杜東寧，張向東，張淑坤，楊 逾

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新123000)

0 引 言

隨著高速公路建設(shè)迅速發(fā)展，難以避免穿越地下資源開采所留下的采空區(qū)［1-3］。礦體采出后打破了地下原巖應(yīng)力平衡，形成的圍巖變形傳至地表，對高速公路產(chǎn)生扭曲、變形、開裂甚至塌陷等災(zāi)害［4-5］。為了將這種安全威脅降到最低，必須深入研究下伏采空區(qū)對地表高速公路變形破壞的影響［6-7］。

結(jié)合某高速下伏采空區(qū)為背景，綜合現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬和正交試驗分析手段，分析采空區(qū)傾角、充填程度、深厚比等因素對地表高速公路影響規(guī)律，通過正交試驗對各個因素進(jìn)行敏感性分析，以期為類似工程提供一定的實際參考。

1 工程實例分析

1.1 工程概況及計算模型的選取

某高速公路區(qū)域局部存在陡坎，但總體地勢較為平緩，下伏老采空區(qū)。公路兩側(cè)植被發(fā)育，因地表沉陷而導(dǎo)致公路扭曲變形的里程范圍為K3+470 ～K4+070，扭曲變形最為嚴(yán)重，老采空區(qū)深度75 ～90 m 區(qū)間，為條帶開采，傾角22°，采厚5 m。采用有限元軟件ADINA 對棗木高速公路下伏采空區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見圖1。土體均采用Mohr-Coulomb 材料模型進(jìn)行模擬，模型約束條件為側(cè)面水平約束，底面固定約束，地表及高速公路自由約束。模型長、寬、高尺寸為300 m×150 m×145.3 m，模型層結(jié)構(gòu)尺寸及計算土層參數(shù)［8］來自室內(nèi)試驗，具體如表1所示。

圖1 有限元網(wǎng)格Fig.1 Finite element meshes

表1 計算參數(shù)表Tab.1 Calculating parameter table

1.2 數(shù)值模擬與監(jiān)測對比分析

由圖2 可見，采空區(qū)殘余變形對地表產(chǎn)生的影響范圍較大，達(dá)到300 m 范圍，地表的最大殘余沉降變形為400 mm，與傳統(tǒng)概率積分法預(yù)測結(jié)果表2 中最大殘余沉降變形值402 mm 接近。在沉陷范圍內(nèi)間距100 m 布置測點，經(jīng)觀測發(fā)生殘余沉陷變形的范圍約為300 m(囊括4 個測點)，與該數(shù)值模型的影響范圍趨于一致，證明了該數(shù)值模型的可靠性。提取沉陷范圍內(nèi)4 個測點數(shù)據(jù)如圖3 所示，觀測期間最大累計下沉18 mm，每個觀測點總體呈現(xiàn)的下沉趨勢一致，并且表現(xiàn)出持續(xù)變形狀態(tài)。表明老采空區(qū)并非處于長期穩(wěn)定，而是殘余變形的延時性突出，雖然監(jiān)測區(qū)域開采沉陷活躍期已經(jīng)結(jié)束，但老采空區(qū)仍有緩慢下沉趨勢。

表2 殘余最大變形值預(yù)測Tab.2 Predictions of maximum residual deformation

圖2 Z 向位移Fig.2 Z direction displacement

圖3 沉陷變形Fig.3 Subsidence deformation

2 采空區(qū)對高速公路影響因素分析

依據(jù)上述模型具體模擬分析方案分別為采空區(qū)傾角影響;深厚比因素影響;采空區(qū)內(nèi)部充填程度影響;

2.1 下伏采空區(qū)傾角對高速公路影響

以實際工程模型為依據(jù)，保持采空區(qū)中心埋深、采厚、尺寸及材料參數(shù)不變，分析采空區(qū)傾斜角度分別為15°、45°、60°，采空區(qū)塌陷對高速公路影響。提取高速公路中心線變形數(shù)據(jù)繪制曲線圖，如圖4 和圖5 所示，采空區(qū)傾角越大，對高速公路影響范圍越小，采空區(qū)角度的存在，導(dǎo)致了水平位移呈現(xiàn)不對稱性，最大殘余水平位移值大約為最大殘余下沉值的35%左右。

圖4 高速公路殘余水平移動Fig.4 Residual highway horizontal movement

圖5 高速公路殘余沉降變形Fig.5 Residual highway settlement

2.2 下伏采空區(qū)深厚比對高速公路的影響

以實際工程模型為依據(jù)，保持采空區(qū)傾角、采厚、尺寸及材料參數(shù)不變，模擬深厚比為40、50、60 的情況，取后3 種情況對應(yīng)方案分別為方案1、方案2、方案3。地表水平移動曲線與殘余沉降影如圖6 和圖7 所示，隨著深厚比的增加，變形范圍及數(shù)值大幅度減小，原因在于采空區(qū)高度一定的情況下對應(yīng)的垮落帶及倒水裂隙帶的高度基本也趨于一定，而采深就直接決定了彎曲帶的厚度。采深越深，彎曲帶厚度也就越大，抵抗老采空區(qū)殘余變形的能力也就越強(qiáng)，對地表高速公路影響范圍及變形量也就越小。

2.3 下伏采空區(qū)內(nèi)部充填狀態(tài)對高速公路影響

目前，充填治理是控制地表殘余變形有效方法［9～11］。以實際工程模型為依據(jù)，保持采空區(qū)埋深、采厚、尺寸不變，將采空區(qū)內(nèi)部充填單元抗剪強(qiáng)度指標(biāo)折減為周圍巖體的60%、80%、100%(未折減)，則對應(yīng)模擬的充填度分別為60%、80%、100%，分別用方案1、方案2、方案3 表示。充填程度對地表高速公路影響水平位移和豎向沉陷位移如圖8 和圖9 所示，無論是水平位移還是沉陷位移隨著充填程度越高，變形值越小，但當(dāng)充填度超過80%時，其對地表高速公路變形控制影響不太明顯，這也說明雖然充填程度越好控制變形能力也就越強(qiáng)，但達(dá)到較高充填度時一味增加充填量，對于地表殘余變形的控制差異不會太大，且會大大提高治理成本。

圖6 高速公路殘余水平移動Fig.6 Residual highway horizontal movement

圖7 高速公路殘余沉降變形Fig.7 Residual highway settlement

圖8 高速公路殘余水平變形Fig.8 Residual highway horizontal movement

圖9 高速公路殘余沉降變形Fig.9 Residual highway settlement

3 正交實驗因素分析

提取總體分析因素中各個數(shù)據(jù)，組成三因素三水平正交試驗，如表3 所示。以最大殘余沉陷值為控制結(jié)果，進(jìn)行正交試驗，具體實驗方案組合及結(jié)果如表4 所示。

表3 正交設(shè)計表Tab.3 Orthogonal design table

表4 正交設(shè)計Tab.4 Orthogonal design table

對正交設(shè)計實驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，極差分析如表5 所示，影響顯著性由大到小為采空區(qū)傾角、深厚比、充填效果，表明先期形成的采空區(qū)條件對于地表沉陷影響起決定性作用，而后期充填治理相比較顯著性要較差，但這也是后期可以人為唯一可以控制的一個影響因素。

表5 極差分析Tab.5 Range analysis

4 結(jié) 論

①隨著采空區(qū)傾角不斷增大，高速公路的殘余沉降變形量及變形范圍呈逐漸減小趨勢，最大水平位移基本維持在最大下沉值的35%左右;針對于曲線變形的圓滑程度來看，隨著深厚比的增加曲線線型越圓滑，其變形影響范圍和變形量也越小.

②雖然充填程度越好控制變形能力也就越強(qiáng)，對地表高速公路的影響也就越小，但達(dá)到較高充填度時一味增加充填量，對于地表公路殘余變形的控制差異不會太大。

③通過正交試驗分析得出影響顯著性由大到小為采空區(qū)傾角、深厚比、充填效果，表明先期形成的采空區(qū)條件對于地表沉陷影響起決定性作用，而后期充填治理相比較顯著性要較差，但這也是后期可以人為唯一可以控制的一個影響因素。

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