采空沉陷區路基穩定性分析及處治方案

賈鵬云

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

某公路K1205+740—K1206+300段為司馬煤業1102和1103采煤工作面，受采空區影響，地表形成沉陷裂縫和沉陷盆地，造成地面大面積積水，滲水高度1～2 m，最深達4 m，形成濕軟地基，土質軟弱，對路基的穩定性造成很大影響，需要采取一定的措施，確保路基安全和穩定。

1 工程地質概況

該路段地貌上屬盆地中部平微區，地形平坦，高差較小。地形由東向西傾斜，地表出露地層主要為Q3黃土，局部為Q2粉土，河谷地帶為Q4砂土及粉土，現大部分為耕地。

地基土主要以飽和粉質黏土、粉土為主，呈軟塑-流塑狀，土黃色-灰黑色為主，片狀分布有腐殖質土，灰黑色，腥臭味，大量蘆葦根系分布。其中上部7.5～11.0 m左右呈飽和、流塑-軟塑狀，天然含水率為27%～32%，孔隙比在0.93～0.98，飽和度為94%～100%，具中高壓縮性，地基承載力基本容許值[fao]＝70～90 kPa。其下為可塑粉質黏土、中密粉土，地基承載力基本容許值[fao]＝170～180 kPa。

2 路基穩定性分析

2.1 采空區穩定性評價[1]

采空區變形是一個復雜長期的過程，采空區地基穩定性受地質條件、開采方式、采深、采厚、開采時間等多種因素影響。因此，采空區穩定性按停采時間和地表移動變形預計法來綜合評價，單一巷道采用極限平衡分析方法來進行評價。

2.1.1 巷道穩定性評價

根據《采空區公路設計與施工技術細則》（JTG/T D31-03—2011）附錄D.0.5-1：

式中：p0為路基基底壓力，除路基本身荷載外還包括行車荷載，kPa；γ為巷道上覆巖層加權平均重度，kN/m3；φ為巷道上覆巖層加權平均內摩擦角，（°）。

根據相關資料，巷道與路線前進方向夾角51°～90°，巷道位于地表下埋深264 m，設計標高下275 m，上覆土層厚度160 m，基巖平均厚度104 m。巷道底板標高均為679 m，巷道高度為3.5 m，巷道寬度為5 m。

松散土層的重度取值18.6 kN/m3，巖石重度取27.5 kN/m3，φ取值30°。p0=210 kN/m2，臨界采深Hcr，可按式（1）計算。

根據采空區的實際埋深和臨界深度的比值，可求得采空區頂板的穩定系數Fs=H/Hcr，進而對小窯采空區場地的穩定性進行評價。式中H為巷道頂板的實際深度，m；Hcr為巷道頂板的臨界深度，m。

代入式（1）計算，可得Hcr=26.57 m，巷道頂板位于路線設計標高下275 m，穩定系數Fs=10.4，根據表1穩定性等級評價標準，巷道對路基的穩定性無影響。

表1 單一巷道式采空區場地穩定性等級評價標準

2.1.2 場地穩定性評價

按煤礦工作面的停采時間，路線范圍內煤礦工作面停采時間為2～10年，根據《采空區公路設計與施工技術細則》（JTG/T D31-03—2011）表4.2.1-1進行評價（見表2），礦區大部分地表移動變形的活躍期基本結束，處于變形衰退期，采空區場地基本穩定，但殘余變形仍繼續存在，且存在時間和空間上的不確定性，對路基的穩定性有一定影響。

表2 場地穩定性評價表

2.1.3 地基穩定性評價

地基穩定性評價采用地表移動變形預計法評價。

2.1.3.1 最大移動和變形量預計

a）最大下沉量：W=mqcosα，式中α為煤層傾角；下沉系數q取0.78；m為煤層開采累計厚度。

b）最大傾斜值：i=w/r=w/(H/tgβ)，式中r為主要影響半徑。

c）最大水平移動：U=bw，式中水平移動系數b取值為0.25。

d）最大曲率值：K=±1.52W/r2.

e）最大水平變形值：ε=±1.52bW/r.

依據上述公式，經計算煤礦采空區變形主要參數見表3。

表3 采空區最大變形參數表

2.1.3.2 剩余變形量的計算

根據煤礦工作面的停采時間，估算剩余空隙率，比對穩定性評價標準，對采空區穩定性進行評價，評價結果如表4。

表4 采空區剩余變形參數表

通過計算，依據《采空區公路設計與施工技術細則》（JTG/T D31-03—2011），對采空區公路地基穩定性進行評價,采空區剩余傾斜值、曲率值和水平變形值均小于允許路基變形值，采空區已基本穩定。

2.2 采空沉陷區濕軟地基穩定性評價

2.2.1 濕軟路基穩定性分析[2]

根據《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》3.2.2采用有效固結應力法進行穩定驗算，根據理正巖土軟件計算，穩定性安全系數為1.01，不滿足規范要求。

表5 穩定安全系數容許值

2.2.2 濕軟路基沉降分析

主固結沉降采用分層總和法計算，計算參數采用壓縮模量Es，主固結沉降Sc：

2.3 綜合評價

通過以上計算分析，該段采空區的變形參數指標，剩余傾斜值、曲率值和水平變形值均小于允許路基變形值，采空區已基本穩定，對公路工程無影響。采空沉陷造成的濕軟路基穩定與沉降不滿足規范要求，需要進行處治。

3 處治方案

濕軟地基的處治方案受地形、地質、工程類型以及施工方案等影響，本項目采用擠密碎石樁[3]處治。

3.1 碎石樁設計

3.1.1 軟土地層分布

表6 軟土地層分布及路基填土高度一覽表 m

3.1.2 處治設計

碎石樁樁徑采用50 cm，樁間距1.2 m，呈梅花型布置，樁長要求穿透濕軟層，進入持力層2 m，并結合沉降計算滿足工后沉降要求，坡腳處理寬度不小于2 m。碎石樁要求碎石的粒徑2～5 cm，含泥量不大于5%。

樁頂設1 m厚墊層，墊層采用石渣，墊層的技術要求為：含泥量不大于5%，最大粒徑小于30 mm，粒徑小于20 mm的部分不超過總重的45%。

3.2 碎石樁施工

按照規定，碎石樁的施工前應做成樁試驗，試樁時要嚴格控制水壓、電流和振沖器在固定深度位置的留振時間。

3.3 碎石樁檢測

表7 碎石樁質量檢驗標準

3.4 加固前后對比

表8 加固前后對比一覽表

4 結論

本文通過對采空沉陷區的穩定性分析，采空區剩余傾斜值、曲率值和水平變形值均小于允許路基變形值，采空區已基本穩定，對路基無影響；采空沉陷造成的濕軟路基穩定與沉降不滿足規范要求，需要進行處治。通過采取碎石樁加固地基的處治方案，并且提出施工和檢測的注意要求，經檢測，該采空沉陷區處治后工后沉降滿足規范要求。