采空區(qū)下沉盆地防積水淹沒框架橋“橋上建橋”力學(xué)特性研究

竇國濤 丁新 于文杰 黃勇博 萬戰(zhàn)勝 董清志

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（212102310967）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（222102320468）；鄭州航院2024年實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目（ZHSK24-29）

第一作者簡介：竇國濤（1985-），男，博士，講師。研究的方向?yàn)椴煽諈^(qū)橋梁加固及公路橋梁施工過程安全。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.017

摘? 要：為防止采空區(qū)下沉盆地框架橋被積水淹沒，提出2種治理方案，采用ANSYS建立其有限元模型，研究不同土壓力作用下框架橋“橋上建橋”的可行性。研究結(jié)果表明，①采空區(qū)下沉盆地壓縮區(qū)原有框架橋隨著側(cè)土壓力的增大，其合位移隨之增大；②采空區(qū)下沉盆地壓縮區(qū)原有框架橋隨著側(cè)土壓力的增大，其第一主應(yīng)力也隨之增大；③極限被動(dòng)土壓力作用下，原有框架橋可采用加大截面法進(jìn)行加固，但加大截面尺寸較大，不經(jīng)濟(jì)；④通過松動(dòng)框架橋兩側(cè)土體，減小框架橋側(cè)土壓力，然后在其上續(xù)建新框架橋，形成組合框架橋，可以節(jié)省混凝土，更為經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；框架橋；橋上建橋；被動(dòng)土壓力；力學(xué)特性

中圖分類號(hào)：TD228? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）12-0071-06

Abstract： In order to prevent the frame bridge in the subsidence basin of the goaf from being submerged by water accumulation， two treatment schemes are proposed. The finite element model is established by ANSYS， and the feasibility of "building a bridge on the frame bridge" under different earth pressure is studied. The research results show that： ①the combined displacement of the original frame bridge in the compression area of the subsidence basin in the goaf increases with the increase of lateral earth pressure;② The first principal stress of the original frame bridge in the subsidence basin compression area of the goaf increases with the increase of the lateral earth pressure;③Under the action of ultimate passive earth pressure， the original frame bridge can be strengthened by increasing section method， but the increasing section size is large and uneconomical; ④By loosening the soil on both sides of the frame bridge， reducing the earth pressure on both sides of the frame bridge， and then continuing to build a new frame bridge on it to form a composite frame bridge， it can save concrete and be more economical.

Keywords： goaf; frame bridge; bridge construction on bridge; passive earth pressure; mechanical properties

我國煤炭開發(fā)歷史悠久，因長期的煤炭開采，地下形成大規(guī)模的空洞區(qū)域，稱為采空區(qū)。由于交通運(yùn)輸?shù)男枰?，此區(qū)域存在大量的框架橋，地表沉陷后，形成下沉盆地，框架橋也隨之沉陷，有些框架橋沉陷可達(dá)到6～9 m。當(dāng)雨季到來時(shí)，下沉盆地積水，淹沒原有橋梁，使得通行中斷，嚴(yán)重影響和制約區(qū)域社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。采空區(qū)塌陷框架橋的治理是礦山綜合治理工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容[1-2]。

于廣云等[3-10]課題組進(jìn)行了一系列研究，根據(jù)煤礦采動(dòng)區(qū)地表沉陷變形規(guī)律和鐵路橋結(jié)構(gòu)特征，建立了合理的數(shù)值計(jì)算模型，研究了地下開采引起的地表土體擾動(dòng)、地表移動(dòng)變形，以及對(duì)原橋體結(jié)構(gòu)和地基產(chǎn)生的附加內(nèi)力和附加變形的規(guī)律。李慧敏[11]提出將旁側(cè)堆載加固方法應(yīng)用到采煤沉陷區(qū)橋梁地基的加固治理中，開展了天然地基和既有復(fù)合地基旁側(cè)堆載加固機(jī)理研究，為采煤沉陷區(qū)橋梁地基堆載設(shè)計(jì)提供一定理論基礎(chǔ)。楊洋[12]以淮南礦區(qū)某鐵路框架橋?yàn)槔?，采用有限元軟件Abaqus研究了不同曲率半徑的地表沉降對(duì)橋體和地表土的影響。張海清[13]分別對(duì)分期采礦形成地下采空區(qū)、雙層采空區(qū)進(jìn)行注漿處置，然后進(jìn)行橋梁和墩臺(tái)的變形及受力特征等進(jìn)行數(shù)值模擬分析。溫慶杰等[14]為分析采空區(qū)支座差異沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)受力的影響，建立了新、舊箱梁橫向拼接后的簡化力學(xué)計(jì)算模型，采用紐瑪克數(shù)值法分析了支座差異沉降產(chǎn)生的附加內(nèi)力，同時(shí)對(duì)影響附加內(nèi)力的主要因素進(jìn)行了參數(shù)分析。趙冠剛[15]針對(duì)采空區(qū)的公路橋，通過采用簡支結(jié)構(gòu)體系，合理劃分樁周土層，考慮剩余下沉位移產(chǎn)生負(fù)摩阻力等不利影響，合理增加基樁的安全儲(chǔ)備，并通過增設(shè)伸縮縫、使用可調(diào)支座等構(gòu)造措施，保證了橋梁結(jié)構(gòu)的安全合理。

本文在前期研究[16-17]的基礎(chǔ)上，針對(duì)采空區(qū)下沉盆地中的框架橋容易被積水淹沒的情況，創(chuàng)新地將采空區(qū)下沉盆地塌陷框架橋作為基礎(chǔ)，在其之上新建框架橋的思路出發(fā)，進(jìn)行分析，研究其力學(xué)特性。

1? 工程背景

采空區(qū)地下煤層未開采時(shí)，土體受到各個(gè)方向力的約束，處于自然應(yīng)力平衡狀態(tài)。采空區(qū)框架橋受力模式和正常工況下框架橋受力模式一致，其兩側(cè)墻所受土壓力為主動(dòng)土壓力（如圖1（a）所示），當(dāng)煤層開采后，將形成采空區(qū)（如圖1（b）所示）。

隨著時(shí)間的推移，地下巖層逐步垮落，地面形成下沉盆地，框架橋沉陷。當(dāng)框架橋最終沉陷的位置為下沉盆地中心位置時(shí)，由于地表土體壓縮擾動(dòng)的作用，框架橋兩側(cè)墻所受的擾動(dòng)土壓力將會(huì)增大，增大后的擾動(dòng)土壓力位于主動(dòng)土壓力和極限被動(dòng)土壓力之間，其值ph大小和框架橋與土體之間相對(duì)位移s存在一定關(guān)系（如圖1（c）所示）。

由于土壓力的增大，對(duì)原有框架橋受力極為不利，框架橋則有可能被土體擠壓破壞，同時(shí)，由于塌陷，路面將沉降。雨水季節(jié)時(shí)，該處低洼地帶容易積水，積水淹沒框架橋，導(dǎo)致無法通行，因此本文提出2種解決方案。

方案一：在塌陷前，對(duì)框架橋進(jìn)行加固，待塌陷穩(wěn)定后，在加固后的框架橋上續(xù)建新框架橋，形成組合框架橋，如圖2所示。

方案二：在塌陷過程中，檢測框架橋側(cè)墻側(cè)土壓力，當(dāng)側(cè)土壓力增大到一定程度，則將原有框架橋兩側(cè)土體松動(dòng)，以減小其土壓力到安全程度。待沉降穩(wěn)定后，在原有框架橋上續(xù)建新框架橋，形成組合框架橋，如圖3所示。

（a）? 煤層未開采時(shí)原有框架橋

（b）? 煤層開采形成采空區(qū)

（c）? 煤層開采后原有框架橋沉陷

圖1? 采動(dòng)塌陷示意圖

圖2? 原有框架橋續(xù)建方案一

圖3? 原有框架橋續(xù)建方案二

2? 土壓力計(jì)算

2.1? 正常工況框架橋土壓力計(jì)算

正常工況下在框架橋設(shè)計(jì)時(shí)，其側(cè)墻的土壓力按照主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)土層特性無變化且無汽車荷載時(shí)，作用在單位長度框架橋側(cè)壁上的主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值按照庫倫土壓力計(jì)算，如式（1）所示。

Ea=■？酌h2Ka。? （1）

沿墻高度分布的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度pa可通過對(duì)式（1）微分求得，即

pa=？酌zKa。? ? ? （2）

式中：Ka是主動(dòng)土壓力系數(shù)，即

式（1）（2）（3）中：Ea是主動(dòng)土壓力；pa是主動(dòng)土壓力強(qiáng)度；？酌是土體的重度；h是框架橋的高度；z是計(jì)算框架橋土壓力位置；？漬是土體內(nèi)摩擦角；？啄是土體和墻體之間的外摩擦角；？琢是橋臺(tái)或擋土墻背與豎直面的夾角；？茁是填土表面與水平面的夾角。

2.2? 采空區(qū)下沉盆地壓縮區(qū)框架橋土壓力

本文研究的工況前提是煤層的傾斜方向充分采動(dòng)。煤層的開采厚度為m0，開采深度為H0，開采長度為L0，對(duì)應(yīng)的曲線如圖4所示[16]。當(dāng)框架橋位于下沉盆地壓縮區(qū)中心時(shí)，框架橋兩側(cè)土體將擠壓框架橋，框架橋側(cè)土壓力將由主動(dòng)土壓力逐漸增大到被動(dòng)土壓力。當(dāng)相對(duì)位移達(dá)到極限位移時(shí)，土壓力也將增大到極限被動(dòng)土壓力如圖5所示。

如式（4）所示。

Ep=■？酌h2Kp。? （4）

沿墻高度分布的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度pp可通過對(duì)式（4）微分求得，即

pp=？酌zKp，? （5）

式中：Kp是主動(dòng)土壓力系數(shù)，即

式（4）（5）（6）中：Ep是被動(dòng)土壓力；pp是主動(dòng)土壓力強(qiáng)度，其余參數(shù)和上述相同。

當(dāng)兩者相對(duì)位移未達(dá)到極限位移，框架橋側(cè)土壓力計(jì)算如式（7）所示。

Ed=■？酌h2Kd 。? ? ? ? ? ? （7）

沿墻高度分布的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度Pd可通過對(duì)式（7）微分求得，即

pd=？酌zKd， （8）

式中：Ka≤Kd≤Kp。式（7）、式（8）中：Ed是擾動(dòng)土壓力；Kd是擾動(dòng)土壓力系數(shù)；pd是擾動(dòng)土壓力強(qiáng)度，其余參數(shù)同前述。

2.3? 組合框架橋側(cè)土壓力計(jì)算

方案一中組合框架橋上側(cè)橋體可采用主動(dòng)土壓力計(jì)算，下側(cè)框架橋的土壓力則需在擠壓后土壓力基礎(chǔ)上再考慮新填土的作用，當(dāng)兩者相對(duì)位移達(dá)到極限位移，框架橋側(cè)土壓力沿墻高度分布的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度為

pp=？酌zKp+？酌h1Ka。? ?（9）

當(dāng)兩者相對(duì)位移未達(dá)到極限位移， 沿墻高度分布的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度為

pd=？酌zKd+？酌h1Ka，（10）

式中：h1為新框架橋的高度，其余參數(shù)同上。

方案二中組合框架橋可采用主動(dòng)土壓力計(jì)算，如圖6所示。

（a）? 非充分采動(dòng)

（b）? 充分采動(dòng)

圖4? 開采主斷面內(nèi)地表移動(dòng)與變形分布圖

圖5? 下沉盆地壓縮區(qū)框架橋與土體相互擠壓示意圖

圖6? 組合框架橋側(cè)土壓力示意圖

3? 有限元模擬

本課題采用實(shí)際工程中某框架橋尺寸作為原始尺寸，如圖7所示，采用ANSYS進(jìn)行模擬計(jì)算，單元采用Solid65單元，鋼筋混凝土采用整體式模型，底板約束x，y，z方向的位移ux，uy，uz，材料參數(shù)見表1。僅考慮土壓力及自重作用下框架橋力學(xué)響應(yīng)，未考慮其他作用，土壓力以面荷載形式通過梯度荷載設(shè)置作用于框架橋側(cè)墻上。原有框架橋有限元模型如圖8所示。土體參數(shù)見表2。

（a）? 立面圖

（b）? 平面圖

圖7? 原有框架橋尺寸示意圖

表1? 有限元模型材料參數(shù)

圖8? 框架橋有限元示意圖

表2? 土體參數(shù)

4? 結(jié)果分析

4.1? 方案一模擬結(jié)果分析

4.1.1? 原有框架橋

針對(duì)方案一，首先研究不同土壓力作用下原有框架橋力學(xué)特性，見表3。土壓力大小如圖9所示。

表3? 工況設(shè)置

圖9? 不同工況下原有框架橋側(cè)土壓力（方案一）

在側(cè)土壓力作用下，框架橋外側(cè)墻向內(nèi)側(cè)凹陷，最大位移位于框架橋外側(cè)墻中部區(qū)域，將位移極值絕對(duì)值匯總于圖10所示。分析圖中數(shù)據(jù)可知，隨著側(cè)土壓力的增大，合位移極值絕對(duì)值也隨之增大，工況四極值為工況一極值的64.9倍。

圖10? 工況一至工況四下原有框架橋未加固合位移極值絕對(duì)值對(duì)比

在側(cè)土壓力作用下，工況一最大第一主應(yīng)力位于框架橋外側(cè)墻上部區(qū)域，工況二至工況四最大位移位于框架橋外側(cè)墻下部區(qū)域，將其極值匯總于圖11所示。分析圖中數(shù)據(jù)可知，隨著側(cè)土壓力的增大，第一主應(yīng)力極值也隨之增大，C40混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.40 MPa，工況三和工況四混凝土第一主應(yīng)力已超限。

4.1.2? 原有框架橋加固

通過有限元分析，可知在工況三和工況四應(yīng)力超限，本文以極端情況工況四進(jìn)行加固分析。采用加大截面法進(jìn)行加固，通過有限元模擬試算，框架橋截面尺寸達(dá)到如下時(shí)，外側(cè)壁加厚到2 m，中壁加厚到1 m，頂板加厚到1.5 m，底板加厚到2 m，如圖12所示，在極限被動(dòng)土壓力作用下框架橋混凝土抗拉強(qiáng)度才能夠滿足要求，如圖13所示。由于極限被動(dòng)土壓力遠(yuǎn)大于主動(dòng)土壓力，要使得框架橋滿足要求，截面加厚尺寸較大，不經(jīng)濟(jì)。

圖11? 工況一至工況四下原有框架橋未加固第一主應(yīng)力極值對(duì)比

圖12? 被動(dòng)土壓力作用下框架橋加固尺寸

圖13? 被動(dòng)土壓力作用下框架橋加固有限元模擬

4.1.3? 原有框架橋加固后續(xù)建新橋

假定原有框架橋沉陷7 m，組合框架橋尺寸如圖14所示。土壓力示意圖如圖15所示，土壓力計(jì)算采用第2節(jié)公式計(jì)算。建立其有限元模型并計(jì)算，得出其第一主應(yīng)力云圖，如圖16所示。分析圖中數(shù)據(jù)可知，下側(cè)框架橋外側(cè)墻下部區(qū)域外側(cè)受拉，拉應(yīng)力最大，達(dá)到2.34 MPa，第一主應(yīng)力極值有所提高，但并未超限。

4.2? 方案二模擬結(jié)果分析

原有框架橋不進(jìn)行加固，檢測其兩側(cè)土壓力，始終低于安全值，待沉降穩(wěn)定后，將兩側(cè)填土挖開重新統(tǒng)一填土，則只需驗(yàn)算組合框架橋應(yīng)力是否超限。

圖14? 組合框架橋尺寸圖（方案一）

圖15? 組合框架橋土壓力示意圖（方案一）

圖16? 填土后組合框架橋第一主應(yīng)力云圖（方案一）

組合框架橋尺寸如圖17所示，土壓力示意圖如圖18所示。經(jīng)過計(jì)算，其第一主應(yīng)力云圖如圖19所示。分析圖中數(shù)據(jù)可知，其最大第一主應(yīng)力為0.956 MPa，位于下側(cè)框架橋外側(cè)墻下部區(qū)域，并未超限。綜上可知，采用方案二更經(jīng)濟(jì)。

圖17? 組合框架橋尺寸圖（方案二）

圖18? 組合框架橋土壓力示意圖（方案二）

圖19? 組合框架橋第一主應(yīng)力云圖（方案二）

5? 結(jié)論

針對(duì)采空區(qū)下沉盆地中的框架橋容易被積水淹沒的情況，本文提出“橋上建橋”的解決方案。本文將采空區(qū)下沉盆地壓縮區(qū)塌陷框架橋作為基礎(chǔ)，在其之上新建框架橋的思路出發(fā)，進(jìn)行研究，提出2種治理方案。方案一為在塌陷前，對(duì)框架橋進(jìn)行加固，待塌陷穩(wěn)定后，在加固后的框架橋上續(xù)建新框架橋，形成組合框架橋；方案二為在塌陷過程中，檢測框架橋側(cè)墻側(cè)土壓力，當(dāng)側(cè)土壓力增大到一定程度，則將原有框架橋兩側(cè)土體松動(dòng)，以減小其土壓力到安全程度，待沉降穩(wěn)定后，在原有框架橋上續(xù)建新框架橋，形成組合框架橋，并進(jìn)行了研究分析，得到如下結(jié)論。

方案一采空區(qū)下沉盆地壓縮區(qū)原有框架橋隨著側(cè)土壓力的增大，其合位移隨之增大，極限被動(dòng)土壓力作用下其極限合位移絕對(duì)值為主動(dòng)土壓力作用下極限合位移絕對(duì)值的64.9倍。

方案一采空區(qū)下沉盆地壓縮區(qū)原有框架橋隨著側(cè)土壓力的增大，其第一主應(yīng)力也隨之增大，側(cè)土壓力增大到一定值時(shí)，框架橋第一主應(yīng)力將會(huì)超限，工況三和工況四混凝土第一主應(yīng)力已超限。

方案一極限被動(dòng)土壓力作用下，原有框架橋可采用加大截面法進(jìn)行加固，但加大截面尺寸較大，不經(jīng)濟(jì)。方案二通過松動(dòng)框架橋兩側(cè)土體，減小框架橋側(cè)土壓力，然后在其上續(xù)建新框架橋，形成組合框架橋，可以節(jié)省混凝土，更為經(jīng)濟(jì)。本文提出的技術(shù)方案為后續(xù)該類工程提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 田奎生，王艷霞.河南省煤礦采空區(qū)塌陷災(zāi)害治理方法研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2010.

[2] 毋存糧，葉雨山，楊利民，等.下伏采空區(qū)道路修筑技術(shù)研究與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2018.

[3] 于廣云，夏軍武，王東權(quán).采動(dòng)區(qū)鐵路橋沉陷加固治理[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33（1）：59-61.

[4] 夏軍武，于廣云，吳侃，等.采動(dòng)區(qū)橋體可靠性分析及抗變形技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005，30（1）：17-21.

[5] YU G， LIU C， ZHANG Y. Investigation on application of Gabion structure to railway bridge embankment in mining subsidence area[J]. Xinan Jiaotong Daxue Xuebao/Journal of Southwest Jiaotong University， 2010，45（6）：863-867.

[6] 陳倩倩，吳振，王東權(quán)，等.采動(dòng)區(qū)框架橋抗變形優(yōu)化研究[J].鐵道建筑，2012（2）：25-27.

[7] 苑國強(qiáng).組合框架橋沉陷及安全狀態(tài)監(jiān)測與評(píng)估研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[8] 徐德志.采煤沉陷區(qū)既有框架橋可升式鋼結(jié)構(gòu)加層技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2015.

[9] 孫銀榮.采動(dòng)區(qū)可續(xù)建箱型結(jié)構(gòu)承載特性研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2015.

[10] 竇國濤.采動(dòng)區(qū)擾動(dòng)側(cè)土壓力及框架橋與土體相互作用機(jī)理研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2017.

[11] 李慧敏.采煤沉陷區(qū)框架橋旁側(cè)堆載地基加固機(jī)理研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[12] 楊洋.采動(dòng)區(qū)箱涵合理結(jié)構(gòu)型式研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

[13] 張海清.下伏采空區(qū)橋隧工程力學(xué)響應(yīng)特征及變形趨勢預(yù)測分析[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2010.

[14] 溫慶杰，朱玉曉，王東權(quán).箱梁橋橫向拓寬后的基礎(chǔ)沉降附加內(nèi)力分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40（3）：351-356.

[15] 趙冠剛.某采空區(qū)內(nèi)公路橋優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013（6）：73-76.

[16] 竇國濤，夏軍武，于文杰.采動(dòng)下沉盆地壓縮區(qū)斜交框架橋受力性能[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（12）：5084-5091.

[17] 謝曉鵬，竇國濤，曹正浩，等.采動(dòng)區(qū)墻體轉(zhuǎn)動(dòng)模式下非極限被動(dòng)土壓力試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（25）：216-223.