張普綱

(1.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護交通行業(yè)重點實驗室，山西太原 030006;2.山西省交通科學研究院，山西太原 030006)

采空區(qū)高速公路路基破壞的數(shù)值模擬分析

張普綱1，2

(1.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護交通行業(yè)重點實驗室，山西太原 030006;2.山西省交通科學研究院，山西太原 030006)

現(xiàn)沿用的按Ⅰ級破壞作為高速公路破壞的變形參考值造成了煤炭資源的浪費，本文通過數(shù)值模擬手段研究采空區(qū)高速公路路基的破壞，指出高速公路路基能承受地表水平變形Ⅱ級變形(即水平變形≤4mm/m)，據(jù)此進行采空區(qū)處治理設(shè)計與煤柱留設(shè)計算，能夠節(jié)約一定的煤炭資源量，節(jié)約建設(shè)成本，從而為相關(guān)工程設(shè)計與施工提供理論指導。

采空區(qū);高速公路;路基結(jié)構(gòu);變形;數(shù)值模擬

1 問題的提出

受采空區(qū)地表變形的力學牽制，上覆高速公路路基產(chǎn)生變形易造成行駛車輛重心偏移，水平變形和移動使路面受拉伸開裂、受壓縮隆起，路面產(chǎn)生波浪狀起伏，可能導致高速行駛車輛騰空、翻車等事故。

采空區(qū)域或壓煤段高速公路路基的保護目前沿用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中“礦區(qū)建 (構(gòu))筑物保護等級劃分”中規(guī)定，高速公路屬于Ⅰ級保護建 (構(gòu))筑物。多以“規(guī)程”中磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級中的Ⅰ級破壞作為高速公路破壞的變形參考值(即水平變形值＜2mm/m)，依此進行采空區(qū)治理設(shè)計與壓覆煤炭資源量計算，國內(nèi)外還沒有相關(guān)規(guī)程或標準給出一個通用的高速公路破壞變形值。工程實踐表明，偏于保守，沒有考慮高速公路本身的結(jié)構(gòu)特點以及其與地表之間的相互作用關(guān)系。對于原有的巖層移動角是否適合作為高速公路保護煤柱設(shè)計的參考值，提出了新的疑問。在確保公路安全的前提下，滿足提高煤炭采出率的要求需要根據(jù)高速公路的特點，研究適合高速公路變形的巖層移動角值來設(shè)計保護煤柱。本文試圖用數(shù)值模擬的方法來確定高速公路破壞值，忽略地區(qū)條件對高速路的影響，設(shè)計模型使高速公路路基發(fā)生破壞，達到破壞的臨界值即認為是高速公路破壞的臨界變形值。

2 采空區(qū)公路路基抗變形能力的數(shù)值模擬

確定拉伸破壞變形值的模型設(shè)計思路是:將高速公路橫斷面模型一側(cè)固定，在另一側(cè)路基的底部加載一定的速率使其在底部產(chǎn)生水平拉伸直至產(chǎn)生路基破壞，單位長度上的位移量即為拉伸破壞的臨界值。

2.1 模型的建構(gòu)

用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模擬模型。X，Y，Z方向分別為高速公路路基走向、路基橫斷面方向及垂直路基平面方向?？紤]邊界影響，模型X方向為0～500m，共500m，目的是加載速率時使加載層土體有足夠的壓縮空間，以免高速公路底部未破壞前停止速率加載;Y方向為0～2m，共2m;Z方向為速率加載層和高速公路路基，分別為0～10m和10～15m，共15m。

模擬試驗高速公路路面寬度25m，路基底部寬度為39m，X方向上分別對應(yīng)于7～32m及0～39m。按照X方向和Z方向單位長度均為1m網(wǎng)格，共計4010個單元，17091個節(jié)點。模型 (部分)如圖1。

圖1 高速公路與速率加載層位置關(guān)系

本次模擬選用適用于巖土體材料的摩爾－庫倫本構(gòu)模型。其初始邊界條件為:模型底部邊界固定、頂部為自由邊界、模型前后邊界施加水平約束、模型高速公路左半側(cè) (X方向－0.1～20.1m處)施加3個方向的約束，模型右邊界施加水平約束。

2.2 試驗過程

根據(jù)初始邊界條件，使模型在重力作用下達到應(yīng)力平衡，此時模型沒有變形破壞。

將整個模型所有節(jié)點X，Y，Z方向的位移值歸零，釋放模型右邊界，加載層各節(jié)點加載固定的沿X方向的速率，速率加載位置如圖2所示。

圖2 模型初始破壞發(fā)展

本次模擬高速公路的破壞原則是路基主體部分(不包括邊坡)發(fā)生損壞，為此，在數(shù)值計算過程中，記錄路基與加載層接觸面和高速公路橫截面相交線上各節(jié)點每步的位移值，并且在模型右側(cè)距離固定端225m設(shè)置一個監(jiān)測點 (坐標為 (245，0，3))，以監(jiān)測模型是否因為土體壓縮到極限導致加載層速率加載失敗，加載層不再有位移發(fā)生。模擬計算表明，最早出現(xiàn)拉伸破壞的是9021號單元，此時破壞部分位于高速公路路基下部，破壞還未能影響到高速公路。隨著加載的深入，拉伸破壞加劇，當模型破壞發(fā)展到圖3和圖4之間時，高速公路開始發(fā)生破壞，由于破壞單元左側(cè)固定，其位移為零，單元底部右側(cè)節(jié)點的位移即為拉伸變形破壞值。破壞發(fā)展到圖3時，即將發(fā)生破壞的高速公路單元右側(cè)監(jiān)測點位移值約4.78mm，其位移發(fā)展曲線見圖5。

圖3 模型破壞發(fā)展

圖4 模型破壞發(fā)展

圖5 高速公路破壞前監(jiān)測點位移

發(fā)生破壞的高速公路單元右側(cè)監(jiān)測點位移值約4.93mm，其位移發(fā)展曲線見圖6，此時坐標為(245，0，3)的監(jiān)測點的位移繼續(xù)成增加走勢，如圖7，證明右側(cè)土體未被完全壓實，加載層速率加載依然有效。通過X方向應(yīng)力云圖顯示 (圖8)，破壞單元處拉應(yīng)力值介于2×105～4×105MPa之間，基本達到了材料的抗拉強度極限2.5×105MPa。

2.3 實驗結(jié)果分析

圖6 高速公路開始破壞監(jiān)測點位移

圖7 土體壓縮監(jiān)測點位移

圖8 高速公路開始破壞X方向應(yīng)力分布

綜上分析，經(jīng)過數(shù)值模擬計算，高速公路破壞的變形值在4.78～4.93mm/m之間。如果按磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級地表變形劃分，高速公路可承受地表水平變形Ⅱ級變形 (即水平變形≤4mm/m)，同時留有一定的安全系數(shù)。

3 工程實例

某高速公路下部為一煤礦，走向與煤層平行，平均采深約170m，采厚為5m，煤層傾角2°，工作面長×寬為1200m×250m，第四系表土層較薄。對地表700m長度的觀測線進行多次觀測，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)求取了地表Ⅰ級變形和Ⅱ級變形巖層移動角。實踐表明，該高速公路上部能夠承受Ⅱ級變形。

(1)移動角值 根據(jù)工作面和測點位置及觀測結(jié)果，以水平變形值作為求取巖層移動角的參照標準。在圖9中，地表2.0mm/m和4.0mm/m水平變形點距工作面邊界水平直線距離分別為126m和95m。鑒于煤層屬于近水平煤層，第四系松散層厚度可不計，此時，巖層移動角分別為βⅠ=γⅠ=δⅠ=53°，βⅡ=γⅡ=δⅡ=61°。

圖9 巖層移動角的求取

(2)解放煤量 取高速公路的剖面圖 (圖10)，在高速公路路基側(cè)外加15m維護帶，得A，B兩點，以53°和61°引直線，與煤層交與點 a1，a2，b1，b2四點，即以地表Ⅰ級變形和Ⅱ級變形所得巖層移動角設(shè)計的高速公路煤柱保護邊界線。

圖10 高速公路煤柱設(shè)計

在剖面圖中，a1b1=a2b2=33.87m;a1a2=243.47m;b1b2=311.21m;因兩煤柱壓煤的質(zhì)量密度、煤層傾角、工作面走向長度、煤層厚度均相同，因此按I級和II級設(shè)防的煤柱壓煤比為:

在該地質(zhì)采礦條件下，以地表Ⅱ級變形所得巖層移動角設(shè)計的高速公路保護煤柱的壓煤量是地表Ⅰ級變形所得巖層移動角設(shè)計的高速公路保護煤柱的壓煤量的78.23%，即該方法設(shè)計減少壓煤約22%。

4 結(jié)論

不同的建(構(gòu))筑物承受的變形能力不同，根據(jù)高速公路的特點，通過數(shù)值模擬計算，得出高速公路可承受水平變形值為4.78～4.93mm/m之間的地表變形量，并在某礦保安煤柱留設(shè)工程實踐中進行了應(yīng)用。如果按磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級地表變形劃分，高速公路可承受地表水平變形Ⅱ級變形 (即水平變形≤4mm/m)，同時留有一定的安全系數(shù)。

［1］陳新明，李小雙，郭文兵.高速公路下采煤的可行性分析［J］.能源技術(shù)與管理，2007(5):143－144.

［2］靳曉光，王建華，康 勇，等.高速公路壓煤區(qū)安全煤柱留設(shè)及其對路基穩(wěn)定性的影響［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，2005，16(1).

［3］ Jonce C J F P，O'RourkeT D.Mining Subsidence Effects on Transportation Facilities［C］ .Geotechnical Special Publication，1988(19):107－126.

［4］余學義.采動區(qū)地表剩余變形對高等級公路影響預計分析［J］.西安公路交通大學學報，2001(4):9－12.

［5］王成祥，冉紅平.高速公路采空區(qū)沉降觀測技術(shù)的應(yīng)用 ［J］.山西交通科技，2010(5):36－38.

Numerical Simulation of Expressway Roadbed over Mined Gob

ZHANG Pu-gang1，2
(1.Communication Industrial Key Laboratory of Loess Region Highway Construction＆ Maintenance，Taiyuan 030006，China;2.Shan'xi Provincial Communication Science Research Institute，Taiyuan 030006，China)

Deformation value of expressway influenced by mining coal which is selected asⅠlevel failure in current standard will result in coal resource waste.By numerical simulation，this paper indicated that roadbed of expressway could bear surfaceⅡ level horizontal deformation(≤4mm/m).On the basis of this，gob treatment and coal－pillar design was made to save some coal resource and construction cost，and theoretical reference could be provided for similar engineering design and construction.

gob;expressway;roadbed structure;deformation;numerical simulation

TD325.3

A

1006-6225(2012)03-0074-03

2012－02－20

張普綱 (1970－)，男，山西平遙人，工學碩士，工程師，從事公路下開采變形研究。

［責任編輯施紅霞］