砂黃土區路基下采空區地表移動變形規律研究

雷明軒，劉國田，蘇衛衛，2，張留俊，2，尹利華，2

（1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.陜西省公路交通防災減災重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

在山西省、陜西省北部、內蒙古自治區等砂黃土地區分布著大量的煤礦采空區，隨著經濟發展、交通運輸的需要和農用、民居、建設用地的限制，公路建設不得不從采空區通過［1］，采空區引起的地面塌陷問題極大地限制了公路建設的發展，因此對公路走廊內采空區的研究越來越受到國內外專家學者的關注。

近年來，隨著數值分析模擬軟件的發展，一大批學者基于Ansys、FLAC 等數值模擬軟件進行了采空區的研究，并取得了大量的成果。王生俊等［2］根據采空區塌陷冒落帶的力學特征，采用FLAC3D軟件對鄭少高速公路下伏采空區剩余沉降量進行計算和評價；張志沛等［3］采用有限元數值模擬方法對鄭少高速下伏煤層采空區隨采礦過程的變化規律進行了研究，分析評價了該高速公路修建后煤礦采空區的應力與變形特征，并對采空區的長期穩定性進行了評價預測；童立元等［4-5］應用Ansys 軟件，全面分析公路與采空區二者之間相互作用與影響的基本規律；孫琦等［6］采用FLAC3D對某新建公路穿越淺埋采空區的情況進行數值模擬，得出了淺埋采空區影響下公路路基的沉降規律，分析了交通荷載、地下水與采空區耦合作用對路基穩定性的影響。目前對于采空區的研究主要以地表沉降規律為主，對于地表移動變形規律較少涉及，而對于砂黃土地區采空區，拉張裂縫發育，加之砂黃土力學特性，除了沉降對路基影響較大之外，其余地表移動變形值對采空區上覆路基的穩定性影響顯著。因此有必要對砂黃土地區路基下伏采空區的地表移動變形規律進行專門研究。

本文以內蒙古地區榮（成）—烏（海）高速公路采空區為例，采用FLAC3D有限差分軟件對砂黃土地區路基下伏采空區進行模擬分析，研究總結采空區的地表移動變形規律，并進行地表移動變形區域的劃分，為采空區公路建設的規劃和采空區優化處置提供科學依據。

1 模型與參數

1.1 路基下伏采空區地質模型

根據采空區的物探勘探資料，與擬建公路相關段采空區所在煤礦集中采煤時間始于1958 年，終結于1979 年，現已經停產，歷史時期煤礦采用回采率較低的房柱式開采，采空巷道較稀，保留煤柱較密，保安煤柱距離約20 m 開采煤系地層屬古生代石炭二疊系月門溝煤系，開采層為B 層，B 層最大厚度可達13.27 m，局部最薄平均厚度為5.55 m，擬建公路通過層平均厚度10 m，其上覆地層主要為二疊系黃色中粗粒砂巖，交錯層理發育、平均層厚45 m，表層為第四系砂黃土、擬建公路處平均層厚20 m，具柱狀節理，交錯層不良。該處采空區與公路相交段平均長150 m、寬390 m，目前擬建公路通過處未見明顯地表塌陷，但是周邊區域有明顯的地表塌陷，塌陷面積600 m×400 m，最大塌陷深度達5 m。根據采空區特點，本次模擬分析時，采空區地層自上而下依次為砂黃土、覆巖、煤層、基巖，厚度分別為20 m、45 m、10 m、45 m，產狀水平，采空區面積為390 m×150 m，開采方式為房柱式，礦柱間距為20 m，房柱尺寸為10 m×10 m，房寬為10 m。

煤層開采后，圍巖應力進行重分布，采空區上覆巖層在自重作用下，產生向下的位移，當所受應力超過本身強度時，頂板巖層發生斷裂、破碎、塌落，并填充采空區，冒落帶上部的裂隙帶巖層在自重作用下，繼續產生裂隙、離層及斷裂，但未破壞，裂隙帶上部的彎曲帶巖層則產生微小變形，強度稍有降低。自采空區向地表依次劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲帶［7］。本模型冒落帶高度為25 m，冒落帶以上的覆巖為裂隙帶，表層松散黃土層為彎曲帶（圖1）。

圖1 采空區覆巖破壞分帶示意圖

為研究路基對下伏采空區穩定性的影響，在采空區地質模型的基礎上疊加了填方路基，路基寬度取30 m，坡率1∶2，每8 m 設置一級平臺，平臺寬3 m，模型（不含路基）長790 m，寬450 m，高120 m，長軸方向為路基縱斷面方向，短軸方向為路基橫斷面方向，筑路后的模型如圖2 所示，短軸方向剖面圖如圖3所示。

圖2 采空區三維地質模型

圖3 采空區的短軸方向剖面圖

1.2 材料本構模型及參數

本文選用Mohr-Coulomb 模型來模擬采空區巖土體的應力應變特性。根據現場物探和室內試驗的結果，并參考相關地質資料［2，8-10］，綜合考慮采空區三帶強度折減，各地層的物理力學參數如表1 所示。

表1 采空區三帶及礦柱的物理力學參數

2 砂黃土區路基下采空區變形特點

在開采影響波及地表以后，受采動影響的地表從原有的標高向下沉降，從而在采空區上方地表形成地表移動盆地。描述移動盆地移動和變形的參數主要包括［11-12］：

（1）地表下沉量：地表移動盆地內地表點移動矢量的垂直分量。

（2）地表水平位移量：地表移動盆地內地表點移動矢量的水平分量。

（3）地表傾斜變形量：由于地表相鄰兩點的不均勻下沉而產生的相對垂直位移。

（4）地表水平變形量：由于地表相鄰兩點的不均勻水平移動而產生的相對水平位移。

一般情況下，采空區的變形主要以沉陷為主，拉張裂縫危害不大，因此穩定性評價大多僅考慮地表的下沉量，地表的水平移動變形僅起到輔助參考的作用。對于砂黃土地區的采空區，由于砂黃土具有弱膠結性，黏聚力較小，松散層抗拉強度較?。?3-14］，極易拉裂形成拉張裂縫，加之黃土土質疏松，滲透性強，垂直節理發育，水穩性差，抗沖蝕能力弱，雨季降水沿著拉張裂縫不斷向下滲透、沖蝕，一方面使下層黃土含水量增大，強度降低，抗變形能力減弱［1，15-16］；另一方面，由于黃土本身垂直節理發育，在降水沖蝕和淘蝕作用下，拉張裂縫繼續發育［17］，在垂直節理面上因節理切割形成豎向軟弱面，多個軟弱面互相切割形成與周邊圍巖黏聚力很小的棱體，在重力作用下棱體易塌落，最終發生塌陷。因此，黃土地區采空區往往拉張裂縫發育，且沉陷與拉張裂縫伴生，拉張裂縫的發育發展對于采空區的穩定性十分重要。在對黃土地區采空區進行穩定性分析與評價時，除了對地表的沉陷進行重點研究之外，對于地表的水平移動變形情況同樣要著重研究。

3 砂黃土區路基下采空區地表移動變形規律分析

為了進一步研究砂黃土區路基下采空區地表移動盆地的移動變形規律，根據模擬計算結果，分別作地表移動盆地長、短軸方向主剖面的下沉曲線、水平位移曲線、水平變形曲線和傾斜變形曲線（圖4～11）。據此獲得地表移動盆地各點的移動變形值。

圖4 筑路后地表移動盆地長軸方向主剖面下沉曲線

圖5 筑路后地表移動盆地長軸方向主剖面X 方向位移曲線

圖7 筑路后地表移動盆地長軸方向主剖面地表傾斜變形曲線

圖8 筑路后地表移動盆地短軸方向主剖面下沉曲線

圖9 筑路后地表移動盆地短軸方向主剖面Y 方向位移曲線

圖10 筑路后地表移動盆地短軸方向主剖面Y 方向地表水平變形曲線

圖11 筑路后地表移動盆地短軸方向主剖面地表傾斜變形曲線

由圖4～11 可知：

（1）地表下沉量為0 的點即為地表移動盆地的邊緣，由此可以確定移動盆地的最外邊界線。

（2）地表水平位移從中心軸向外先增大后減小，水平位移最大值與中軸線之間區域以壓縮變形為主，不產生拉張裂縫，水平位移最大值外側區域則以拉伸變形為主，易產生拉張裂縫。因此水平位移最大位置即為壓縮變形和拉伸變形的分界。

（3）地表水平變形大于0 的區域為拉伸區，以拉張變形為主，水平變形值越大意味著相鄰位置水平位移越不均勻，越容易出現拉張裂縫，地表水平變形值最大位置為最易出現拉張裂縫位置。

（4）地表傾斜變形越大，意味著相鄰位置的垂向位移差越大，即越容易出現垂直位錯，地表傾斜變形最大位置為最易出現垂直位錯位置。

此外，對于最易出現拉裂縫位置和最易出現垂直位錯位置之間的區域，水平變形和傾斜變形均較大，拉裂縫與垂直位錯發育，黃土內部的小棱體發育，最易發生塌陷，因此可以認為該區域是采空區地表最危險區域。

基于對地表移動盆地變形規律的分析，進一步對地表移動變形區域進行劃分標識（圖12）。

由圖12 可知：圖示均勻沉降區以均勻下沉為主，下沉量最大；虛線為拉伸區和壓縮區分界線，拉伸區以水平拉張變形為主，易出現拉張裂縫，壓縮區以向移動盆地中心的壓縮為主，易出現下沉和垂直位錯；最易出現拉裂縫位置與最易出現垂直位錯位置之間區域是采空區最危險區域，即圖示陰影區域。該圖將采空區地表移動變形的規律清晰地展示出來，對于采空區上構筑物的布設、繞避和采空區處置具有重要的指導意義。

4 路基填筑對采空區地表位移變形的影響

對比圖4～12 可以發現，路基修筑后對采空區地表移動變形值的影響主要有以下幾個方面：

（1）路基修筑后，地表移動盆地范圍增大，且與路基高度正相關。

（2）路基修筑后，地表下沉量增大，且與路基高度正相關，與此同時均勻下沉區范圍縮小，與路基高度負相關。

（3）路基修筑后，路基橫斷面方向傾斜變形量增大，不均勻沉降增大，有利于垂直位錯發育；但隨路基高度增大，傾斜變形量減小，不均勻沉降減弱。

（4）路基修筑后，地表水平移動值和水平變形值減小，且與路基高度負相關，不利于拉張裂縫發育。

（5）路基修筑后，最易出現拉裂縫位置在公路縱斷面方向內縮，在公路橫斷面方向外擴，且與路基高度正相關；最易出現垂直位錯位置在公路縱斷面方向基本不變，在公路橫斷面方向先內縮，后隨著路基高度增大而外擴。

5 結論

本文在國內外相關研究的基礎上，結合內蒙古砂黃土地區路基下伏采空區進行研究，得到以下結論：

（1）應用FLAC3D軟件對砂黃土地區路基下伏采空區進行數值模擬，獲得了不同高度路基下采空區的地表移動變形值。

（2）通過對采空區的地表移動變形規律的分析，將采空區地表移動變形區域劃分為均勻下沉區、壓縮區和拉伸區，并提出砂黃土地區采空區地表最易出現拉裂縫位置與最易出現垂直位錯位置之間區域是采空區地表最危險區域，基于此，對不同填土高度路基下伏采空區地表移動變形區域進行了劃分。

（3）通過對不同高度路基下伏采空區的地表移動變形規律的分析，總結了路基修筑及路基高度對采空區地表移動變形值和地表移動變形區域的影響規律。