采空區(qū)新填覆土壓力作用下廢棄立井力學(xué)性能研究

丁新 竇國(guó)濤 黃勇博 萬戰(zhàn)勝 董清志

摘? 要：為揭示新建公路所導(dǎo)致的新填覆土對(duì)廢棄立井力學(xué)性能的影響，該文采用ANSYS進(jìn)行模擬計(jì)算，研究不同覆土厚度和井壁厚度工況下廢棄立井力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，當(dāng)井壁厚度相同時(shí)，隨著覆土厚度的增厚，廢棄立井井壁水平向位移極值也隨之增大，當(dāng)新填覆土厚度相同時(shí)，廢棄立井井壁水平向位移極值隨井壁厚度的增大而減小，最大水平向位移均在廢棄立井底部區(qū)域；當(dāng)井壁厚度相同時(shí)，隨著覆土的增厚，廢棄立井井壁第一主應(yīng)力極值也隨之增大，當(dāng)新填覆土厚度相同時(shí)，廢棄立井井壁第一主應(yīng)力極值隨井壁厚度的增大而減小，廢棄立井混凝土大部分處于受壓狀態(tài)，廢棄立井底部?jī)?nèi)側(cè)混凝土處于受拉狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；公路；廢棄立井；側(cè)土壓力；混凝土

中圖分類號(hào)：TD353? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）10-0067-04

Abstract： In order to reveal the impact of newly filled soil on the mechanical properties of abandoned shafts caused by the construction of new highways， this paper used ANSYS to simulate and calculate the mechanical properties of abandoned shafts under different soil cover thicknesses and shaft wall thicknesses. The research results showed that， when the thickness of shaft wall is the same， the extreme value of horizontal displacement of abandoned shaft wall increases with the increase of soil thickness， and when the thickness of newly filled soil is the same， the extreme value of horizontal displacement of abandoned shaft wall increases. The extreme value of horizontal displacement of abandoned shaft wall decreases with the increase of sidewall thickness， and the maximum horizontal displacement is at the bottom of abandoned shaft. When the thickness of the shaft wall is the same， the extreme value of the first principal stress of the abandoned shaft wall increases with the thickening of the covered soil， and when the thickness of the newly filled soil is the same， the extreme value of the first principal stress of the abandoned shaft wall decreases with the increase of the shaft wall thickness; most of the abandoned shaft concrete is in the compression state， and the inner concrete at the bottom of the abandoned shaft is in the tensile state.

Keywords： goaf; highway; abandoned shaft; lateral earth pressure; concrete

1950年以來，礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開采推動(dòng)了河南省經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，由于礦產(chǎn)開采后留下大量的廢棄井口未得到有效密實(shí)充填，一般僅做簡(jiǎn)單的棚蓋處理[1-4]。由于路網(wǎng)規(guī)劃的需求，很多路線走廊不得不壓伏廢棄采礦立井，這嚴(yán)重阻礙了公路的修建，制約了區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

當(dāng)公路通過廢棄立井時(shí)，新填覆土將導(dǎo)致廢棄立井井壁側(cè)土壓力增大，由于受力條件的改變，廢棄立井是否安全需要進(jìn)一步研究。

針對(duì)立井力學(xué)性能研究方面，趙靜[5]為解決淮南顧北礦副井深厚表土層凍結(jié)法鑿井出現(xiàn)的技術(shù)難題，在施工過程中對(duì)凍結(jié)壁井幫及外層井壁的溫度和受力過程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲取了凍結(jié)井壁溫度、受力、凍結(jié)壓力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析得出深厚表土層凍結(jié)壓力和井壁受力的變化規(guī)律。張建俊等[6]為探明深部圍巖壓力作用下混凝土井壁的受力特征，將井筒周圍不均勻側(cè)壓力分為均布荷載和非均布荷載2部分，利用疊加原理將兩者對(duì)井筒受力的影響相加，獲得井壁受力公式，并通過分析不同厚徑比和不均勻側(cè)壓系數(shù)條件下井壁不同位置和極值點(diǎn)的受力變化，揭示了厚徑比和不均勻側(cè)壓系數(shù)對(duì)井壁受力的影響規(guī)律，提出了相應(yīng)的不均勻側(cè)壓條件下井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的主要原則和程序。羅靜等[7]研究了深厚表土不穩(wěn)定地層井壁破裂機(jī)理，設(shè)計(jì)的大型井壁受力模擬試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)土體與井壁界面剪切試驗(yàn)、高應(yīng)力下含水層的疏排水沉降試驗(yàn)等，可實(shí)現(xiàn)如井壁、樁體等圓柱形地質(zhì)構(gòu)件的力學(xué)邊界的模擬，并運(yùn)用有限元分析對(duì)油缸結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步優(yōu)化。耿雪峰[8]研究了利用地面造斜鉆孔對(duì)已封閉井口的井筒全部進(jìn)行回填，滿足礦井安全開采要求。祁新波等[9]采用分階段全井筒封閉回填方式對(duì)其主副立井進(jìn)行封堵處理，嚴(yán)格封堵階段的施工管理，確保封堵質(zhì)量，消除了隱患威脅，為礦井后期順利安全回采提供了保障。宋曉雷[10]針對(duì)回風(fēng)順槽揭露廢棄立井引起的冒頂隱患和頂板淋水問題，設(shè)計(jì)了采用底部抗沖擊底座、中部“矸石+充填材料”膠結(jié)、頂部混凝土封頂綜合方案，起到了良好的效果。卞超等[11]研究VSM沉井井壁受力變化規(guī)律，結(jié)合施工工藝特點(diǎn)對(duì)VSM沉井的下沉過程及受力特性進(jìn)行了分析。王建州等[12]針對(duì)井壁和圍巖的共同承載特征，建立空間軸對(duì)稱彈性力學(xué)模型；通過將模型分解，分別求解各子模型下的應(yīng)力解答，隨后將各子模型下的應(yīng)力解答疊加，得到井壁圍巖共同承載空間彈性力學(xué)模型的解答。李碩等[13]為解決深厚表土層中混凝土井壁支護(hù)難題，采用ANSYS有限元軟件對(duì)比分析混雜纖維高強(qiáng)度混凝土井壁和普通高強(qiáng)度混凝土井壁在表土層厚度200～600 m范圍變化時(shí)的變形和受力情況。

目前，針對(duì)新建公路通過廢棄立井研究文獻(xiàn)較少，因此，本文展開了新建公路所導(dǎo)致的新填覆土對(duì)廢棄立井力學(xué)性能影響的研究。

1? 工程背景

G310國(guó)道鄭州市西南段進(jìn)行升級(jí)改造時(shí)，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域歷史上存在大量的小煤礦，開采后留下的廢棄井口，如圖1所示，未得到有效處理，此問題嚴(yán)重影響公路的正常施工，并給公路的安全運(yùn)行埋下安全隱患。

該廢棄立井內(nèi)徑為3.4 m，壁厚0.6 m，混凝土等級(jí)為C25，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量深度約為113 m。

2? 有限元模擬

2.1? 工況設(shè)置

本文在上述實(shí)際工程背景基礎(chǔ)上，從以下2個(gè)因素進(jìn)行分析：①新填覆土的厚度，設(shè)置新填覆土的厚度為0、5、10和15 m；②井壁的厚度，設(shè)置井壁厚度為0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 m，如圖2所示，共設(shè)置以下20種工況，見表1。

圖1? 廢棄立井現(xiàn)場(chǎng)圖

圖2? 工況設(shè)置圖

表1? 工況設(shè)置

2.2? 模型建立

混凝土采用C25混凝土，受力時(shí)有限元建模時(shí)，其參數(shù)取值見表2，單元采用實(shí)體單元solid65。土體為黏土，其參數(shù)見表3，新加填土通過轉(zhuǎn)換成荷載進(jìn)行模擬，見表4。

3? 結(jié)果分析

3.1? 水平向位移對(duì)比分析

3.1.1? 水平向位移極值對(duì)比

如圖3所示，為不同工況下廢棄立井水平向位移極值對(duì)比圖，分析圖3中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)井壁厚度相同時(shí)，隨著覆土的增厚，廢棄立井井壁水平向位移極值也隨之增大，當(dāng)井壁厚度為0.2 m時(shí)，工況四（覆土厚度15 m）的水平向位移極值為工況一（覆土厚度為0 m）的1.147倍；當(dāng)井壁厚度為0.6 m時(shí)，工況二十（覆土厚度15 m）的水平向位移極值為工況十七（覆土厚度為0 m）的1.167倍。當(dāng)新填覆土厚度相同時(shí)，廢棄立井井壁水平向位移極值隨井壁厚度的增大而減小，當(dāng)覆土厚度為15 m時(shí)，工況二十（井壁厚度為0.6 m）的水平向位移極值為工況四（井壁厚度為0.2 m）的0.31。

表2? 混凝土物理參數(shù)

表4? 立井側(cè)土壓力（不同填土厚度）

圖3? 不同工況下水平向位移極值對(duì)比圖

3.1.2? 水平向位移云圖對(duì)比分析

工況十七—工況二十的水平向位移云圖如圖4所示，分析圖4中數(shù)據(jù)可知，最大水平向位移均在廢棄立井底部區(qū)域，這是由于廢棄立井的側(cè)土壓力隨著土體深度的增大而增大。

3.2? 第一主應(yīng)力對(duì)比分析

3.2.1? 第一主應(yīng)力極值對(duì)比

圖5為不同工況下廢棄立井第一主應(yīng)力極值對(duì)比圖，分析圖5中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)井壁厚度相同時(shí)，隨著覆土的增厚，廢棄立井井壁第一主應(yīng)力極值也隨之增大，當(dāng)井壁厚度為0.2 m時(shí)，工況四（覆土厚度15 m）的第一主應(yīng)力極值為工況一（覆土厚度為0 m）的1.216倍；當(dāng)井壁厚度為0.6 m時(shí)，工況二十（覆土厚度15 m）的第一主應(yīng)力極值為工況十七（覆土厚度為0 m）的145.78倍。當(dāng)新填覆土厚度相同時(shí)，廢棄立井井壁第一主應(yīng)力極值隨井壁厚度的增大而減小，當(dāng)覆土厚度為15 m時(shí)，工況二十（井壁厚度為0.6 m）的第一主應(yīng)力極值為工況四（井壁厚度為0.2 m）的0.054。

圖5? 不同工況下第一主應(yīng)力極值對(duì)比圖

3.2.2? 第一主應(yīng)力云圖對(duì)比

工況十七—工況二十的第一主應(yīng)力云圖如圖6所示，分析圖6中數(shù)據(jù)可知，廢棄立井混凝土大部分處于受壓狀態(tài)，廢棄立井底部?jī)?nèi)側(cè)混凝土處于受拉狀態(tài)，這是由于底部側(cè)土壓力大，擠壓井底，導(dǎo)致內(nèi)部受拉。

4? 結(jié)論

本文研究了新建公路所導(dǎo)致的新填覆土對(duì)廢棄立井力學(xué)性能影響，并得到了如下結(jié)論。

1）當(dāng)井壁厚度相同時(shí)，隨著覆土厚度的增厚，廢棄立井井壁水平向位移極值也隨之增大，覆土厚度15 m的水平向位移極值為覆土厚度為0 m的1.147倍。

2）當(dāng)新填覆土厚度相同時(shí)，廢棄立井井壁水平向位移極值隨井壁厚度的增大而減小，最大水平向位移均在廢棄立井底部區(qū)域。

3）當(dāng)井壁厚度相同時(shí)，隨著覆土的增厚，廢棄立井井壁第一主應(yīng)力極值也隨之增大，當(dāng)新填覆土厚度相同時(shí)，廢棄立井井壁第一主應(yīng)力極值隨井壁厚度的增大而減小。

4）廢棄立井混凝土大部分處于受壓狀態(tài)，廢棄立井底部?jī)?nèi)側(cè)混凝土處于受拉狀態(tài)。

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