基于FLAC3D模擬分析采空區高速路基穩定性

袁曼飛 劉鈺

摘 要：通過FLAC3D數值模擬分析車輛荷載因素以及路面本身質量因素，對采空區上方公路路基的影響。模擬路基、車輛荷載、采空區自身沉降對采空區活化變形影響程度，總結采空區上方高速公路路基穩定性關鍵因素和治理方法。通過計算模擬分析發現，車輛荷載對采空區路基的影響很大，同時車輛荷載擾動能夠使采空區活化變形。在采空區上方修建公路或者鐵路應做好路基加固措施，盡量避免經過采空區中心變形敏感區域。

關鍵詞：采空區;車輛荷載;路基穩定性;FLAC3D

中圖分類號：TD325+.3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0111-04

Abstract：Through FLAC3D numerical simulation， the influence of vehicle load factors and the quality of the road surface on the roadbed above the goaf is analyzed. The influence of subgrade， vehicle load and subsidence of the goaf itself on the activation deformation of the goaf was simulated， and the key factors and treatment methods of subgrade stability of expressway above the goaf were summarized. Through the calculation and simulation analysis， it was found that the vehicle load had a great influence on the subgrade above goaf， and the vehicle load disturbance could activate the goaf deformation. To build roads or railways above the goaf， roadbed reinforcement measures should be taken， and try to avoid passing through the deformation sensitive area in the center of the goaf.

Key words：goaf;vehicle load; roadbed stability; FLAC3D

0 引言

煤炭被大規模的開采后，由于開采引起的地下空洞、孔隙、離層等欠壓實的采空區長期存在[1]。采空區帶來諸多環境災害問題，給農業生產、環境、交通等方面的發展帶嚴重影響。若在煤礦采空區上修建高速公路，車輛動荷載對高速路基施加應力和振動波，同時也會將影響傳遞到下方采空區，又進一步破壞了采動后的平衡狀態，從而導致高速路基傾斜、塌陷，褶皺等現象，危及高速公路上車輛行駛安全。FLAC3D軟件是最優秀的土木工程建模分析軟件，能夠分析模型在受到外力的動荷載和靜荷載而產生位移變化，力學變化等，在邊坡安全，基坑安全，礦山巖石移動中有廣泛應用。

文獻2采用數值模擬分析和概率積分法分析評價公路地表穩定性[2]，針對地表形變進而評價公路穩定性。文獻3用有限元分析軟件對沈大高速公路下條帶開采進行模擬研究[3]，研究高速公路下條帶開采的對路基影響;文獻4對高速公路下伏多層采空區引起的地表沉陷進行了數值模擬，主要分析采空區對地表的影響[4]。以上文獻主要采用數值模擬方法對采空區上方不同荷載形式進行模擬計算分析，缺少車輛荷載運動對路基的直接影響，同時車輛擾動影響通過路基傳遞到采空區，引起采空區活化變形又會影響路基，因而相互產生耦合作用并未闡述清楚。為了更好的弄清楚車輛荷載對采空區路基的影響，本文主要利用FLAC3D軟件，構建采空區巖層模型以及上方高速公路路基模型，研究車輛荷載對路基影響以及采空區活化變形對路基的影響，主要從路基沉降量進行分析。

1 車輛荷載與采空區路基相互作用

1.1 車輛荷載對采空區路基影響

車輛荷載本主要從載重和速度兩個方面進行研究，通過數值模擬進行計算分析，車輛在路面行駛對路面產生動荷載作用力，使路基產生形變情況[5]。為了研究車輛荷載對采空區路基的影響，改變車輛載重量來計算不同載重對路基產生最大沉降值;然后改變車輛行駛速度計算速度對路面的影響。為了進一步研究載重和速度影響嚴重程度，將不同載重在不同速度下對路基產生的沉降值進行模擬計算。這樣可以發現載重和速度對路基的影響程度，找到影響路面沉降的關鍵因素。

1.2 采空區活化變形對路基影響

地下煤層開挖后，在頂板巖層自重作用下產生垮落、破碎、離層、彎曲等巖層移動和變形，導致地表產生盆地[8]。在經過長時間壓實后仍然會有少量空洞和空隙，當發生擾動時采空區還會產生有殘余變形。高速公路修建以后，車輛荷載在運動過程中對路基產生作用力，路面不平整產生的波長和振幅會增加車輛對路基的破壞，與此同時，這些作用力傳遞到采空區的巖層內殘留的空洞、離層、裂縫等空間，會導致地下巖層產生再移動和再變形。這種移動和變形對采空區路基的破壞包括以下3種[6][8]：

（1）引起路基傾斜 。車輛動荷載擾動引起采空區活化變形并非均勻，可使路基不均勻下沉，使路面帶來傾斜。車輛荷載的擾動會引起采空區上覆巖層殘余變形，進而導致路基傾斜，破壞路面平整度，容易引發交通事故。

（2）導致隱性凹陷或塌陷 。在車輛荷載和路基的共同作用下采空區空洞、離層等開始閉合壓實。這樣路基下面會形成塌陷坑、路面凹陷坑現象，甚至地表并不出現任何跡象，具有很強隱蔽性，一旦超載車輛通過極易導致嚴重的交通事故。

（3）路面產生裂縫和褶皺。在車輛反復荷載作用下采空區會發生沉降，導致路面產生裂縫。如果沉降量過大甚至可能導致路面出現開裂或臺階。由于采動破壞，導致地下水位發生變化，有時會使路基反水，引起路基軟化，而車輛荷載在加速和減速產生水平剪應力對公路表面形成褶皺，使公路無法正常通行。

2 FLAC3D建模分析車輛荷載對采空區路基影響

2.1 構建模型確定力學參數

本次模擬工程為山西地區某高速公路段，該公路穿越煤田采空區地段較多，本次實驗選擇一個具有代表性的區段，煤厚在3.6～8.5m，平均煤厚約6m，頂板自然垮落，主要以砂巖和粉砂巖為主。采用 FLAC3D 數值模擬軟件構建采空區巖層模型，在地表構建路基模型[2，3]，路基上方構建二自由度車輛模型模擬車輛動荷載，通過改變荷載、速度等相應參數，記錄最大下沉值。對于采空區建模力學參數的選擇如表1所示。

2.2 車輛荷載對采空區路基影響的計算分析

2.2.1 數值模擬的基本數據條件。

車輛荷載對路基的影響主要從車輛載重和行駛速度兩方面因素研究;路面質量主要從路面波長與振幅的兩個參數著手研究[7]。路面高低起伏變化用正弦波形來表示，根據我國路面統計分析，通常采用的平均值為標準[5]，本次實驗取波長選為8.0m，振幅選為5.21mm[8]。我國常用車輛載重參數，小型車輛載重對路面影響較小通常可以忽略，本次實驗分別選取10t、30t、45t、60t、特殊車型80t、100t的載重作為車輛荷載;模擬不同載重對路基的影響選擇車輛行駛速度為最高限速為90km/h。為了模擬方便，所有模擬載重車輛與地面接觸形式和運動方式相同。

2.2.2 車輛荷載因素的影響

車輛荷載因素主要從車輛載重和車輛行駛速度進行模擬，主要是針對采空區中心位置路基最大沉降值進行監測，根據模擬結果整理分析如圖2所示。

為了更好分析問題，對模擬數據進行擬合、整理得到車輛荷載對路基影響分析圖。由圖2? ?（a）可知，車輛載重與最大下沉量成正比例關系，這說明車輛荷載對路基的破壞隨著車輛荷載的增加而更加嚴重，也是路基破壞的最主要形式之一。由圖2? ?（b）車輛速度對路基的影響可知，該過程可分為兩個階段：當速度小于45km/h時，隨著速度的增加呈現近似二次曲線變化，在速度為17～18km/h時達到最大沉降值;當速度大于45km/h時，隨著速度的增加下沉值緩慢增大，但是總體呈現正比例關系，變化率并不大。為了更清楚不同車輛荷載對路基的影響實際情況，采用三個不用載重的車輛在不同速度條件下進行試驗模擬，其數據成果如圖3所示。

據圖3所知，在車輛不同載重條件下，低速行駛的汽車對采空區路基影響敏感，不同載重車輛對路基影響明顯不同。經分析，當速度達到45km/h后，車輛速度對路面的影響變化較小，車輛荷載變化對路基影響更為顯著，因此，車輛速度對路基總體影響不大，車輛荷載對路基影響是值得注意的一個重要指標。

2.2.3 路面本身質量對路基的影響

路面本身質量問題主要表現是路面不平整，會引起汽車行駛安全同時也會影響公路的使用壽命。而采空區上方路基的不平整也會誘發車輛顛簸，這些顛簸以波的形式傳遞到采空區導致采空區巖體移動、活化變形等現象。這些現象進而使路基產生破壞，導致公路傾斜、塌陷坑、褶皺，裂縫錯臺等問題，影響正常交通。為了研究路面質量問題，通常假設路面形狀為正弦波，則路面不平整通常用路面波長和路面振幅兩個參數反應[7]。波長越長、振幅越小說明路越平整、越平順，公路質量越好;反之就越起伏、越顛簸，公路質量就越質量差。試驗模擬載重為30t的車輛，以90km/h的行駛，改變不同波長和振幅記錄采空區中心路基產生最大沉降值，匯總結果統計分析如圖4所示。

由圖4可知，當波長小于15m時，路基沉降值與路面波長成波浪曲變化，波長大于15m后，隨著波長增加沉降逐漸減小并趨向于一個固定值;路面振幅對路基的影響可以近似認為是線性的，隨著振幅的增加沉降量逐漸增大。因此，修建質量較好的公路對于路基以及車輛都具有一定保護作用。

3 采空區活化變形對路基的影響分析

通過上述分析，當采空區高速公路竣工后，路基本身質量基本固定，路面的波長和振幅變化非常小可以視為定量;而車輛荷載影響因素中車輛速度的變化對路基影響不嚴重，但是車輛載重對公路路基破壞較為明顯。因此，為了研究車輛荷載的擾動下采空區活化變形對公路路基的影響，選擇不同載重的車輛進行試驗，利用FLAC3D對采空區模型采空計算后，使計算力學平衡，將形變參數歸零，認為采空區已經基本穩定;然后將車輛荷載作為擾動外部荷載數據，重新計算使模型達到再次平衡，監測記錄斷面上路基最大下沉變形量。成果分析匯總如圖5所示。

由圖5分析可知，在不同載重的車輛經過采空區上方路基時，采空區會產生活化變形[9]，變形量與車輛載重有直接關系;車輛載重越大，采空區活化變形越大，但是在采空區邊沿變形相對較小。因此，在修建高速公路時在采空區上方地段應做好加固措施，減小采空區活化變形對路基破壞作用，在公路設計時盡量避免通過采空區中心沉降敏感區。

4 結語

在采空區上方建設高速公路是社會經濟發展趨勢，也是解決交通壓力行之有效的方法。但是本文只是通過數值模擬方法，對采空區上方高速公路進行初步分析，模擬計算對采空區上方修建高速公路的沉降情況，并未有實際算例進行有效驗證，但模擬計算具有一定實際工程價值。通過分析發現，車輛荷載對公路路基影響較大，此外車輛擾動誘發采空區活化變形也是修建高速公路必須考慮的一個重要因素。

參考文獻

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