高速公路采空区路基沉降数值分析①

□□ 何 建,柳 佳,陈梦成,童立红,胡子奇,彭理群 (.萍乡市交通运输局,江西 萍乡 337000;.华东交通大学 土木建筑学院,江西 南昌 33003)

引言

近年来,随着经济的不断发展,对各种资源的需求不断增加,由此很多资源城市应运而生,如萍乡安源煤矿经过长期大量的开采,在煤矿区域形成了大量的采空区。采空区是由于岩体中局部矿体被采出后,在岩体内部产生了空洞,空洞附近岩体原有的应力平衡受到破坏,引起岩体周围应力的重新分布,使采空区上覆地层发生了移动和变形。在采空区上方修建公路,路面荷载对路面施加的应力和振动波将会影响道路下方的采空区,采空区的应力平衡状态将会受到破坏,进而很可能影响公路上车辆行驶安全[1-6]。

从20世纪80年代开始,国内外学者针对采空区对公路的影响进行了大量的研究。岳爱军等[7]采用有限元数值分析方法建立了采空区临界区域的确定方法,揭示了多种路面结构路表弯沉与层底拉应力的变化规律。黄春丽等[8]运用ANSYS软件建立二维分析模型研究地下开采宽度与厚度对路基路面变形及应力分布情况,结果显示路基路面的各种位移和变形值随着开采宽度和厚度的增大而增大,并且开采宽度对路基变形的增幅较大。袁曼飞等[9]应用FLAC3D数值模拟研究车辆荷载对路基影响以及采空区活化变形对路基的影响,主要从路基沉降量进行分析,结果显示车辆荷载对路面的影响较大,车辆扰动引起的采空区活化变形是修建高速公路必须考虑的重要因素之一。童立元等[10]通过有限元数值分析,从采空区的二次活化机制、不同工况下采空区的变形沉降规律和公路的采动响应等方面进行公路与采空区相互作用规律的探讨,结果表明公路与采空区的变形规律受到多因素的影响,如开采的深度与厚度、各煤层不同空间关系等。

为研究煤矿采空区对高速公路工后沉降的影响,拟通过数值模拟对采空区上方路基进行分析,探究不同因素对其沉降的影响,以期为相关工程提供参考。

1 模型建立

依据萍乡市中环东路的某标段高速公路为模拟对象,选择了一个具有代表性的区段,路基填筑应用土工格室进行加固处理,路基中增强土工格室的设置层数根据填土高度合理确定,一般多层时,依据填土高度在2～10 m范围内适当调整。模拟采用ABAQUS数值模拟软件构建采空区路基模型,通过改变路面荷载的大小、采空区相对路基的不同位置和填土区域材料情况,以此记录路基沉降量进行数值模拟分析。根据简化规则建立几何模型,模型尺寸如图1所示。其中采空区设置位于煤层,采空区的结构形状用5 m×10 m的矩形进行模拟。

图1 采空区路基断面图

岩土体采用Mohr-Coulomb塑性本构来进行数值模拟分析,对于采空区建模的力学参数见表1。建立ABAQUS模型后,对模型各个部件赋予材料参数,并进行网格划分与装配。填土中土工格室与回填土之间的作用采用嵌入方式处理。在分析步模块中,涉及生死单元,对于第一个分析步必须采用初始地应力平衡预定义法达到平衡地应力的目的,也就是在路基未回填之前,这一步将影响整个模型的分析精度,之后运用多个分析步模拟土体的分层填筑。然后在路基上方施加均布荷载进行模型运算。

表1 材料物理力学参数

2 不同荷载对采空区路基沉降的影响分析

交通荷载有三种表征方式,分别是集中荷载、面状荷载和均布荷载[11-12],数值模拟将路面上的动、静荷载简化为均布荷载进行模拟。在采空区上方修筑公路,公路周围会存在大量的静荷载与动荷载,不同的荷载将会不同程度地增加采空区上部的附加应力,进而导致路基的沉降。为研究采空区在不同荷载下的路基沉降变化影响,分别加载荷载50～110 kPa进行模拟分析。通过施加不同大小的均布荷载,针对路基表面沉降与采空区中心位置路基最大沉降进行数据分析,分析结果如图2所示。

图2 不同荷载对路基沉降的影响分析

由图2可知,随着荷载的不断增大,路基沉降量在不断增大,且增大的斜率也在不断上升。从整体上来看,荷载的增加对路基沉降的影响较为明显,因此,在采空区域修筑高速公路,其上部载荷是一个值得关注的问题,在公路运营期间,应该对过路车辆进行限重管理。

3 采空区位置变化对路基沉降的影响分析

采空区路基土的沉降不仅仅受到路面动和静荷载的作用,还会受到采空区对路基土的扰动作用,路基土在这些影响因素的共同作用下产生沉降变化。通过研究采空区位置的变化对路基沉降的影响,可以在一定程度上确定采空区影响区域的大致范围。

3.1 数值模拟的基本数据

采空区的基本尺寸不变,并且保证在水平方向上采空区与路基的相对位置等不变,只改变采空区的横向位置(采空区与路基的水平距离),共设置三个工况,分别为距离路基中心点-7 m(向左为负方向)、0和7 m。

3.2 采空区不同位置的影响分析

分别从采空区域沿横向位置距离路基中心点-7 m、0和7 m进行模拟,针对路基表面沉降与采空区中心位置路基最大沉降进行数据分析,分析结果如图3所示。

图3 采空区不同位置的影响分析

由图3可知,在相同荷载作用下,当采空区相对于路基中心位置为0时,路基表面的最大沉降与采空区中心位置的最大沉降均位于各部分的中心位置;当采空区相对于路基中心位置发生偏移时,各部位的最大沉降点依旧位于路基表面和采空区的中心位置,但对于整体模型发生偏移,且最大沉降量相比于采空区相对于路基中心位置为0时的沉降量要大。

由于路基并不是轴对称形状,所以沉降曲线左右方向的沉降没有对称趋势,这一现象在采空区位于路基中心位置时,并不明显,但当采空区位置发生偏移时,就可明显看出两侧的沉降差异。

4 填土区域材料对路基沉降的影响分析

采空区路面的沉降与填土区域的材料参数有很大的关系,如填土区域是否进行加筋加固处理、回填土的强度和土工格室的强度等。

4.1 填土区域加筋对路基沉降的影响

在100 kPa的荷载作用下,对比回填土区域是否加筋对路基和采空区沉降的影响,沉降曲线如图4所示。

图4 填土区域加筋对路基沉降的影响

由图4可知,在回填土中进行加筋处理,可有效改善土体沉降。因格室与回填土共同组成了一种半刚性结构层,格室在一定程度上可提高回填土的强度和刚度,从而可降低地基沉降量。

4.2 土工格室弹性模量对沉降的影响

在50 kPa和60 kPa的荷载作用下,模型的其他参数不变,改变土工格室的弹性模量分别为3 GPa、4 GPa和5 GPa,模拟结果如图5和图6所示。

从图5和图6可知,格室的模量不同时,增大土工格室的模量可以达到减少沉降的目的。在施加小荷载时,改善沉降的效果较小;当增大荷载时,才可看到一定的改善效果。

4.3 回填土填料参数对沉降的影响

模型的所有参数均不变,改变回填土的弹性模量分别为60 MPa、80 MPa和100 MPa,模拟结果如图7所示。

图7 不同填料参数的沉降模拟情况

由图7可知,增大回填土的弹性模量可有效降低路基沉降量,且弹性模量较高时,减小沉降的效果在增强。因此,回填土的弹性模量是决定路基沉降的因素之一,合理选择回填材料与合理施工,对高速公路有很大影响。

5 结论

以萍乡市中环东路某采空区路段为研究背景,对不同荷载作用下高速公路采空区路基沉降进行ABAQUS数值模拟分析,探究不同载荷、采空区相对路基不同位置与填土区域材料等因素下对路基沉降的影响分析,得到结论如下:

5.1 随着荷载的不断增大,路基沉降量在不断增大,且增大的斜率也在不断上升。

5.2 改变采空区与路基之间的相对位置关系,路基表面的最大沉降与采空区中心位置的最大沉降会随之改变。对于路基两侧坡度的不同,路基沉降曲线随采空区位置的改变而不同。

5.3 在回填土加入土工格室后,可有效减小路基沉降,且增大土工格室的模量可以适当增加加筋效果。回填土的材料参数对沉降的影响较为明显,增大回填土的弹性模量,可有效降低路基沉降量,且弹性模量较高时,减小沉降的效果在增强。