淺埋采空區(qū)對(duì)路基穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬

孫 琦，張向東，杜東寧，衛(wèi) 星，母倩雯

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000;2.遼寧省化工地質(zhì)勘查院，遼寧錦州 121000)

0 引言

采空區(qū)穩(wěn)定性及其對(duì)建(構(gòu))筑物的使用安全的影響一直是研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一［1-7］。隨著我國(guó)公路網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的新建公路穿越采空區(qū)，因此研究采空區(qū)對(duì)路基穩(wěn)定性的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在采空區(qū)對(duì)路基穩(wěn)定性的影響方面，學(xué)者們從探測(cè)、加固等多個(gè)角度進(jìn)行了深入研究。陳昌彥［8］等采用地質(zhì)調(diào)查、物探和鉆探相結(jié)合的方法研究了采空區(qū)對(duì)公路的影響;童立元，等［9-10］采用數(shù)值模擬手段詳細(xì)分析了采動(dòng)對(duì)公路的影響特征、采空區(qū)活化的機(jī)理和公路與采空區(qū)相互作用的規(guī)律;陳曉斌，等［11］基于隨機(jī)介質(zhì)理論編制了采空區(qū)對(duì)路基變形影響的計(jì)算程序;王玉標(biāo)［12］研究了采空區(qū)活化對(duì)斷層地區(qū)公路路堤穩(wěn)定性的影響;王生俊，等［13］采用FLAC3D進(jìn)行了公路下伏采空區(qū)殘余沉陷變形的數(shù)值模擬;范洪冬，等［14］利用D-InSAR技術(shù)對(duì)采空區(qū)上方的高速公路進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，建立了采空區(qū)上方沉陷預(yù)測(cè)模型;芮勇勤，等［15］采用InSAR與GPS融合技術(shù)進(jìn)行公路下伏采空區(qū)變形監(jiān)測(cè)，對(duì)工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。這些研究從采空區(qū)探測(cè)、路基變形監(jiān)測(cè)、理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等多角度對(duì)采空區(qū)路基的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，但這些研究對(duì)應(yīng)的采空區(qū)采深均在200 m以上，而很多礦區(qū)存在大量小煤窯無(wú)序開(kāi)采，采深小于100 m，對(duì)這些淺埋煤層采空區(qū)對(duì)公路路基的影響研究很少，而淺埋煤層采空區(qū)有其自身的特點(diǎn)，淺埋煤層采空區(qū)距離地表更近，因而其影響更加直接，有必要對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步地研究。

本文采用FLAC3D建立三維模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析淺埋采空區(qū)影響下公路路基的沉降規(guī)律，探討淺埋采空區(qū)對(duì)公路路基穩(wěn)定性的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析交通荷載、地下水與采空區(qū)耦合作用對(duì)路基穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

某新建公路位于呼倫貝爾礦區(qū)，開(kāi)采時(shí)間為2001-2006年。21世紀(jì)初，由于煤炭?jī)r(jià)格上漲較快，附近存在大量的小煤窯無(wú)序開(kāi)采，采空區(qū)分布面積相對(duì)較小但數(shù)量較多，新建公路無(wú)法繞避，開(kāi)采煤層為近水平煤層，煤層平均埋深為60 m，煤層頂板以粉砂巖、中砂巖為主，上覆巖層主要為砂巖和頁(yè)巖，巖層為中硬巖層，采厚為2.5 m，鉆孔探測(cè)的結(jié)果顯示，煤層頂板冒落后巖塊松散地堆積在采空區(qū)內(nèi)，采空區(qū)為松散充填狀態(tài)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)，巖石的物理力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters

2 殘余變形的數(shù)值模擬

2.1 幾何模型的建立

幾何模型尺寸為200 m×100 m×100 m，煤層走向方向與道路縱斷面方向一致，煤層傾向方向與道路橫斷面方向一致，地表為自由邊界，沒(méi)有約束，模型底部為固定約束，模型周圍為法向約束，其幾何模型如圖1。采用Drucker-Prager本構(gòu)模型，初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮巖層的自重應(yīng)力，對(duì)交通荷載、地下水滲流作用等忽略不計(jì)。各巖層的物理力學(xué)參數(shù)與表1的物理力學(xué)參數(shù)保持一致，由于煤炭開(kāi)采后煤層頂板冒落松散地充填在采空區(qū)內(nèi)，因此在煤層單元開(kāi)采完成后，將冒落帶視為充填入松散的介質(zhì)，根據(jù)相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，將冒落帶視為彈塑性材料，其物理力學(xué)性質(zhì)如表2。

圖1 幾何模型Fig．1 Geometric model

表2 冒落帶的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of caving zone

式中:I1為應(yīng)力張量的第一不變量，J2為應(yīng)力偏量的第二不變量。

巖層的屈服準(zhǔn)則為D-P屈服準(zhǔn)則，其表達(dá)式為:

2.2 數(shù)值模擬的結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，繪制地表的主斷面的下沉和水平移動(dòng)曲線，如圖2～圖5:

圖2 走向主斷面上的下沉曲線Fig．2 Settlements curve along strike direction on the main section

圖3 走向主斷面上的水平移動(dòng)曲線Fig．3 Horizontal movements curve along strike direction on the main section

圖4 傾向主斷面上的下沉曲線Fig．4 Settlements curve along inclination direction on the main section

從走向和傾向主斷面的下沉曲線可以看出，該采空區(qū)的移動(dòng)和變形仍未停止，其殘余變形對(duì)于公路路基的穩(wěn)定性仍然有較大的影響，其最大下沉值超過(guò)了0.3 m，且沉降是不均勻的，在很多地方存在小的塌陷坑，影響道路的穩(wěn)定性和正常使用。

圖5 傾向主斷面上的水平移動(dòng)曲線Fig．5 Horizontal movements curve along inclination direction on the main section

從走向和傾向主斷面上的水平移動(dòng)可以看出，水平移動(dòng)也是不均勻的，由于地表土的抗拉強(qiáng)度較低，在不均勻的水平移動(dòng)極易導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，走向方向的不均勻水平移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致道路出現(xiàn)橫向裂縫，傾向方向的不均勻移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致道路出現(xiàn)縱向裂縫，同時(shí)出現(xiàn)道路中心線偏移的現(xiàn)象，對(duì)道路的使用會(huì)造成較大影響。

從圖2～圖5可以看出，其下沉和水平移動(dòng)曲線上存在不規(guī)律點(diǎn)，這是由于采空區(qū)埋深較淺且形狀不規(guī)則，一些部分塑性區(qū)接近地表，導(dǎo)致地表出現(xiàn)了不均勻的變形，甚至是塌陷坑，這也是淺埋煤層采空區(qū)與深埋煤層采空區(qū)影響的一個(gè)重要區(qū)別，當(dāng)采深較大時(shí)，地表的變形一般都是均勻漸變的，而淺埋煤層采空區(qū)所帶來(lái)的下沉是不均勻的，因此其破壞性更強(qiáng)，對(duì)路基穩(wěn)定性的影響更大，宜采取必要的措施進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)，控制地表的沉降和水平移動(dòng)。

3 淺埋煤層采空區(qū)路基沉降的影響因素分析

3.1 交通荷載的影響分析

圖2～圖5的數(shù)值模擬結(jié)果是在未考慮交通荷載影響下所做的數(shù)值模擬，傳統(tǒng)的研究認(rèn)為，當(dāng)采動(dòng)深厚比大于30的時(shí)候，地面的交通荷載對(duì)采空區(qū)的影響微乎其微，基本上不會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)的二次活化，也不會(huì)導(dǎo)致路基沉降的明顯增加，但對(duì)于淺埋煤層采空區(qū)來(lái)說(shuō)，由于其采深較淺，深厚比小于30，因此有必要對(duì)交通荷載對(duì)路基的影響進(jìn)行研究。

在前面數(shù)值模型上施加交通荷載，將交通荷載簡(jiǎn)化為半正弦荷載進(jìn)行施加，將考慮交通荷載和不考慮交通荷載的走向主斷面上的下沉曲線對(duì)比(圖6)。

從圖6可以看出，考慮交通荷載作用下，地表的沉降值進(jìn)一步增大，這說(shuō)明交通荷載對(duì)淺埋煤層采空區(qū)路基的影響較大，這也是淺埋煤層采空區(qū)的特點(diǎn)之一。

圖6 考慮交通荷載作用下的走向主斷面下沉曲線對(duì)比Fig．6 Comparison of settlements curve along strike direction on the main section considering of the traffic load

3.2 地下水作用的影響分析

在原有模型的基礎(chǔ)上建立流固耦合模型，將巖體等效為飽和的多空隙材料，模型底部和周圍邊界為不透水邊界，模型頂部為定水頭邊界，進(jìn)行數(shù)值模擬，將考慮地下水和不考慮地下水的走向主斷面上的下沉曲線對(duì)比(圖7)。

圖7 考慮地下水作用下的走向主斷面下沉曲線對(duì)比Fig．7 Comparison of settlements curve along strike direction on the main section considering of the underwater

從圖7可以看出，在地下水的作用下，地表產(chǎn)生的下沉值會(huì)進(jìn)一步增加，這反映出地下水的作用對(duì)采空區(qū)路基的穩(wěn)定性有較大的影響，應(yīng)引起重視，必要時(shí)可采取注漿堵水等措施對(duì)其進(jìn)行加固。

3.3 采深的影響分析

分別取采深為40 m、60 m、80 m三種情況進(jìn)行數(shù)值模擬，可得到走向主斷面上的下沉曲線對(duì)比形式如圖8所示。

從圖8可以看出，采深越淺，沉降量越大，且地表的下沉曲線越不均勻，規(guī)律性越差，這反映出采深越淺，對(duì)公路路基的穩(wěn)定性影響越大。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬研究，可以得出如下結(jié)論:

圖8 不同采深的走向主斷面下沉曲線對(duì)比Fig．8 Comparison of settlements curve along strike direction on the main section of different mining depth

(1)該淺埋煤層采空區(qū)的移動(dòng)和變形仍未結(jié)束，且地表下沉曲線存在不均勻的沉降，這說(shuō)明地表會(huì)出現(xiàn)一些小的塌陷坑，地表的水平移動(dòng)曲線存在不均勻的水平移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致公路的橫向和縱向裂縫以及道路中心線的偏移，該采空區(qū)對(duì)公路路基的穩(wěn)定性仍會(huì)造成一定程度的影響，宜采取注漿措施進(jìn)行加固;

(2)交通荷載會(huì)加劇地表的下沉，影響公路路基的穩(wěn)定性，在淺埋煤層采空區(qū)范圍內(nèi)，交通荷載的影響較大，這是淺埋煤層采空區(qū)與深埋煤層采空區(qū)的一個(gè)重要區(qū)別，應(yīng)引起重視;

(3)地下水作用會(huì)導(dǎo)致地表下沉的增加，必要時(shí)應(yīng)采取注漿措施進(jìn)行堵水和采空區(qū)加固;

(4)采空區(qū)采深對(duì)公路路基的穩(wěn)定性有著重要的影響，采深越小，下沉值越大，不均勻沉降越明顯，對(duì)公路的影響越明顯。

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