高速公路采空區路基沉降數值分析①

□□ 何 建,柳 佳,陳夢成,童立紅,胡子奇,彭理群 (.萍鄉市交通運輸局,江西 萍鄉 337000;.華東交通大學 土木建筑學院,江西 南昌 33003)

引言

近年來,隨著經濟的不斷發展,對各種資源的需求不斷增加,由此很多資源城市應運而生,如萍鄉安源煤礦經過長期大量的開采,在煤礦區域形成了大量的采空區。采空區是由于巖體中局部礦體被采出后,在巖體內部產生了空洞,空洞附近巖體原有的應力平衡受到破壞,引起巖體周圍應力的重新分布,使采空區上覆地層發生了移動和變形。在采空區上方修建公路,路面荷載對路面施加的應力和振動波將會影響道路下方的采空區,采空區的應力平衡狀態將會受到破壞,進而很可能影響公路上車輛行駛安全[1-6]。

從20世紀80年代開始,國內外學者針對采空區對公路的影響進行了大量的研究。岳愛軍等[7]采用有限元數值分析方法建立了采空區臨界區域的確定方法,揭示了多種路面結構路表彎沉與層底拉應力的變化規律。黃春麗等[8]運用ANSYS軟件建立二維分析模型研究地下開采寬度與厚度對路基路面變形及應力分布情況,結果顯示路基路面的各種位移和變形值隨著開采寬度和厚度的增大而增大,并且開采寬度對路基變形的增幅較大。袁曼飛等[9]應用FLAC3D數值模擬研究車輛荷載對路基影響以及采空區活化變形對路基的影響,主要從路基沉降量進行分析,結果顯示車輛荷載對路面的影響較大,車輛擾動引起的采空區活化變形是修建高速公路必須考慮的重要因素之一。童立元等[10]通過有限元數值分析,從采空區的二次活化機制、不同工況下采空區的變形沉降規律和公路的采動響應等方面進行公路與采空區相互作用規律的探討,結果表明公路與采空區的變形規律受到多因素的影響,如開采的深度與厚度、各煤層不同空間關系等。

為研究煤礦采空區對高速公路工后沉降的影響,擬通過數值模擬對采空區上方路基進行分析,探究不同因素對其沉降的影響,以期為相關工程提供參考。

1 模型建立

依據萍鄉市中環東路的某標段高速公路為模擬對象,選擇了一個具有代表性的區段,路基填筑應用土工格室進行加固處理,路基中增強土工格室的設置層數根據填土高度合理確定,一般多層時,依據填土高度在2～10 m范圍內適當調整。模擬采用ABAQUS數值模擬軟件構建采空區路基模型,通過改變路面荷載的大小、采空區相對路基的不同位置和填土區域材料情況,以此記錄路基沉降量進行數值模擬分析。根據簡化規則建立幾何模型,模型尺寸如圖1所示。其中采空區設置位于煤層,采空區的結構形狀用5 m×10 m的矩形進行模擬。

圖1 采空區路基斷面圖

巖土體采用Mohr-Coulomb塑性本構來進行數值模擬分析,對于采空區建模的力學參數見表1。建立ABAQUS模型后,對模型各個部件賦予材料參數,并進行網格劃分與裝配。填土中土工格室與回填土之間的作用采用嵌入方式處理。在分析步模塊中,涉及生死單元,對于第一個分析步必須采用初始地應力平衡預定義法達到平衡地應力的目的,也就是在路基未回填之前,這一步將影響整個模型的分析精度,之后運用多個分析步模擬土體的分層填筑。然后在路基上方施加均布荷載進行模型運算。

表1 材料物理力學參數

2 不同荷載對采空區路基沉降的影響分析

交通荷載有三種表征方式,分別是集中荷載、面狀荷載和均布荷載[11-12],數值模擬將路面上的動、靜荷載簡化為均布荷載進行模擬。在采空區上方修筑公路,公路周圍會存在大量的靜荷載與動荷載,不同的荷載將會不同程度地增加采空區上部的附加應力,進而導致路基的沉降。為研究采空區在不同荷載下的路基沉降變化影響,分別加載荷載50～110 kPa進行模擬分析。通過施加不同大小的均布荷載,針對路基表面沉降與采空區中心位置路基最大沉降進行數據分析,分析結果如圖2所示。

圖2 不同荷載對路基沉降的影響分析

由圖2可知,隨著荷載的不斷增大,路基沉降量在不斷增大,且增大的斜率也在不斷上升。從整體上來看,荷載的增加對路基沉降的影響較為明顯,因此,在采空區域修筑高速公路,其上部載荷是一個值得關注的問題,在公路運營期間,應該對過路車輛進行限重管理。

3 采空區位置變化對路基沉降的影響分析

采空區路基土的沉降不僅僅受到路面動和靜荷載的作用,還會受到采空區對路基土的擾動作用,路基土在這些影響因素的共同作用下產生沉降變化。通過研究采空區位置的變化對路基沉降的影響,可以在一定程度上確定采空區影響區域的大致范圍。

3.1 數值模擬的基本數據

采空區的基本尺寸不變,并且保證在水平方向上采空區與路基的相對位置等不變,只改變采空區的橫向位置(采空區與路基的水平距離),共設置三個工況,分別為距離路基中心點-7 m(向左為負方向)、0和7 m。

3.2 采空區不同位置的影響分析

分別從采空區域沿橫向位置距離路基中心點-7 m、0和7 m進行模擬,針對路基表面沉降與采空區中心位置路基最大沉降進行數據分析,分析結果如圖3所示。

圖3 采空區不同位置的影響分析

由圖3可知,在相同荷載作用下,當采空區相對于路基中心位置為0時,路基表面的最大沉降與采空區中心位置的最大沉降均位于各部分的中心位置;當采空區相對于路基中心位置發生偏移時,各部位的最大沉降點依舊位于路基表面和采空區的中心位置,但對于整體模型發生偏移,且最大沉降量相比于采空區相對于路基中心位置為0時的沉降量要大。

由于路基并不是軸對稱形狀,所以沉降曲線左右方向的沉降沒有對稱趨勢,這一現象在采空區位于路基中心位置時,并不明顯,但當采空區位置發生偏移時,就可明顯看出兩側的沉降差異。

4 填土區域材料對路基沉降的影響分析

采空區路面的沉降與填土區域的材料參數有很大的關系,如填土區域是否進行加筋加固處理、回填土的強度和土工格室的強度等。

4.1 填土區域加筋對路基沉降的影響

在100 kPa的荷載作用下,對比回填土區域是否加筋對路基和采空區沉降的影響,沉降曲線如圖4所示。

圖4 填土區域加筋對路基沉降的影響

由圖4可知,在回填土中進行加筋處理,可有效改善土體沉降。因格室與回填土共同組成了一種半剛性結構層,格室在一定程度上可提高回填土的強度和剛度,從而可降低地基沉降量。

4.2 土工格室彈性模量對沉降的影響

在50 kPa和60 kPa的荷載作用下,模型的其他參數不變,改變土工格室的彈性模量分別為3 GPa、4 GPa和5 GPa,模擬結果如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可知,格室的模量不同時,增大土工格室的模量可以達到減少沉降的目的。在施加小荷載時,改善沉降的效果較小;當增大荷載時,才可看到一定的改善效果。

4.3 回填土填料參數對沉降的影響

模型的所有參數均不變,改變回填土的彈性模量分別為60 MPa、80 MPa和100 MPa,模擬結果如圖7所示。

圖7 不同填料參數的沉降模擬情況

由圖7可知,增大回填土的彈性模量可有效降低路基沉降量,且彈性模量較高時,減小沉降的效果在增強。因此,回填土的彈性模量是決定路基沉降的因素之一,合理選擇回填材料與合理施工,對高速公路有很大影響。

5 結論

以萍鄉市中環東路某采空區路段為研究背景,對不同荷載作用下高速公路采空區路基沉降進行ABAQUS數值模擬分析,探究不同載荷、采空區相對路基不同位置與填土區域材料等因素下對路基沉降的影響分析,得到結論如下:

5.1 隨著荷載的不斷增大,路基沉降量在不斷增大,且增大的斜率也在不斷上升。

5.2 改變采空區與路基之間的相對位置關系,路基表面的最大沉降與采空區中心位置的最大沉降會隨之改變。對于路基兩側坡度的不同,路基沉降曲線隨采空區位置的改變而不同。

5.3 在回填土加入土工格室后,可有效減小路基沉降,且增大土工格室的模量可以適當增加加筋效果?；靥钔恋牟牧蠀祵Τ两档挠绊戄^為明顯,增大回填土的彈性模量,可有效降低路基沉降量,且彈性模量較高時,減小沉降的效果在增強。