□□ 何 建,柳 佳,陳夢(mèng)成,童立紅,胡子奇,彭理群 (.萍鄉(xiāng)市交通運(yùn)輸局,江西 萍鄉(xiāng) 337000;.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,江西 南昌 33003)

引言

近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,對(duì)各種資源的需求不斷增加,由此很多資源城市應(yīng)運(yùn)而生,如萍鄉(xiāng)安源煤礦經(jīng)過長(zhǎng)期大量的開采,在煤礦區(qū)域形成了大量的采空區(qū)。采空區(qū)是由于巖體中局部礦體被采出后,在巖體內(nèi)部產(chǎn)生了空洞,空洞附近巖體原有的應(yīng)力平衡受到破壞,引起巖體周圍應(yīng)力的重新分布,使采空區(qū)上覆地層發(fā)生了移動(dòng)和變形。在采空區(qū)上方修建公路,路面荷載對(duì)路面施加的應(yīng)力和振動(dòng)波將會(huì)影響道路下方的采空區(qū),采空區(qū)的應(yīng)力平衡狀態(tài)將會(huì)受到破壞,進(jìn)而很可能影響公路上車輛行駛安全[1-6]。

從20世紀(jì)80年代開始,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)采空區(qū)對(duì)公路的影響進(jìn)行了大量的研究。岳愛軍等[7]采用有限元數(shù)值分析方法建立了采空區(qū)臨界區(qū)域的確定方法,揭示了多種路面結(jié)構(gòu)路表彎沉與層底拉應(yīng)力的變化規(guī)律。黃春麗等[8]運(yùn)用ANSYS軟件建立二維分析模型研究地下開采寬度與厚度對(duì)路基路面變形及應(yīng)力分布情況,結(jié)果顯示路基路面的各種位移和變形值隨著開采寬度和厚度的增大而增大,并且開采寬度對(duì)路基變形的增幅較大。袁曼飛等[9]應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬研究車輛荷載對(duì)路基影響以及采空區(qū)活化變形對(duì)路基的影響,主要從路基沉降量進(jìn)行分析,結(jié)果顯示車輛荷載對(duì)路面的影響較大,車輛擾動(dòng)引起的采空區(qū)活化變形是修建高速公路必須考慮的重要因素之一。童立元等[10]通過有限元數(shù)值分析,從采空區(qū)的二次活化機(jī)制、不同工況下采空區(qū)的變形沉降規(guī)律和公路的采動(dòng)響應(yīng)等方面進(jìn)行公路與采空區(qū)相互作用規(guī)律的探討,結(jié)果表明公路與采空區(qū)的變形規(guī)律受到多因素的影響,如開采的深度與厚度、各煤層不同空間關(guān)系等。

為研究煤礦采空區(qū)對(duì)高速公路工后沉降的影響,擬通過數(shù)值模擬對(duì)采空區(qū)上方路基進(jìn)行分析,探究不同因素對(duì)其沉降的影響,以期為相關(guān)工程提供參考。

1 模型建立

依據(jù)萍鄉(xiāng)市中環(huán)東路的某標(biāo)段高速公路為模擬對(duì)象,選擇了一個(gè)具有代表性的區(qū)段,路基填筑應(yīng)用土工格室進(jìn)行加固處理,路基中增強(qiáng)土工格室的設(shè)置層數(shù)根據(jù)填土高度合理確定,一般多層時(shí),依據(jù)填土高度在2～10 m范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整。模擬采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件構(gòu)建采空區(qū)路基模型,通過改變路面荷載的大小、采空區(qū)相對(duì)路基的不同位置和填土區(qū)域材料情況,以此記錄路基沉降量進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)簡(jiǎn)化規(guī)則建立幾何模型,模型尺寸如圖1所示。其中采空區(qū)設(shè)置位于煤層,采空區(qū)的結(jié)構(gòu)形狀用5 m×10 m的矩形進(jìn)行模擬。

圖1 采空區(qū)路基斷面圖

巖土體采用Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)來進(jìn)行數(shù)值模擬分析,對(duì)于采空區(qū)建模的力學(xué)參數(shù)見表1。建立ABAQUS模型后,對(duì)模型各個(gè)部件賦予材料參數(shù),并進(jìn)行網(wǎng)格劃分與裝配。填土中土工格室與回填土之間的作用采用嵌入方式處理。在分析步模塊中,涉及生死單元,對(duì)于第一個(gè)分析步必須采用初始地應(yīng)力平衡預(yù)定義法達(dá)到平衡地應(yīng)力的目的,也就是在路基未回填之前,這一步將影響整個(gè)模型的分析精度,之后運(yùn)用多個(gè)分析步模擬土體的分層填筑。然后在路基上方施加均布荷載進(jìn)行模型運(yùn)算。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2 不同荷載對(duì)采空區(qū)路基沉降的影響分析

交通荷載有三種表征方式,分別是集中荷載、面狀荷載和均布荷載[11-12],數(shù)值模擬將路面上的動(dòng)、靜荷載簡(jiǎn)化為均布荷載進(jìn)行模擬。在采空區(qū)上方修筑公路,公路周圍會(huì)存在大量的靜荷載與動(dòng)荷載,不同的荷載將會(huì)不同程度地增加采空區(qū)上部的附加應(yīng)力,進(jìn)而導(dǎo)致路基的沉降。為研究采空區(qū)在不同荷載下的路基沉降變化影響,分別加載荷載50～110 kPa進(jìn)行模擬分析。通過施加不同大小的均布荷載,針對(duì)路基表面沉降與采空區(qū)中心位置路基最大沉降進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同荷載對(duì)路基沉降的影響分析

由圖2可知,隨著荷載的不斷增大,路基沉降量在不斷增大,且增大的斜率也在不斷上升。從整體上來看,荷載的增加對(duì)路基沉降的影響較為明顯,因此,在采空區(qū)域修筑高速公路,其上部載荷是一個(gè)值得關(guān)注的問題,在公路運(yùn)營(yíng)期間,應(yīng)該對(duì)過路車輛進(jìn)行限重管理。

3 采空區(qū)位置變化對(duì)路基沉降的影響分析

采空區(qū)路基土的沉降不僅僅受到路面動(dòng)和靜荷載的作用,還會(huì)受到采空區(qū)對(duì)路基土的擾動(dòng)作用,路基土在這些影響因素的共同作用下產(chǎn)生沉降變化。通過研究采空區(qū)位置的變化對(duì)路基沉降的影響,可以在一定程度上確定采空區(qū)影響區(qū)域的大致范圍。

3.1 數(shù)值模擬的基本數(shù)據(jù)

采空區(qū)的基本尺寸不變,并且保證在水平方向上采空區(qū)與路基的相對(duì)位置等不變,只改變采空區(qū)的橫向位置(采空區(qū)與路基的水平距離),共設(shè)置三個(gè)工況,分別為距離路基中心點(diǎn)-7 m(向左為負(fù)方向)、0和7 m。

3.2 采空區(qū)不同位置的影響分析

分別從采空區(qū)域沿橫向位置距離路基中心點(diǎn)-7 m、0和7 m進(jìn)行模擬,針對(duì)路基表面沉降與采空區(qū)中心位置路基最大沉降進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 采空區(qū)不同位置的影響分析

由圖3可知,在相同荷載作用下,當(dāng)采空區(qū)相對(duì)于路基中心位置為0時(shí),路基表面的最大沉降與采空區(qū)中心位置的最大沉降均位于各部分的中心位置;當(dāng)采空區(qū)相對(duì)于路基中心位置發(fā)生偏移時(shí),各部位的最大沉降點(diǎn)依舊位于路基表面和采空區(qū)的中心位置,但對(duì)于整體模型發(fā)生偏移,且最大沉降量相比于采空區(qū)相對(duì)于路基中心位置為0時(shí)的沉降量要大。

由于路基并不是軸對(duì)稱形狀,所以沉降曲線左右方向的沉降沒有對(duì)稱趨勢(shì),這一現(xiàn)象在采空區(qū)位于路基中心位置時(shí),并不明顯,但當(dāng)采空區(qū)位置發(fā)生偏移時(shí),就可明顯看出兩側(cè)的沉降差異。

4 填土區(qū)域材料對(duì)路基沉降的影響分析

采空區(qū)路面的沉降與填土區(qū)域的材料參數(shù)有很大的關(guān)系,如填土區(qū)域是否進(jìn)行加筋加固處理、回填土的強(qiáng)度和土工格室的強(qiáng)度等。

4.1 填土區(qū)域加筋對(duì)路基沉降的影響

在100 kPa的荷載作用下,對(duì)比回填土區(qū)域是否加筋對(duì)路基和采空區(qū)沉降的影響,沉降曲線如圖4所示。

圖4 填土區(qū)域加筋對(duì)路基沉降的影響

由圖4可知,在回填土中進(jìn)行加筋處理,可有效改善土體沉降。因格室與回填土共同組成了一種半剛性結(jié)構(gòu)層,格室在一定程度上可提高回填土的強(qiáng)度和剛度,從而可降低地基沉降量。

4.2 土工格室彈性模量對(duì)沉降的影響

在50 kPa和60 kPa的荷載作用下,模型的其他參數(shù)不變,改變土工格室的彈性模量分別為3 GPa、4 GPa和5 GPa,模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可知,格室的模量不同時(shí),增大土工格室的模量可以達(dá)到減少沉降的目的。在施加小荷載時(shí),改善沉降的效果較小;當(dāng)增大荷載時(shí),才可看到一定的改善效果。

4.3 回填土填料參數(shù)對(duì)沉降的影響

模型的所有參數(shù)均不變,改變回填土的彈性模量分別為60 MPa、80 MPa和100 MPa,模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同填料參數(shù)的沉降模擬情況

由圖7可知,增大回填土的彈性模量可有效降低路基沉降量,且彈性模量較高時(shí),減小沉降的效果在增強(qiáng)。因此,回填土的彈性模量是決定路基沉降的因素之一,合理選擇回填材料與合理施工,對(duì)高速公路有很大影響。

5 結(jié)論

以萍鄉(xiāng)市中環(huán)東路某采空區(qū)路段為研究背景,對(duì)不同荷載作用下高速公路采空區(qū)路基沉降進(jìn)行ABAQUS數(shù)值模擬分析,探究不同載荷、采空區(qū)相對(duì)路基不同位置與填土區(qū)域材料等因素下對(duì)路基沉降的影響分析,得到結(jié)論如下:

5.1 隨著荷載的不斷增大,路基沉降量在不斷增大,且增大的斜率也在不斷上升。

5.2 改變采空區(qū)與路基之間的相對(duì)位置關(guān)系,路基表面的最大沉降與采空區(qū)中心位置的最大沉降會(huì)隨之改變。對(duì)于路基兩側(cè)坡度的不同,路基沉降曲線隨采空區(qū)位置的改變而不同。

5.3 在回填土加入土工格室后,可有效減小路基沉降,且增大土工格室的模量可以適當(dāng)增加加筋效果。回填土的材料參數(shù)對(duì)沉降的影響較為明顯,增大回填土的彈性模量,可有效降低路基沉降量,且彈性模量較高時(shí),減小沉降的效果在增強(qiáng)。