孫 琦，張向東，杜東寧，衛(wèi) 星，母倩雯

(1.遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新 123000;2.遼寧省化工地質勘查院，遼寧錦州 121000)

0 引言

采空區(qū)穩(wěn)定性及其對建(構)筑物的使用安全的影響一直是研究熱點問題之一［1-7］。隨著我國公路網(wǎng)建設的不斷發(fā)展，越來越多的新建公路穿越采空區(qū)，因此研究采空區(qū)對路基穩(wěn)定性的影響具有重要的現(xiàn)實意義。

在采空區(qū)對路基穩(wěn)定性的影響方面，學者們從探測、加固等多個角度進行了深入研究。陳昌彥［8］等采用地質調查、物探和鉆探相結合的方法研究了采空區(qū)對公路的影響;童立元，等［9-10］采用數(shù)值模擬手段詳細分析了采動對公路的影響特征、采空區(qū)活化的機理和公路與采空區(qū)相互作用的規(guī)律;陳曉斌，等［11］基于隨機介質理論編制了采空區(qū)對路基變形影響的計算程序;王玉標［12］研究了采空區(qū)活化對斷層地區(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技術對采空區(qū)上方的高速公路進行變形監(jiān)測，建立了采空區(qū)上方沉陷預測模型;芮勇勤，等［15］采用InSAR與GPS融合技術進行公路下伏采空區(qū)變形監(jiān)測，對工程實踐具有重要的指導意義。這些研究從采空區(qū)探測、路基變形監(jiān)測、理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬等多角度對采空區(qū)路基的穩(wěn)定性進行了研究，但這些研究對應的采空區(qū)采深均在200 m以上，而很多礦區(qū)存在大量小煤窯無序開采，采深小于100 m，對這些淺埋煤層采空區(qū)對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，淺埋煤層采空區(qū)距離地表更近，因而其影響更加直接，有必要對其特點進行進一步地研究。

本文采用FLAC3D建立三維模型進行了數(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)對公路路基穩(wěn)定性的影響，并在此基礎上進一步分析交通荷載、地下水與采空區(qū)耦合作用對路基穩(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)，開采時間為2001-2006年。21世紀初，由于煤炭價格上漲較快，附近存在大量的小煤窯無序開采，采空區(qū)分布面積相對較小但數(shù)量較多，新建公路無法繞避，開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巖，巖層為中硬巖層，采厚為2.5 m，鉆孔探測的結果顯示，煤層頂板冒落后巖塊松散地堆積在采空區(qū)內，采空區(qū)為松散充填狀態(tài)。通過現(xiàn)場取樣和室內試驗，巖石的物理力學參數(shù)如表1。

表1 物理力學參數(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本構模型，初始應力場僅考慮巖層的自重應力，對交通荷載、地下水滲流作用等忽略不計。各巖層的物理力學參數(shù)與表1的物理力學參數(shù)保持一致，由于煤炭開采后煤層頂板冒落松散地充填在采空區(qū)內，因此在煤層單元開采完成后，將冒落帶視為充填入松散的介質，根據(jù)相關研究經驗，將冒落帶視為彈塑性材料，其物理力學性質如表2。

圖1 幾何模型Fig．1 Geometric model

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

式中:I1為應力張量的第一不變量，J2為應力偏量的第二不變量。

巖層的屈服準則為D-P屈服準則，其表達式為:

2.2 數(shù)值模擬的結果分析

根據(jù)數(shù)值模擬計算的結果，繪制地表的主斷面的下沉和水平移動曲線，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)的移動和變形仍未停止，其殘余變形對于公路路基的穩(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可以看出，水平移動也是不均勻的，由于地表土的抗拉強度較低，在不均勻的水平移動極易導致裂縫的出現(xiàn)，走向方向的不均勻水平移動會導致道路出現(xiàn)橫向裂縫，傾向方向的不均勻移動會導致道路出現(xiàn)縱向裂縫，同時出現(xiàn)道路中心線偏移的現(xiàn)象，對道路的使用會造成較大影響。

從圖2～圖5可以看出，其下沉和水平移動曲線上存在不規(guī)律點，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)影響的一個重要區(qū)別，當采深較大時，地表的變形一般都是均勻漸變的，而淺埋煤層采空區(qū)所帶來的下沉是不均勻的，因此其破壞性更強，對路基穩(wěn)定性的影響更大，宜采取必要的措施進行注漿補強，控制地表的沉降和水平移動。

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)的研究認為，當采動深厚比大于30的時候，地面的交通荷載對采空區(qū)的影響微乎其微，基本上不會導致采空區(qū)的二次活化，也不會導致路基沉降的明顯增加，但對于淺埋煤層采空區(qū)來說，由于其采深較淺，深厚比小于30，因此有必要對交通荷載對路基的影響進行研究。

在前面數(shù)值模型上施加交通荷載，將交通荷載簡化為半正弦荷載進行施加，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，地表的沉降值進一步增大，這說明交通荷載對淺埋煤層采空區(qū)路基的影響較大，這也是淺埋煤層采空區(qū)的特點之一。

圖6 考慮交通荷載作用下的走向主斷面下沉曲線對比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比(圖7)。

圖7 考慮地下水作用下的走向主斷面下沉曲線對比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，地表產生的下沉值會進一步增加，這反映出地下水的作用對采空區(qū)路基的穩(wěn)定性有較大的影響，應引起重視，必要時可采取注漿堵水等措施對其進行加固。

3.3 采深的影響分析

分別取采深為40 m、60 m、80 m三種情況進行數(shù)值模擬，可得到走向主斷面上的下沉曲線對比形式如圖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，對公路路基的穩(wěn)定性影響越大。

4 結論

通過數(shù)值模擬研究，可以得出如下結論:

圖8 不同采深的走向主斷面下沉曲線對比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)的移動和變形仍未結束，且地表下沉曲線存在不均勻的沉降，這說明地表會出現(xiàn)一些小的塌陷坑，地表的水平移動曲線存在不均勻的水平移動，會導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)對公路路基的穩(wěn)定性仍會造成一定程度的影響，宜采取注漿措施進行加固;

(2)交通荷載會加劇地表的下沉，影響公路路基的穩(wěn)定性，在淺埋煤層采空區(qū)范圍內，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)的一個重要區(qū)別，應引起重視;

(3)地下水作用會導致地表下沉的增加，必要時應采取注漿措施進行堵水和采空區(qū)加固;

(4)采空區(qū)采深對公路路基的穩(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，對公路的影響越明顯。

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