浅埋采空区对路基稳定性影响的数值模拟

孙 琦，张向东，杜东宁，卫 星，母倩雯

(1.辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000;2.辽宁省化工地质勘查院，辽宁锦州 121000)

0 引言

采空区稳定性及其对建(构)筑物的使用安全的影响一直是研究热点问题之一［1-7］。随着我国公路网建设的不断发展，越来越多的新建公路穿越采空区，因此研究采空区对路基稳定性的影响具有重要的现实意义。

在采空区对路基稳定性的影响方面，学者们从探测、加固等多个角度进行了深入研究。陈昌彦［8］等采用地质调查、物探和钻探相结合的方法研究了采空区对公路的影响;童立元，等［9-10］采用数值模拟手段详细分析了采动对公路的影响特征、采空区活化的机理和公路与采空区相互作用的规律;陈晓斌，等［11］基于随机介质理论编制了采空区对路基变形影响的计算程序;王玉标［12］研究了采空区活化对断层地区公路路堤稳定性的影响;王生俊，等［13］采用FLAC3D进行了公路下伏采空区残余沉陷变形的数值模拟;范洪冬，等［14］利用D-InSAR技术对采空区上方的高速公路进行变形监测，建立了采空区上方沉陷预测模型;芮勇勤，等［15］采用InSAR与GPS融合技术进行公路下伏采空区变形监测，对工程实践具有重要的指导意义。这些研究从采空区探测、路基变形监测、理论分析、模型试验和数值模拟等多角度对采空区路基的稳定性进行了研究，但这些研究对应的采空区采深均在200 m以上，而很多矿区存在大量小煤窑无序开采，采深小于100 m，对这些浅埋煤层采空区对公路路基的影响研究很少，而浅埋煤层采空区有其自身的特点，浅埋煤层采空区距离地表更近，因而其影响更加直接，有必要对其特点进行进一步地研究。

本文采用FLAC3D建立三维模型进行了数值模拟，分析浅埋采空区影响下公路路基的沉降规律，探讨浅埋采空区对公路路基稳定性的影响，并在此基础上进一步分析交通荷载、地下水与采空区耦合作用对路基稳定性的影响。

1 工程概况

某新建公路位于呼伦贝尔矿区，开采时间为2001-2006年。21世纪初，由于煤炭价格上涨较快，附近存在大量的小煤窑无序开采，采空区分布面积相对较小但数量较多，新建公路无法绕避，开采煤层为近水平煤层，煤层平均埋深为60 m，煤层顶板以粉砂岩、中砂岩为主，上覆岩层主要为砂岩和页岩，岩层为中硬岩层，采厚为2.5 m，钻孔探测的结果显示，煤层顶板冒落后岩块松散地堆积在采空区内，采空区为松散充填状态。通过现场取样和室内试验，岩石的物理力学参数如表1。

表1 物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters

2 残余变形的数值模拟

2.1 几何模型的建立

几何模型尺寸为200 m×100 m×100 m，煤层走向方向与道路纵断面方向一致，煤层倾向方向与道路横断面方向一致，地表为自由边界，没有约束，模型底部为固定约束，模型周围为法向约束，其几何模型如图1。采用Drucker-Prager本构模型，初始应力场仅考虑岩层的自重应力，对交通荷载、地下水渗流作用等忽略不计。各岩层的物理力学参数与表1的物理力学参数保持一致，由于煤炭开采后煤层顶板冒落松散地充填在采空区内，因此在煤层单元开采完成后，将冒落带视为充填入松散的介质，根据相关研究经验，将冒落带视为弹塑性材料，其物理力学性质如表2。

图1 几何模型Fig．1 Geometric model

表2 冒落带的物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of caving zone

式中:I1为应力张量的第一不变量，J2为应力偏量的第二不变量。

岩层的屈服准则为D-P屈服准则，其表达式为:

2.2 数值模拟的结果分析

根据数值模拟计算的结果，绘制地表的主断面的下沉和水平移动曲线，如图2～图5:

图2 走向主断面上的下沉曲线Fig．2 Settlements curve along strike direction on the main section

图3 走向主断面上的水平移动曲线Fig．3 Horizontal movements curve along strike direction on the main section

图4 倾向主断面上的下沉曲线Fig．4 Settlements curve along inclination direction on the main section

从走向和倾向主断面的下沉曲线可以看出，该采空区的移动和变形仍未停止，其残余变形对于公路路基的稳定性仍然有较大的影响，其最大下沉值超过了0.3 m，且沉降是不均匀的，在很多地方存在小的塌陷坑，影响道路的稳定性和正常使用。

图5 倾向主断面上的水平移动曲线Fig．5 Horizontal movements curve along inclination direction on the main section

从走向和倾向主断面上的水平移动可以看出，水平移动也是不均匀的，由于地表土的抗拉强度较低，在不均匀的水平移动极易导致裂缝的出现，走向方向的不均匀水平移动会导致道路出现横向裂缝，倾向方向的不均匀移动会导致道路出现纵向裂缝，同时出现道路中心线偏移的现象，对道路的使用会造成较大影响。

从图2～图5可以看出，其下沉和水平移动曲线上存在不规律点，这是由于采空区埋深较浅且形状不规则，一些部分塑性区接近地表，导致地表出现了不均匀的变形，甚至是塌陷坑，这也是浅埋煤层采空区与深埋煤层采空区影响的一个重要区别，当采深较大时，地表的变形一般都是均匀渐变的，而浅埋煤层采空区所带来的下沉是不均匀的，因此其破坏性更强，对路基稳定性的影响更大，宜采取必要的措施进行注浆补强，控制地表的沉降和水平移动。

3 浅埋煤层采空区路基沉降的影响因素分析

3.1 交通荷载的影响分析

图2～图5的数值模拟结果是在未考虑交通荷载影响下所做的数值模拟，传统的研究认为，当采动深厚比大于30的时候，地面的交通荷载对采空区的影响微乎其微，基本上不会导致采空区的二次活化，也不会导致路基沉降的明显增加，但对于浅埋煤层采空区来说，由于其采深较浅，深厚比小于30，因此有必要对交通荷载对路基的影响进行研究。

在前面数值模型上施加交通荷载，将交通荷载简化为半正弦荷载进行施加，将考虑交通荷载和不考虑交通荷载的走向主断面上的下沉曲线对比(图6)。

从图6可以看出，考虑交通荷载作用下，地表的沉降值进一步增大，这说明交通荷载对浅埋煤层采空区路基的影响较大，这也是浅埋煤层采空区的特点之一。

图6 考虑交通荷载作用下的走向主断面下沉曲线对比Fig．6 Comparison of settlements curve along strike direction on the main section considering of the traffic load

3.2 地下水作用的影响分析

在原有模型的基础上建立流固耦合模型，将岩体等效为饱和的多空隙材料，模型底部和周围边界为不透水边界，模型顶部为定水头边界，进行数值模拟，将考虑地下水和不考虑地下水的走向主断面上的下沉曲线对比(图7)。

图7 考虑地下水作用下的走向主断面下沉曲线对比Fig．7 Comparison of settlements curve along strike direction on the main section considering of the underwater

从图7可以看出，在地下水的作用下，地表产生的下沉值会进一步增加，这反映出地下水的作用对采空区路基的稳定性有较大的影响，应引起重视，必要时可采取注浆堵水等措施对其进行加固。

3.3 采深的影响分析

分别取采深为40 m、60 m、80 m三种情况进行数值模拟，可得到走向主断面上的下沉曲线对比形式如图8所示。

从图8可以看出，采深越浅，沉降量越大，且地表的下沉曲线越不均匀，规律性越差，这反映出采深越浅，对公路路基的稳定性影响越大。

4 结论

通过数值模拟研究，可以得出如下结论:

图8 不同采深的走向主断面下沉曲线对比Fig．8 Comparison of settlements curve along strike direction on the main section of different mining depth

(1)该浅埋煤层采空区的移动和变形仍未结束，且地表下沉曲线存在不均匀的沉降，这说明地表会出现一些小的塌陷坑，地表的水平移动曲线存在不均匀的水平移动，会导致公路的横向和纵向裂缝以及道路中心线的偏移，该采空区对公路路基的稳定性仍会造成一定程度的影响，宜采取注浆措施进行加固;

(2)交通荷载会加剧地表的下沉，影响公路路基的稳定性，在浅埋煤层采空区范围内，交通荷载的影响较大，这是浅埋煤层采空区与深埋煤层采空区的一个重要区别，应引起重视;

(3)地下水作用会导致地表下沉的增加，必要时应采取注浆措施进行堵水和采空区加固;

(4)采空区采深对公路路基的稳定性有着重要的影响，采深越小，下沉值越大，不均匀沉降越明显，对公路的影响越明显。

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