采空区对高速公路路基变形的影响

黄春丽

（河北承德承朝高速公路管理处，河北 承德067000）

0 引言

本文把采空区-路基路面视为相互作用的整体，建立模型，分析采空区和路基路面的协同作用关系以及采动对路基路面变形及应力的影响，揭示采空区路基路面变形破坏的机理，进而研究采空区路基路面在各种因素影响下的变形规律。

1 模型的建立

研究开采引起的地表沉陷，过去只是考虑了应力与应变之间的关系，没有考虑时间因素。而大量实测资料表明，岩层移动与时间有关，岩土工程中时间是一个很重要的因素，必须考虑。在巷道开挖和采煤过程中，上覆岩层随着时间的推移不断变形，经过一段时间后，在其自重、构造应力的作用下稳定性遭到破坏，形成不均匀沉降及变形。采用广义Kelvin 模型（如图1 所示）作为开挖岩体的本构模型来近似描述其蠕变特性。

图1 广义Kelvin模型

运用ANSYS 软件建立二维分析模型，研究地下开采以后地表及路基路面变形及应力分布情况。设计路基底面宽度为40m，填高为5m，坡度为1∶1.5，路面宽25m，仅考虑路基位于沉降曲线中间凹陷区（公路位于采空区中央正上方）的情况。边界条件的处理、岩层及路基路面材料的物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数

2 计算结果及分析

2.1 开采宽度影响分析

不同开采宽度引起的地表移动和变形量大小不同，对路基路面造成不同程度的损害。拟建模型水平向取400m，垂直向取136m，为水平煤层开采，开采厚度为6m，开采宽度分别取20m、30m、40m。分析不同开采宽度时，路基路面的移动和变形规律。

（1）位移分析

通过模拟不同开采宽度对高速公路的影响，得到路基路面位移曲线（见图2）。不同采宽时路基路面最大位移和变形值列于表2。

图2 不同采宽时路基位移变化曲线

表2 不同采宽时路基路面最大移动变形值

路基的最大沉降量和水平位移随着开采宽度的增大增幅较大。路基倾斜变形、曲率变形和水平变形最大值也随着开采宽度的增大而增大。所以当采空区横向达到一定规模时，移动波及到地表，随着宽度的增大，对地表的影响范围增大，地表变形幅度也增大，进而对上方公路路基路面的影响也增大。显然，开采宽度越大，引起的路基路面移动变形越大，路基越不稳定。

（2）位移时间历程分析

通过时间历程后处理可以得到路基路面各个节点处位移变化曲线（见图3），这样可以更好地认识路基路面随时间变化的趋势。

图3 不同采宽时路基点位移随时间变化曲线

从图3 中可以得到不同时刻路基路面的位移值。随着时间的推移，路基路面的沉降量和水平位移值都在增大，初期沉降速度较大，后期沉降速度较小，并逐渐趋于稳定。随着采宽的增大，路基路面的移动变形随时间而变化，采宽越大，路基路面的移动变形值越大，趋于稳定所需的时间越长。

2.2 开采厚度影响分析

开采厚度不同，对采空区地表和高速公路路基路面的影响也不同。拟建模型开采深度为90m，模拟开采厚度分别为2m、4m、6m 时采空区上覆路基的移动和变形分布情况，计算结果分析如下。

（1）位移分析

开采厚度对地表移动有很大的影响，一次开采厚度越大，冒落带高度越大，移动过程越剧烈，地表移动变形也越大。从图4可以看出，随着开采厚度的增大，路基路面各种移动和变形值也增大，采空区路基路面移动和变形值的大小与开采厚度正相关。

图4 不同采厚时路基位移变化曲线

表3 不同开采厚度下路基路面最大移动变形值

从表3 可以看出，采厚2m 时路基的最大沉量为58.5mm，采厚6m 时最大沉降量增大到66.1mm，路基最大水平位移由10.1mm 增大到11.2mm。采厚不同时，路基路面的最大沉降量和水平位移的增加幅度不同。路基路面的倾斜变形、曲率变形和水平变形最大值也随着开采厚度的增大而增大。

（2）位移时间历程分析

通过时间历程后处理，分析不同开采厚度时路基路面点位移随时间的变化规律，结果见图5。

图5 不同采厚时路基位移随时间变化曲线

从图5可以得到路基竖向和水平位移随时间的变化趋势，路基和路面位移随时间推移变化趋势相同，初期变形速度非常快，之后变形逐渐减缓，随着时间只有很小的增量，最终趋于稳定。开采厚度越大，路基路面达到稳定所需要的时间越长。

3 结论

（1）路基的最大沉降量和水平位移随着开采宽度的增大而增大，且增幅较大。开采宽度越大，引起的路基路面移动变形越大，路基越不稳定。

（2）随着开采宽度的增大，路基路面的位移变形随时间而变化，采宽越大，路基路面的移动变形值越大，趋于稳定所需的时间越长。

（3）随着开采厚度的增大，路基路面各种位移和变形值也增大，采空区路基路面位移和变形值的大小与开采厚度正相关。

（4）路基位移随时间变化的趋势相同，初期变形速度非常快，之后变形逐渐减缓，最终趋向稳定。

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