采空區公路下伏廢棄立井混凝土球面蓋帽力學性能研究

竇國濤竇國舉萬戰勝黃勇博

（1.鄭州航空工業管理學院土木建筑學院，河南 鄭州 450046；2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；3.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004；4.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

1950年以來，礦產資源的大規模開采推動了河南省經濟的快速發展，由于礦產開采后留下大量的廢棄井口未得到有效密實充填，一般僅做簡單的棚蓋處理［1-4］。目前，河南省為加快構建綜合立體交通網絡，更好發揮高速公路的基礎支撐和先導引領作用，全面適應河南省經濟社會高質量發展新要求，將進一步完善高速公路網布局，由于路網規劃的需求，很多路線走廊不得不壓伏廢棄采礦立井，這嚴重阻礙了公路的修建，制約了區域的經濟發展［5-6］。

1 工程背景

G310國道鄭州市西南段進行升級改造時，發現此區域歷史上存在大量的小煤礦，開采后留下的廢棄井口，未得到有效處理，此問題嚴重影響公路的正常施工，并給公路的安全運行埋下安全隱患。

實際工程中煤礦廢棄立井的處治措施通常采用填充法、混凝土蓋板封蓋法等處治措施。當采用充填法時，存在后期填料固結壓密沉降問題。采用混凝土蓋板封蓋方法的缺點是混凝土蓋板承受較大土壓力，且蓋板下側長期受拉，容易產生微裂縫，進一步導致鋼筋銹蝕，耐久性差。因此，本研究對有技術條件進行封蓋處理的立井，提出在廢棄立井上加蓋“球面混凝土蓋帽”，然后在蓋帽上進行路基填筑的技術方案。

2 有限元模擬

2.1 模擬工況設置

廢棄立井內徑為3.4 m，壁厚為0.6 m，本研究將從以下3個方面進行模擬分析：①分析采用不同厚度混凝土平面蓋板，見圖1（a），設置為工況一～工況四，蓋板力學性能具體見表1；②分析采用不同矢跨比（矢高比上跨度）混凝土球面蓋帽，見圖1（b），設置為工況五～工況十一，蓋帽力學性能具體見表2；③對比混凝土平面蓋板與球面蓋帽的力學性能；④分析混凝土平面蓋板與球面蓋帽、不同填土厚度對其力學性能的影響。

圖1 廢棄立井處置措施

表1 工況設置（平面蓋板）

表2 工況設置（球面蓋帽）

2.2 有限元模型建立

混凝土采用C30混凝土，受力時有限元建模時，忽略鋼筋的影響，其參數取值如表3所示，單元采用實體單元solid 65。土體為黏土，其參數如表4所示，單元采用實體單元solid 45。

表3 混凝土物理參數

表4 黏土物理參數

在力的方面，本研究主要考慮了混凝土蓋板及蓋帽上方土壓力作用下，通過建立10 m厚的黏土有限元模型，土體自重通過接觸面傳遞給混凝土蓋板及蓋帽，另外也考慮了混凝土蓋板及蓋帽的自重作用。

3 結果對比

3.1 混凝土平面蓋板結果分析

表5是不同工況下混凝土平面蓋板的豎向極限位移和第一主應力極值，分析豎向極限位移數據可知，隨著蓋板厚度的增大，豎向極限位移隨之減小。當蓋板厚度為0.4 m（工況一）時，豎向極限位移為0.106 mm，當蓋板厚度為1 m（工況四）時，豎向極限位移為0.033 mm，兩者比值為0.31。且根據不同工況下的混凝土平面蓋板的豎向位移云圖可知，蓋板豎向最大位移均位于蓋板中心處。

表5 不同工況下平面蓋板位移和應力

分析第一主應力極值數據可知，隨著蓋板厚度的增大，第一主應力極值隨之減小。當蓋板厚度為0.4 m（工況一）時，第一主應力極值為0.439 MPa，當蓋板厚度為1 m（工況四）時，豎向極限位移為0.151 MPa，兩者比值為0.34。且根據不同工況下的混凝土平面蓋板的第一主應力云圖可知，蓋板的最大主應力均位于蓋板底部中心處，由于蓋板受力體系，蓋板底部中心始終會存在拉應力。

3.2 混凝土球面蓋帽結果分析

表6為不同工況下混凝土球面蓋帽的豎向位移和第一主應力極值，分析豎向極限位移數據可知，隨著矢跨比的增大，豎向極限位移也隨之增大。當矢跨比為2∶16時，豎向極限位移為0.028 3 mm，當矢跨比為8∶16時，豎向極限位移為0.074 5 mm，兩者比值為2.63。由于混凝土蓋帽厚度較厚，所以其豎向位移極小，且數值接近，但總體趨勢隨著矢跨比增大而增大，是由于矢跨比越大，蓋帽底部水平反力越小，導致蓋帽豎向局部位移有一定的差異。

表6 不同工況下球面蓋帽位移和應力

分析混凝土球面蓋帽的第一主應力極值可知，第一主應力為正值時，為拉應力；為負值時，為壓應力。分析圖中數據可知，當矢跨比為2∶16、3∶16、4∶16、6∶16時，混凝土球面蓋帽局部存在拉應力。當矢跨比為3∶16時，第一主應力極值最大，為0.166 MPa；當矢跨比為5∶16、7∶16、8∶16時，混凝土球面蓋帽整體受壓，均不存在拉應力；當矢跨比為7∶16時，第一主應力極值為壓應力，為0.02 MPa；當矢跨比為8∶16時，第一主應力極值為壓應力，為0.003 MPa。由于混凝土球面蓋帽屬于空間結構體系，應力情況復雜，最優矢跨比并非越大越好，也并非越小越好，分析圖中數據可知矢跨比7∶16時最優，是由于空間受力局部變形所決定。

根據不同工況下混凝土球面蓋帽的豎向位移云圖可知，最大位移均出現在蓋帽頂部區域，蓋帽底部位移最小。根據不同工況下的混凝土球面蓋板的第一主應力云圖可知，工況五、工況六、工況七、工況九蓋帽存在拉應力，工況一拉應力位于蓋帽頂部混凝土下側，工況五、工況六和工況九拉應力位于蓋帽底部區域。工況八、工況十、工況十一蓋帽整體均未出現拉應力。

綜上分析可知，土壓力作用于混凝土球面蓋帽時，矢跨比會影響其力學響應，當蓋帽厚度為0.4 m時，矢跨比為7∶16時，受力最為有利。

3.3 混凝土球面蓋帽與平面蓋板結果對比

圖2為混凝土球面蓋帽與平面蓋板豎向位移極值對比，分析圖2中數據可知，平面蓋板豎向位移極值要明顯大于球面蓋帽，工況一與工況五比值為3.75，工況一與工況十一比值為1.42。

圖2球面蓋帽與平面蓋板豎向位移極值對比

圖3 為混凝土球面蓋帽與平面蓋板第一主應力極值對比，分析圖3中數據可知，平面蓋板第一主應力極值為拉應力，明顯大于球面蓋帽，球面蓋帽合理調整矢跨比，蓋帽將不存在拉應力，對其耐久性能有利。

圖3球面蓋帽與平面蓋板第一主應力極值對比

3.4 填土厚度影響結果分析

圖4 為不同填土厚度下混凝土球面蓋帽與平面蓋板第一主應力極值對比，分析圖4中數據可知，隨著土體厚度的增大，混凝土平面蓋板的拉應力隨之增大；矢跨比為2∶16、3∶16、4∶16、6∶16時，混凝土球面蓋帽最大主應力為拉應力，且隨著土體厚度的增大而增大；矢跨比為5∶16、7∶16和8∶16時，混凝土球面蓋帽最大主應力為壓應力，且隨著土體厚度的增大，其絕對值也隨之增大。

圖4 不同填土厚度下球面蓋帽與平面蓋板第一主應力極值對比

4 結論

本研究主要針對公路通過廢棄立井，提出廢棄立井上加蓋混凝土球形蓋帽的處置措施，研究了其相關的力學性能，并與混凝土平面蓋板進行比較，得出以下結論。

①針對混凝土平面蓋板，隨著蓋板厚度的增大，豎向極限位移隨之減小，第一主應力極值隨之減小，豎向最大位移均位于蓋板中心處，最大主應力均位于蓋板底部中心處，由于蓋板受力體系，蓋板底部中心始終會存在拉應力。

②針對混凝土球面蓋帽，隨著矢跨比的增大，豎向極限位移也隨之增大，當矢跨比為2∶16、3∶16、4∶16、6∶16時，混凝土球面蓋帽局部存在拉應力，當矢跨比為5∶16、7∶16、8∶16時，混凝土球面蓋帽整體受壓，均不存在拉應力。

③針對相同厚度的混凝土平面蓋板和混凝土球面蓋帽，平面蓋板豎向位移極值要顯著大于球面蓋帽，平面蓋板第一主應力極值為拉應力，且大于球面蓋帽。

④隨著土體厚度的增大，混凝土平面蓋板的拉應力隨之增大；混凝土球面蓋帽最大主應力絕對值隨著土體厚度的增大而增大。