開采沉陷影響下高速公路變形破壞的試驗研究

鄧偉男 張華興 賈林剛,2

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013；2.煤炭科學研究總院，北京 100013)

開采沉陷影響下高速公路變形破壞的試驗研究

鄧偉男1張華興1賈林剛1,2

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013；2.煤炭科學研究總院，北京 100013)

通過相似模型試驗?zāi)M，研究了煤礦開采沉陷影響下高速公路路基與路面的變形破壞規(guī)律，試驗表明：路基隨地表發(fā)生連續(xù)、漸變、有規(guī)律的變形，其內(nèi)部發(fā)育的裂縫隨工作面的推進逐漸閉合壓實；路面破壞前與路基之間存在空區(qū)，路面內(nèi)部有豎向裂縫發(fā)育。得出了路面與路基且與地表沉陷變形不一致的結(jié)論。并提出路面基層出現(xiàn)斷裂是高速公路受開采沉陷影響發(fā)生破壞的標志，利用線彈性斷裂力學理論推導(dǎo)出高速公路發(fā)生斷裂破壞判據(jù)的力學計算式，解釋了開采沉陷影響下高速公路變形破壞的機理。

高速公路 煤礦開采沉陷 相似模型試驗 斷裂 判據(jù) 破壞機理

傳統(tǒng)的特殊采煤領(lǐng)域?qū)⒏咚俟窔w結(jié)為Ⅰ級保護建(構(gòu))筑物進行處理[1]，以地表移動變形是否超過Ⅰ級磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級來評估開采沉陷對高速公路的影響[2]；針對高速公路穿越采空區(qū)的問題，道路交通部門參照相關(guān)規(guī)程規(guī)范提出了采空區(qū)高速公路工程地基容許變形值[3]，在工程上多借鑒建筑物下采空區(qū)治理的方法進行注漿、充填[4]。盡管此類方法在解決零星高速公路下采煤問題時起到過積極的作用，但在目前高速公路穿越煤炭生產(chǎn)區(qū)的現(xiàn)象越來越多的情況下，上述手段已無法同時保證高速公路的運行安全及煤炭生產(chǎn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。近年來，許多學者開始探索將高速公路從傳統(tǒng)的建(構(gòu))筑物范疇獨立出來考慮其受開采沉陷影響問題，利用力學原理對采動影響下高速公路變形破壞的相關(guān)問題進行分析并推導(dǎo)出了相應(yīng)的力學計算式[5-8]，但此類研究未顧及高速公路實際破壞發(fā)生的過程，也未見后續(xù)實踐應(yīng)用。

高速公路屬于封閉型結(jié)構(gòu)，修筑后無法直接觀察其內(nèi)部變化，變形監(jiān)測和綜合物探技術(shù)可對高速公路的沉降進行實時動態(tài)監(jiān)測[9-10]，對路基及路面內(nèi)部的損傷進行無損探測[11]，但目前仍無法達到對公路內(nèi)部裂縫發(fā)育過程的準確測量。為研究觀測高速公路受采動影響的變形和破壞規(guī)律，利用相似模型試驗的方法，根據(jù)高速公路結(jié)構(gòu)和修筑材料特點，分別模擬開采沉陷影響下高速公路路基及路面縱斷面變形破壞過程，以探尋高速公路變形破壞發(fā)生的機理。

1 路基變形破壞試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

以山西某高速公路所過煤礦的地質(zhì)采礦條件為地層原型(煤層埋深100 m，采厚3 m，煤層近水平)，進行了二維模擬試驗，模型尺寸長×寬×高為4 200 mm×250 mm×1 800 mm。

為了在模型中突出高速公路路基，試驗路基原型高度取6 m，根據(jù)《JTG D30—2004 公路路基設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定[12]，路基原型上路床、下路床、上路堤、下路堤4個結(jié)構(gòu)層嚴格按照分層厚度進行鋪設(shè)。

試驗設(shè)計相似常數(shù)[13]：幾何相似常數(shù)取1/100；時間相似常數(shù)取1/10；容重相似常數(shù)取0.6。

相似材料選擇河砂作為骨料，石灰和石膏作為膠結(jié)料，根據(jù)試驗相似常數(shù)確定材料的配比見表1。

表1 試驗相似材料配比

注：表中配比號第1位數(shù)字代表砂膠比，第2、第3位數(shù)字代表2種膠結(jié)料在膠結(jié)物料總量中所占比例。如7∶5∶5，表示砂膠比為7∶1，一份膠結(jié)料中石灰和石膏之比為5∶5。

試驗?zāi)Ｐ椭校_切眼距模型左邊界400 mm，模型設(shè)計開采3 600 mm，高速公路路基長度為2 600 mm。模型分別在地層、下路堤、上路堤及路床中布設(shè)4條測線。試驗采用全部垮落法管理頂板，按照一次開采50 mm的方式向前推進，采用電子經(jīng)緯儀記錄測點的移動。

1.2 路基變形破壞規(guī)律分析

采空區(qū)上覆巖層移動變形波及到地表后，高速公路路基的縱斷面開始受到開采沉陷的影響，下路堤鋪設(shè)分層分界面處出現(xiàn)裂縫，模型穩(wěn)定過程中，裂縫向兩側(cè)擴展，路基隨地表緩慢下沉，路基各分層之間均出現(xiàn)沿分層方向的裂縫(圖1(a))，隨著工作面的不斷推進，沿各分層方向的裂縫隨推進方向向前擴展，路基變形區(qū)也隨推進方向不斷擴大(圖1(b)～圖1(c))。

圖1 路基縱斷面變形破壞發(fā)展示意

通過對工作面推進到不同位置地表與路基縱斷面下沉曲線的對比分析(見圖2)，路基的下沉與地表下沉基本是一致的，隨著工作面的不斷推進，已破壞區(qū)域沿分層方向延伸的裂縫不斷被壓實，此類裂縫不破壞路基的分層性，不會降低路基各分層原有強度。路基縱斷面受到開采沉陷影響發(fā)生破壞后的移動過程是連續(xù)而有規(guī)律的，路基依然能保持整體性和層狀結(jié)構(gòu)。

2 路面變形破壞試驗

2.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

為確定高速公路路面變形破壞規(guī)律，試驗以我國高速公路鋪設(shè)標準，按照底基層、基層、面層3個結(jié)構(gòu)層，以1∶1的比例設(shè)計了路面縱斷面模型，進行變形破壞試驗。由上節(jié)試驗可知：受開采影響高速公路路基沉陷與地表沉陷相一致，由于模型尺寸的原因，本試驗利用黃土層模擬高速公路路基層與煤層上覆巖層。

試驗選取水泥穩(wěn)定碎石作為路面基層及底基層材料[14]，以水泥含量為3%的水泥穩(wěn)定碎石混合料(7 d無側(cè)限抗壓強度為2.74 MPa)作為試驗路面的底基層，水泥含量為4%的水泥穩(wěn)定碎石混合料(7 d無側(cè)限抗壓強度為4.39 MPa)作為試驗路面的基層。試驗?zāi)Ｐ统叽玳L×寬×高為4 370 mm×2 600 mm×200 mm，模型各分層材料及層厚見表2。

從經(jīng)濟的角度看，有利于發(fā)展成旅游產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟增長點。如在浙江紹興舉行的“中國蘭亭書法節(jié)”就是比較典型的把以書法作為休閑活動與旅游產(chǎn)業(yè)結(jié)合的典型活動，到2012年，書法節(jié)已連續(xù)舉行了28屆，在書法節(jié)期間組織如曲水流觴、書畫藝術(shù)博覽會、蘭亭講堂、紹臺兩地書畫藝術(shù)交流友好關(guān)系結(jié)對和系列展覽等大型活動。參與的人員中，很大部分并不是專業(yè)創(chuàng)作的書法家，它包容了一切愛好書法的普通群眾。通過活動帶動書法旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們旅游書法名勝、收藏名人字畫，采購用于賞玩的文房四寶，已成為一個新的經(jīng)濟增長點。

模型分別在路面底基層、基層、面層及基層分層處布設(shè)4條測線，路面主承重部分測點橫向點間距200 mm。模型以磚塊的抽取模擬工作面開采，1個開挖階段抽取2塊磚，開采方向由模型中部向兩側(cè)推進，以模擬地表沉陷形態(tài)。

圖2 地表與路基縱斷面下沉曲線對比

Table 2 Material and slice thickness of each layer in the test model

注：單個砌塊紅磚尺寸為240 mm×115 mm×53 mm。

2.2 路面變形破壞規(guī)律分析

試驗?zāi)M煤層開挖后，路基整體隨地表移動，路面并不隨之下沉，路面與路基之間出現(xiàn)離層，在試驗中表現(xiàn)為塌陷空區(qū)，隨著開采的不斷推進，塌陷空區(qū)在水平方向上不斷擴大，此時路面可以看作1個受均布荷載作用的簡支梁結(jié)構(gòu)，路面在自身荷載作用下出現(xiàn)向下彎曲的趨勢，表現(xiàn)為裂縫不斷從底部向上發(fā)育。圖3為路面底端中部測點下沉圖。

圖3 路面底端中部測點下沉圖

由圖3可知，前5個開挖階段，路面整體下沉極小；第6、第7個階段，路面彎曲下沉增加，路面仍具有整體性；第8階段，路面開始出現(xiàn)明顯下沉，說明路面的整體性開始受到破壞；第9階段，路面底部材料受拉作用超過材料極限抗拉強度突然斷裂，路面基層內(nèi)分層處出現(xiàn)離層裂縫，測點處下沉急劇增加(圖4)。

圖4 路面縱斷面變形破壞示意

綜合試驗結(jié)果分析，路面在破壞前變形很小，路面的破壞表現(xiàn)為各層面的簡支梁彎曲，達到材料強度極限后的斷裂破壞。作為路面主承重結(jié)構(gòu)的基層發(fā)生斷裂后，路面面層同時發(fā)生破壞。已破壞路面仍以塊體形態(tài)存在，依然具有一定的強度。

3 高速公路變形破壞機理

3.1 高速公路破壞過程及判定標準

高速公路受開采沉陷影響發(fā)生變形破壞是一個自下而上逐步發(fā)展的過程，路基的下沉與地表下沉基本是一致的，路面下沉要小于路基及地表下沉，使路面與路基之間出現(xiàn)離層，當離層尺寸擴大到一定程度時，路面上附加的應(yīng)力超出其承受極限，進而發(fā)生斷裂破壞。

3.2 路面變形破壞的力學分析

試驗發(fā)現(xiàn)：在路面基層破壞前，其內(nèi)部有裂縫發(fā)育，此時路面仍能保持正常工作狀態(tài)，只有其當所受應(yīng)力大于某一臨界值時，裂縫才會擴展并導(dǎo)致路面斷裂破壞。為此，可采用斷裂力學理論，以裂縫尖端應(yīng)力強度因子是否超過材料的斷裂韌度來判斷高速公路路面的安全性。

路面基層在破壞前，可被看作是由自重引起純彎曲變形的簡支梁結(jié)構(gòu)，發(fā)育有由下至上的張開裂縫(Ⅰ型裂縫)。路面應(yīng)力強度因子(單邊裂紋受純彎曲問題)的計算式如下[15]：

(1)

(2)

(3)

式中，K為路面基層應(yīng)力強度因子；σ為路面基層底部拉應(yīng)力，由2部分荷載作用形成，一部分是面層自重荷載及行車荷載施加在基層上的均布荷載，一部分是基層自重荷載；a為裂縫長度；m、n分別為路面面層及基層高度；ρ1、ρ2分別為路面面層及基層材料密度；g為重力加速度；q為行車荷載；l為路面離層長度。

根據(jù)線彈性材料脆性斷裂準則，路面發(fā)生斷裂破壞的判據(jù)為

(4)

式中，K1為路面基層材料斷裂韌度。

4 結(jié) 論

(1)修筑材料的不同造成高速公路路基與路面對地表沉陷變形響應(yīng)的不同，兩者的不一致下沉是高速公路受開采沉陷影響發(fā)生破壞的直接原因。

(2)工作面沿高速公路縱向推進時，高速公路的破壞表現(xiàn)為內(nèi)部由下至上發(fā)育豎向裂縫的不斷擴展直至路面基層斷裂。

(3)路面在破壞前變形很小，路面的破壞表現(xiàn)為各層面的簡支梁結(jié)構(gòu)的彎曲達到材料強度極限后的斷裂。

(4)路面基層出現(xiàn)斷裂是高速公路受開采沉陷影響發(fā)生破壞的標志。利用斷裂力學理論，以路面內(nèi)部裂縫尖端應(yīng)力強度因子是否超過材料的斷裂韌度來判斷材料破壞與否，并推導(dǎo)出高速公路路面發(fā)生斷裂破壞判據(jù)的力學計算式。

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(責任編輯 石海林)

Experimental Research on Deformation and Failure of Expressway Influenced by Coal Mining Subsidence

Deng Weinan1Zhang Huaxing1Jia Lingang1,2

(1.TiandiScience&TechnologyCo.，Ltd.，Beijing100013，China；2.ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China)

The deformation and failure laws of expressway subgrade and pavement influenced by coal mining subsidence have been researched by the similar model experiment.The results showed that，the deformation of subgrade along with ground is continuous，gradually and regularly changed，and the developed cracks inside the subgrade will approach or even be compacted gradually with the working face advance; Before the failure of pavement occurs，the gap has been formed between pavement and subgrade and vertical cracks have been developed inside the pavement.In conclusion，subsidence of the pavement is not consistent with that of the subgrade and ground.It is put forward that roadbase fracture is the sign that the expressway is destroyed.The mechanical formulas as the fracture failure criterions of expressway have been derived for interpreting the deformation and failure mechanism of expressway influenced by coal mining subsidence by using linear elastic fracture mechanics.

Expressway，Coal mining subsidence，Similar model experiment，F(xiàn)racture，Criterion，F(xiàn)ailure mechanism

2015-02-24

國家科技重大專項項目(編號：2011ZX05064)。

鄧偉男(1986—)，男，助理研究員，博士。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-031-05