響是值得注意的一個重要指標(biāo)。

2.2.3 路面本身質(zhì)量對路基的影響

路面本身質(zhì)量問題主要表現(xiàn)是路面不平整，會引起汽車行駛安全同時也會影響公路的使用壽命。而采空區(qū)上方路基的不平整也會誘發(fā)車輛顛簸，這些顛簸以波的形式傳遞到采空區(qū)導(dǎo)致采空區(qū)巖體移動、活化變形等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象進(jìn)而使路基產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致公路傾斜、塌陷坑、褶皺，裂縫錯臺等問題，影響正常交通。為了研究路面質(zhì)量問題，通常假設(shè)路面形狀為正弦波，則路面不平整通常用路面波長和路面振幅兩個參數(shù)反應(yīng)[7]。波長越長、振幅越小說明路越平整、越平順，公路質(zhì)量越好;反之就越起伏、越顛簸，公路質(zhì)量就越質(zhì)量差。試驗(yàn)?zāi)M載重為30t的車輛，以90km/h的行駛，改變不同波長和振幅記錄采空區(qū)中心路基產(chǎn)生最大沉降值，匯總結(jié)果統(tǒng)計分析如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)波長小于15m時，路基沉降值與路面波長成波浪曲變化，波長大于15m后，隨著波長增加沉降逐漸減小并趨向于一個固定值;路面振幅對路基的影響可以近似認(rèn)為是線性的，隨著振幅的增加沉降量逐漸增大。因此，修建質(zhì)量較好的公路對于路基以及車輛都具有一定保護(hù)作用。

3 采空區(qū)活化變形對路基的影響分析

通過上述分析，當(dāng)采空區(qū)高速公路竣工后，路基本身質(zhì)量基本固定，路面的波長和振幅變化非常小可以視為定量;而車輛荷載影響因素中車輛速度的變化對路基影響不嚴(yán)重，但是車輛載重對公路路基破壞較為明顯。因此，為了研究車輛荷載的擾動下采空區(qū)活化變形對公路路基的影響，選擇不同載重的車輛進(jìn)行試驗(yàn)，利用FLAC3D對采空區(qū)模型采空計算后，使計算力學(xué)平衡，將形變參數(shù)歸零，認(rèn)為采空區(qū)已經(jīng)基本穩(wěn)定;然后將車輛荷載作為擾動外部荷載數(shù)據(jù)，重新計算使模型達(dá)到再次平衡，監(jiān)測記錄斷面上路基最大下沉變形量。成果分析匯總?cè)鐖D5所示。

由圖5分析可知，在不同載重的車輛經(jīng)過采空區(qū)上方路基時，采空區(qū)會產(chǎn)生活化變形[9]，變形量與車輛載重有直接關(guān)系;車輛載重越大，采空區(qū)活化變形越大，但是在采空區(qū)邊沿變形相對較小。因此，在修建高速公路時在采空區(qū)上方地段應(yīng)做好加固措施，減小采空區(qū)活化變形對路基破壞作用，在公路設(shè)計時盡量避免通過采空區(qū)中心沉降敏感區(qū)。

4 結(jié)語

在采空區(qū)上方建設(shè)高速公路是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，也是解決交通壓力行之有效的方法。但是本文只是通過數(shù)值模擬方法，對采空區(qū)上方高速公路進(jìn)行初步分析，模擬計算對采空區(qū)上方修建高速公路的沉降情況，并未有實(shí)際算例進(jìn)行有效驗(yàn)證，但模擬計算具有一定實(shí)際工程價值。通過分析發(fā)現(xiàn)，車輛荷載對公路路基影響較大，此外車輛擾動誘發(fā)采空區(qū)活化變形也是修建高速公路必須考慮的一個重要因素。

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