采空区下沉盆地防积水淹没框架桥“桥上建桥”力学特性研究

窦国涛 丁新 于文杰 黄勇博 万战胜 董清志

基金项目：河南省科技攻关项目（212102310967）；河南省科技攻关项目（222102320468）；郑州航院2024年实验室开放项目（ZHSK24-29）

第一作者简介：窦国涛（1985-），男，博士，讲师。研究的方向为采空区桥梁加固及公路桥梁施工过程安全。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.017

摘  要：为防止采空区下沉盆地框架桥被积水淹没，提出2种治理方案，采用ANSYS建立其有限元模型，研究不同土压力作用下框架桥“桥上建桥”的可行性。研究结果表明，①采空区下沉盆地压缩区原有框架桥随着侧土压力的增大，其合位移随之增大；②采空区下沉盆地压缩区原有框架桥随着侧土压力的增大，其第一主应力也随之增大；③极限被动土压力作用下，原有框架桥可采用加大截面法进行加固，但加大截面尺寸较大，不经济；④通过松动框架桥两侧土体，减小框架桥侧土压力，然后在其上续建新框架桥，形成组合框架桥，可以节省混凝土，更为经济。

关键词：采空区；框架桥；桥上建桥；被动土压力；力学特性

中图分类号：TD228      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）12-0071-06

Abstract： In order to prevent the frame bridge in the subsidence basin of the goaf from being submerged by water accumulation， two treatment schemes are proposed. The finite element model is established by ANSYS， and the feasibility of "building a bridge on the frame bridge" under different earth pressure is studied. The research results show that： ①the combined displacement of the original frame bridge in the compression area of the subsidence basin in the goaf increases with the increase of lateral earth pressure;② The first principal stress of the original frame bridge in the subsidence basin compression area of the goaf increases with the increase of the lateral earth pressure;③Under the action of ultimate passive earth pressure， the original frame bridge can be strengthened by increasing section method， but the increasing section size is large and uneconomical; ④By loosening the soil on both sides of the frame bridge， reducing the earth pressure on both sides of the frame bridge， and then continuing to build a new frame bridge on it to form a composite frame bridge， it can save concrete and be more economical.

Keywords： goaf; frame bridge; bridge construction on bridge; passive earth pressure; mechanical properties

我國煤炭开发历史悠久，因长期的煤炭开采，地下形成大规模的空洞区域，称为采空区。由于交通运输的需要，此区域存在大量的框架桥，地表沉陷后，形成下沉盆地，框架桥也随之沉陷，有些框架桥沉陷可达到6～9 m。当雨季到来时，下沉盆地积水，淹没原有桥梁，使得通行中断，严重影响和制约区域社会和经济的可持续发展。采空区塌陷框架桥的治理是矿山综合治理工作的一项重要内容[1-2]。

于广云等[3-10]课题组进行了一系列研究，根据煤矿采动区地表沉陷变形规律和铁路桥结构特征，建立了合理的数值计算模型，研究了地下开采引起的地表土体扰动、地表移动变形，以及对原桥体结构和地基产生的附加内力和附加变形的规律。李慧敏[11]提出将旁侧堆载加固方法应用到采煤沉陷区桥梁地基的加固治理中，开展了天然地基和既有复合地基旁侧堆载加固机理研究，为采煤沉陷区桥梁地基堆载设计提供一定理论基础。杨洋[12]以淮南矿区某铁路框架桥为例，采用有限元软件Abaqus研究了不同曲率半径的地表沉降对桥体和地表土的影响。张海清[13]分别对分期采矿形成地下采空区、双层采空区进行注浆处置，然后进行桥梁和墩台的变形及受力特征等进行数值模拟分析。温庆杰等[14]为分析采空区支座差异沉降对上部结构受力的影响，建立了新、旧箱梁横向拼接后的简化力学计算模型，采用纽玛克数值法分析了支座差异沉降产生的附加内力，同时对影响附加内力的主要因素进行了参数分析。赵冠刚[15]针对采空区的公路桥，通过采用简支结构体系，合理划分桩周土层，考虑剩余下沉位移产生负摩阻力等不利影响，合理增加基桩的安全储备，并通过增设伸缩缝、使用可调支座等构造措施，保证了桥梁结构的安全合理。

本文在前期研究[16-17]的基础上，针对采空区下沉盆地中的框架桥容易被积水淹没的情况，创新地将采空区下沉盆地塌陷框架桥作为基础，在其之上新建框架桥的思路出发，进行分析，研究其力学特性。

1  工程背景

采空区地下煤层未开采时，土体受到各个方向力的约束，处于自然应力平衡状态。采空区框架桥受力模式和正常工况下框架桥受力模式一致，其两侧墙所受土压力为主动土压力（如图1（a）所示），当煤层开采后，将形成采空区（如图1（b）所示）。

随着时间的推移，地下岩层逐步垮落，地面形成下沉盆地，框架桥沉陷。当框架桥最终沉陷的位置为下沉盆地中心位置时，由于地表土体压缩扰动的作用，框架桥两侧墙所受的扰动土压力将会增大，增大后的扰动土压力位于主动土压力和极限被动土压力之间，其值ph大小和框架桥与土体之间相对位移s存在一定关系（如图1（c）所示）。

由于土压力的增大，对原有框架桥受力极为不利，框架桥则有可能被土体挤压破坏，同时，由于塌陷，路面将沉降。雨水季节时，该处低洼地带容易积水，积水淹没框架桥，导致无法通行，因此本文提出2种解决方案。

方案一：在塌陷前，对框架桥进行加固，待塌陷稳定后，在加固后的框架桥上续建新框架桥，形成组合框架桥，如图2所示。

方案二：在塌陷过程中，检测框架桥侧墙侧土压力，当侧土压力增大到一定程度，则将原有框架桥两侧土体松动，以减小其土压力到安全程度。待沉降稳定后，在原有框架桥上续建新框架桥，形成组合框架桥，如图3所示。

（a）  煤层未开采时原有框架桥

（b）  煤层开采形成采空区

（c）  煤层开采后原有框架桥沉陷

图1  采动塌陷示意图

图2  原有框架桥续建方案一

图3  原有框架桥续建方案二

2  土压力计算

2.1  正常工况框架桥土压力计算

正常工况下在框架桥设计时，其侧墙的土压力按照主动土压力进行计算，当土层特性无变化且无汽车荷载时，作用在单位长度框架桥侧壁上的主动土压力标准值按照库伦土压力计算，如式（1）所示。

Ea=■？酌h2Ka。  （1）

沿墙高度分布的主动土压力强度pa可通过对式（1）微分求得，即

pa=？酌zKa。      （2）

式中：Ka是主动土压力系数，即

式（1）（2）（3）中：Ea是主动土压力；pa是主动土压力强度；？酌是土体的重度；h是框架桥的高度；z是计算框架桥土压力位置；？渍是土体内摩擦角；？啄是土体和墙体之间的外摩擦角；？琢是橋台或挡土墙背与竖直面的夹角；？茁是填土表面与水平面的夹角。

2.2  采空区下沉盆地压缩区框架桥土压力

本文研究的工况前提是煤层的倾斜方向充分采动。煤层的开采厚度为m0，开采深度为H0，开采长度为L0，对应的曲线如图4所示[16]。当框架桥位于下沉盆地压缩区中心时，框架桥两侧土体将挤压框架桥，框架桥侧土压力将由主动土压力逐渐增大到被动土压力。当相对位移达到极限位移时，土压力也将增大到极限被动土压力如图5所示。

如式（4）所示。

Ep=■？酌h2Kp。  （4）

沿墙高度分布的被动土压力强度pp可通过对式（4）微分求得，即

pp=？酌zKp，  （5）

式中：Kp是主动土压力系数，即

式（4）（5）（6）中：Ep是被动土压力；pp是主动土压力强度，其余参数和上述相同。

当两者相对位移未达到极限位移，框架桥侧土压力计算如式（7）所示。

Ed=■？酌h2Kd 。            （7）

沿墙高度分布的被动土压力强度Pd可通过对式（7）微分求得，即

pd=？酌zKd， （8）

式中：Ka≤Kd≤Kp。式（7）、式（8）中：Ed是扰动土压力；Kd是扰动土压力系数；pd是扰动土压力强度，其余参数同前述。

2.3  组合框架桥侧土压力计算

方案一中组合框架桥上侧桥体可采用主动土压力计算，下侧框架桥的土压力则需在挤压后土压力基础上再考虑新填土的作用，当两者相对位移达到极限位移，框架桥侧土压力沿墙高度分布的被动土压力强度为

pp=？酌zKp+？酌h1Ka。   （9）

当两者相对位移未达到极限位移， 沿墙高度分布的被动土压力强度为

pd=？酌zKd+？酌h1Ka，（10）

式中：h1为新框架桥的高度，其余参数同上。

方案二中组合框架桥可采用主动土压力计算，如图6所示。

（a）  非充分采动

（b）  充分采动

图4  开采主断面内地表移动与变形分布图

图5  下沉盆地压缩区框架桥与土体相互挤压示意图

图6  组合框架桥侧土压力示意图

3  有限元模拟

本课题采用实际工程中某框架桥尺寸作为原始尺寸，如图7所示，采用ANSYS进行模拟计算，单元采用Solid65单元，钢筋混凝土采用整体式模型，底板约束x，y，z方向的位移ux，uy，uz，材料参数见表1。仅考虑土压力及自重作用下框架桥力学响应，未考虑其他作用，土压力以面荷载形式通过梯度荷载设置作用于框架桥侧墙上。原有框架桥有限元模型如图8所示。土体参数见表2。

（a）  立面图

（b）  平面图

图7  原有框架桥尺寸示意图

表1  有限元模型材料参数

图8  框架桥有限元示意图

表2  土体参数

4  结果分析

4.1  方案一模拟结果分析

4.1.1  原有框架桥

针对方案一，首先研究不同土压力作用下原有框架桥力学特性，见表3。土压力大小如图9所示。

表3  工况设置

图9  不同工况下原有框架桥侧土压力（方案一）

在侧土压力作用下，框架桥外侧墙向内侧凹陷，最大位移位于框架桥外侧墙中部区域，将位移极值绝对值汇总于图10所示。分析图中数据可知，随着侧土压力的增大，合位移极值绝对值也随之增大，工况四极值为工况一极值的64.9倍。

图10  工况一至工况四下原有框架桥未加固合位移极值绝对值对比

在侧土压力作用下，工况一最大第一主应力位于框架桥外侧墙上部区域，工况二至工况四最大位移位于框架桥外侧墙下部区域，将其极值汇总于图11所示。分析图中数据可知，随着侧土压力的增大，第一主应力极值也随之增大，C40混凝土抗拉强度标准值为2.40 MPa，工况三和工况四混凝土第一主应力已超限。

4.1.2  原有框架桥加固

通过有限元分析，可知在工况三和工况四应力超限，本文以极端情况工况四进行加固分析。采用加大截面法进行加固，通过有限元模拟试算，框架桥截面尺寸达到如下时，外侧壁加厚到2 m，中壁加厚到1 m，顶板加厚到1.5 m，底板加厚到2 m，如图12所示，在极限被动土压力作用下框架桥混凝土抗拉强度才能够满足要求，如图13所示。由于极限被动土压力远大于主动土压力，要使得框架桥满足要求，截面加厚尺寸较大，不经济。

图11  工况一至工况四下原有框架桥未加固第一主应力极值对比

图12  被动土压力作用下框架桥加固尺寸

图13  被动土压力作用下框架桥加固有限元模拟

4.1.3  原有框架桥加固后续建新桥

假定原有框架桥沉陷7 m，组合框架桥尺寸如图14所示。土压力示意图如图15所示，土压力计算采用第2节公式计算。建立其有限元模型并计算，得出其第一主应力云图，如图16所示。分析图中数据可知，下侧框架桥外侧墙下部区域外侧受拉，拉应力最大，达到2.34 MPa，第一主应力极值有所提高，但并未超限。

4.2  方案二模拟结果分析

原有框架桥不进行加固，检测其两侧土压力，始终低于安全值，待沉降稳定后，将两侧填土挖开重新统一填土，则只需验算组合框架桥应力是否超限。

图14  组合框架桥尺寸图（方案一）

图15  组合框架桥土压力示意图（方案一）

图16  填土后组合框架桥第一主应力云图（方案一）

组合框架桥尺寸如图17所示，土压力示意图如图18所示。经过计算，其第一主应力云图如图19所示。分析图中数据可知，其最大第一主应力为0.956 MPa，位于下侧框架桥外侧墙下部区域，并未超限。综上可知，采用方案二更经济。

图17  组合框架桥尺寸图（方案二）

图18  组合框架桥土压力示意图（方案二）

图19  组合框架桥第一主应力云图（方案二）

5  结论

针对采空区下沉盆地中的框架桥容易被积水淹没的情况，本文提出“桥上建桥”的解决方案。本文将采空区下沉盆地压缩区塌陷框架桥作为基础，在其之上新建框架桥的思路出发，进行研究，提出2种治理方案。方案一为在塌陷前，对框架桥进行加固，待塌陷稳定后，在加固后的框架桥上续建新框架桥，形成组合框架桥；方案二为在塌陷过程中，检测框架桥侧墙侧土压力，当侧土压力增大到一定程度，则将原有框架桥两侧土体松动，以减小其土压力到安全程度，待沉降稳定后，在原有框架桥上续建新框架桥，形成组合框架桥，并进行了研究分析，得到如下结论。

方案一采空区下沉盆地压缩区原有框架桥随着侧土压力的增大，其合位移随之增大，极限被动土压力作用下其极限合位移绝对值为主动土压力作用下极限合位移绝对值的64.9倍。

方案一采空区下沉盆地压缩区原有框架桥随着侧土压力的增大，其第一主应力也随之增大，侧土压力增大到一定值时，框架桥第一主应力将会超限，工况三和工况四混凝土第一主应力已超限。

方案一极限被动土压力作用下，原有框架桥可采用加大截面法进行加固，但加大截面尺寸较大，不经济。方案二通过松动框架桥两侧土体，减小框架桥侧土压力，然后在其上续建新框架桥，形成组合框架桥，可以节省混凝土，更为经济。本文提出的技术方案为后续该类工程提供参考。

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