采空區對高速公路路基變形的影響

黃春麗

（河北承德承朝高速公路管理處，河北 承德067000）

0 引言

本文把采空區-路基路面視為相互作用的整體，建立模型，分析采空區和路基路面的協同作用關系以及采動對路基路面變形及應力的影響，揭示采空區路基路面變形破壞的機理，進而研究采空區路基路面在各種因素影響下的變形規律。

1 模型的建立

研究開采引起的地表沉陷，過去只是考慮了應力與應變之間的關系，沒有考慮時間因素。而大量實測資料表明，巖層移動與時間有關，巖土工程中時間是一個很重要的因素，必須考慮。在巷道開挖和采煤過程中，上覆巖層隨著時間的推移不斷變形，經過一段時間后，在其自重、構造應力的作用下穩定性遭到破壞，形成不均勻沉降及變形。采用廣義Kelvin 模型（如圖1 所示）作為開挖巖體的本構模型來近似描述其蠕變特性。

圖1 廣義Kelvin模型

運用ANSYS 軟件建立二維分析模型，研究地下開采以后地表及路基路面變形及應力分布情況。設計路基底面寬度為40m，填高為5m，坡度為1∶1.5，路面寬25m，僅考慮路基位于沉降曲線中間凹陷區（公路位于采空區中央正上方）的情況。邊界條件的處理、巖層及路基路面材料的物理力學參數見表1。

表1 材料物理力學參數

2 計算結果及分析

2.1 開采寬度影響分析

不同開采寬度引起的地表移動和變形量大小不同，對路基路面造成不同程度的損害。擬建模型水平向取400m，垂直向取136m，為水平煤層開采，開采厚度為6m，開采寬度分別取20m、30m、40m。分析不同開采寬度時，路基路面的移動和變形規律。

（1）位移分析

通過模擬不同開采寬度對高速公路的影響，得到路基路面位移曲線（見圖2）。不同采寬時路基路面最大位移和變形值列于表2。

圖2 不同采寬時路基位移變化曲線

表2 不同采寬時路基路面最大移動變形值

路基的最大沉降量和水平位移隨著開采寬度的增大增幅較大。路基傾斜變形、曲率變形和水平變形最大值也隨著開采寬度的增大而增大。所以當采空區橫向達到一定規模時，移動波及到地表，隨著寬度的增大，對地表的影響范圍增大，地表變形幅度也增大，進而對上方公路路基路面的影響也增大。顯然，開采寬度越大，引起的路基路面移動變形越大，路基越不穩定。

（2）位移時間歷程分析

通過時間歷程后處理可以得到路基路面各個節點處位移變化曲線（見圖3），這樣可以更好地認識路基路面隨時間變化的趨勢。

圖3 不同采寬時路基點位移隨時間變化曲線

從圖3 中可以得到不同時刻路基路面的位移值。隨著時間的推移，路基路面的沉降量和水平位移值都在增大，初期沉降速度較大，后期沉降速度較小，并逐漸趨于穩定。隨著采寬的增大，路基路面的移動變形隨時間而變化，采寬越大，路基路面的移動變形值越大，趨于穩定所需的時間越長。

2.2 開采厚度影響分析

開采厚度不同，對采空區地表和高速公路路基路面的影響也不同。擬建模型開采深度為90m，模擬開采厚度分別為2m、4m、6m 時采空區上覆路基的移動和變形分布情況，計算結果分析如下。

（1）位移分析

開采厚度對地表移動有很大的影響，一次開采厚度越大，冒落帶高度越大，移動過程越劇烈，地表移動變形也越大。從圖4可以看出，隨著開采厚度的增大，路基路面各種移動和變形值也增大，采空區路基路面移動和變形值的大小與開采厚度正相關。

圖4 不同采厚時路基位移變化曲線

表3 不同開采厚度下路基路面最大移動變形值

從表3 可以看出，采厚2m 時路基的最大沉量為58.5mm，采厚6m 時最大沉降量增大到66.1mm，路基最大水平位移由10.1mm 增大到11.2mm。采厚不同時，路基路面的最大沉降量和水平位移的增加幅度不同。路基路面的傾斜變形、曲率變形和水平變形最大值也隨著開采厚度的增大而增大。

（2）位移時間歷程分析

通過時間歷程后處理，分析不同開采厚度時路基路面點位移隨時間的變化規律，結果見圖5。

圖5 不同采厚時路基位移隨時間變化曲線

從圖5可以得到路基豎向和水平位移隨時間的變化趨勢，路基和路面位移隨時間推移變化趨勢相同，初期變形速度非常快，之后變形逐漸減緩，隨著時間只有很小的增量，最終趨于穩定。開采厚度越大，路基路面達到穩定所需要的時間越長。

3 結論

（1）路基的最大沉降量和水平位移隨著開采寬度的增大而增大，且增幅較大。開采寬度越大，引起的路基路面移動變形越大，路基越不穩定。

（2）隨著開采寬度的增大，路基路面的位移變形隨時間而變化，采寬越大，路基路面的移動變形值越大，趨于穩定所需的時間越長。

（3）隨著開采厚度的增大，路基路面各種位移和變形值也增大，采空區路基路面位移和變形值的大小與開采厚度正相關。

（4）路基位移隨時間變化的趨勢相同，初期變形速度非常快，之后變形逐漸減緩，最終趨向穩定。

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