采空区公路下伏废弃立井混凝土球面盖帽力学性能研究

窦国涛窦国举万战胜黄勇博

（1.郑州航空工业管理学院土木建筑学院，河南 郑州 450046；2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116；3.中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450004；4.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450001）

0 引言

1950年以来，矿产资源的大规模开采推动了河南省经济的快速发展，由于矿产开采后留下大量的废弃井口未得到有效密实充填，一般仅做简单的棚盖处理［1-4］。目前，河南省为加快构建综合立体交通网络，更好发挥高速公路的基础支撑和先导引领作用，全面适应河南省经济社会高质量发展新要求，将进一步完善高速公路网布局，由于路网规划的需求，很多路线走廊不得不压伏废弃采矿立井，这严重阻碍了公路的修建，制约了区域的经济发展［5-6］。

1 工程背景

G310国道郑州市西南段进行升级改造时，发现此区域历史上存在大量的小煤矿，开采后留下的废弃井口，未得到有效处理，此问题严重影响公路的正常施工，并给公路的安全运行埋下安全隐患。

实际工程中煤矿废弃立井的处治措施通常采用填充法、混凝土盖板封盖法等处治措施。当采用充填法时，存在后期填料固结压密沉降问题。采用混凝土盖板封盖方法的缺点是混凝土盖板承受较大土压力，且盖板下侧长期受拉，容易产生微裂缝，进一步导致钢筋锈蚀，耐久性差。因此，本研究对有技术条件进行封盖处理的立井，提出在废弃立井上加盖“球面混凝土盖帽”，然后在盖帽上进行路基填筑的技术方案。

2 有限元模拟

2.1 模拟工况设置

废弃立井内径为3.4 m，壁厚为0.6 m，本研究将从以下3个方面进行模拟分析：①分析采用不同厚度混凝土平面盖板，见图1（a），设置为工况一～工况四，盖板力学性能具体见表1；②分析采用不同矢跨比（矢高比上跨度）混凝土球面盖帽，见图1（b），设置为工况五～工况十一，盖帽力学性能具体见表2；③对比混凝土平面盖板与球面盖帽的力学性能；④分析混凝土平面盖板与球面盖帽、不同填土厚度对其力学性能的影响。

图1 废弃立井处置措施

表1 工况设置（平面盖板）

表2 工况设置（球面盖帽）

2.2 有限元模型建立

混凝土采用C30混凝土，受力时有限元建模时，忽略钢筋的影响，其参数取值如表3所示，单元采用实体单元solid 65。土体为黏土，其参数如表4所示，单元采用实体单元solid 45。

表3 混凝土物理参数

表4 黏土物理参数

在力的方面，本研究主要考虑了混凝土盖板及盖帽上方土压力作用下，通过建立10 m厚的黏土有限元模型，土体自重通过接触面传递给混凝土盖板及盖帽，另外也考虑了混凝土盖板及盖帽的自重作用。

3 结果对比

3.1 混凝土平面盖板结果分析

表5是不同工况下混凝土平面盖板的竖向极限位移和第一主应力极值，分析竖向极限位移数据可知，随着盖板厚度的增大，竖向极限位移随之减小。当盖板厚度为0.4 m（工况一）时，竖向极限位移为0.106 mm，当盖板厚度为1 m（工况四）时，竖向极限位移为0.033 mm，两者比值为0.31。且根据不同工况下的混凝土平面盖板的竖向位移云图可知，盖板竖向最大位移均位于盖板中心处。

表5 不同工况下平面盖板位移和应力

分析第一主应力极值数据可知，随着盖板厚度的增大，第一主应力极值随之减小。当盖板厚度为0.4 m（工况一）时，第一主应力极值为0.439 MPa，当盖板厚度为1 m（工况四）时，竖向极限位移为0.151 MPa，两者比值为0.34。且根据不同工况下的混凝土平面盖板的第一主应力云图可知，盖板的最大主应力均位于盖板底部中心处，由于盖板受力体系，盖板底部中心始终会存在拉应力。

3.2 混凝土球面盖帽结果分析

表6为不同工况下混凝土球面盖帽的竖向位移和第一主应力极值，分析竖向极限位移数据可知，随着矢跨比的增大，竖向极限位移也随之增大。当矢跨比为2∶16时，竖向极限位移为0.028 3 mm，当矢跨比为8∶16时，竖向极限位移为0.074 5 mm，两者比值为2.63。由于混凝土盖帽厚度较厚，所以其竖向位移极小，且数值接近，但总体趋势随着矢跨比增大而增大，是由于矢跨比越大，盖帽底部水平反力越小，导致盖帽竖向局部位移有一定的差异。

表6 不同工况下球面盖帽位移和应力

分析混凝土球面盖帽的第一主应力极值可知，第一主应力为正值时，为拉应力；为负值时，为压应力。分析图中数据可知，当矢跨比为2∶16、3∶16、4∶16、6∶16时，混凝土球面盖帽局部存在拉应力。当矢跨比为3∶16时，第一主应力极值最大，为0.166 MPa；当矢跨比为5∶16、7∶16、8∶16时，混凝土球面盖帽整体受压，均不存在拉应力；当矢跨比为7∶16时，第一主应力极值为压应力，为0.02 MPa；当矢跨比为8∶16时，第一主应力极值为压应力，为0.003 MPa。由于混凝土球面盖帽属于空间结构体系，应力情况复杂，最优矢跨比并非越大越好，也并非越小越好，分析图中数据可知矢跨比7∶16时最优，是由于空间受力局部变形所决定。

根据不同工况下混凝土球面盖帽的竖向位移云图可知，最大位移均出现在盖帽顶部区域，盖帽底部位移最小。根据不同工况下的混凝土球面盖板的第一主应力云图可知，工况五、工况六、工况七、工况九盖帽存在拉应力，工况一拉应力位于盖帽顶部混凝土下侧，工况五、工况六和工况九拉应力位于盖帽底部区域。工况八、工况十、工况十一盖帽整体均未出现拉应力。

综上分析可知，土压力作用于混凝土球面盖帽时，矢跨比会影响其力学响应，当盖帽厚度为0.4 m时，矢跨比为7∶16时，受力最为有利。

3.3 混凝土球面盖帽与平面盖板结果对比

图2为混凝土球面盖帽与平面盖板竖向位移极值对比，分析图2中数据可知，平面盖板竖向位移极值要明显大于球面盖帽，工况一与工况五比值为3.75，工况一与工况十一比值为1.42。

图2球面盖帽与平面盖板竖向位移极值对比

图3 为混凝土球面盖帽与平面盖板第一主应力极值对比，分析图3中数据可知，平面盖板第一主应力极值为拉应力，明显大于球面盖帽，球面盖帽合理调整矢跨比，盖帽将不存在拉应力，对其耐久性能有利。

图3球面盖帽与平面盖板第一主应力极值对比

3.4 填土厚度影响结果分析

图4 为不同填土厚度下混凝土球面盖帽与平面盖板第一主应力极值对比，分析图4中数据可知，随着土体厚度的增大，混凝土平面盖板的拉应力随之增大；矢跨比为2∶16、3∶16、4∶16、6∶16时，混凝土球面盖帽最大主应力为拉应力，且随着土体厚度的增大而增大；矢跨比为5∶16、7∶16和8∶16时，混凝土球面盖帽最大主应力为压应力，且随着土体厚度的增大，其绝对值也随之增大。

图4 不同填土厚度下球面盖帽与平面盖板第一主应力极值对比

4 结论

本研究主要针对公路通过废弃立井，提出废弃立井上加盖混凝土球形盖帽的处置措施，研究了其相关的力学性能，并与混凝土平面盖板进行比较，得出以下结论。

①针对混凝土平面盖板，随着盖板厚度的增大，竖向极限位移随之减小，第一主应力极值随之减小，竖向最大位移均位于盖板中心处，最大主应力均位于盖板底部中心处，由于盖板受力体系，盖板底部中心始终会存在拉应力。

②针对混凝土球面盖帽，随着矢跨比的增大，竖向极限位移也随之增大，当矢跨比为2∶16、3∶16、4∶16、6∶16时，混凝土球面盖帽局部存在拉应力，当矢跨比为5∶16、7∶16、8∶16时，混凝土球面盖帽整体受压，均不存在拉应力。

③针对相同厚度的混凝土平面盖板和混凝土球面盖帽，平面盖板竖向位移极值要显著大于球面盖帽，平面盖板第一主应力极值为拉应力，且大于球面盖帽。

④随着土体厚度的增大，混凝土平面盖板的拉应力随之增大；混凝土球面盖帽最大主应力绝对值随着土体厚度的增大而增大。