李國和

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司軌道交通勘察設計工程實驗室，天津 300251)

基于洞頂巖體應力傳遞的小型采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法研究

李國和

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司軌道交通勘察設計工程實驗室，天津 300251)

淺埋洞穴及小型采空區(qū)穩(wěn)定性受頂板巖體結構強度、側壁穩(wěn)定性及上部荷載大小等多種因素影響，在地基穩(wěn)定性評價中系統(tǒng)考慮這些因素的影響是保證評價結果真實可靠的關鍵。根據(jù)巖溶洞穴及小型采空區(qū)等地下空洞的分布特征，采用基于洞頂上方巖體應力傳遞的力學平衡分析方法進行洞穴穩(wěn)定性評價，綜合考慮空洞側壁穩(wěn)定和黏聚力c值的影響，推導臨界深度計算公式，探討了相關參數(shù)的取值方法。實例計算分析結果表明，本方法綜合考慮洞穴側壁穩(wěn)定和黏聚力c值對洞頂穩(wěn)定性的影響，使計算結果更符合客觀實際，適于對淺埋洞穴的地基穩(wěn)定性評價。

鐵路；小型采空區(qū)；地基穩(wěn)定性；評價方法

1 概述

目前，對淺埋洞穴及小型采空區(qū)地段的地基穩(wěn)定性分析有多種計算方法，包括預計法、解析法、半預測半解析法及數(shù)值模擬方法等[1，2]。其中，力學解析法是目前洞穴及小型采空區(qū)穩(wěn)定性評價中最常用的方法。在力學解析方法中，比較常用的計算方法有兩種：一種是基于洞頂上方巖體應力傳遞的力學平衡分析方法；另一種是基于有界破裂區(qū)的計算?！惰F路工程地質手冊》[3]和《工程地質手冊》[4]均推薦了第一種方法，即通過力學平衡分析方法，得出臨界深度的計算公式，用以評價采空區(qū)建筑場地的適宜性。

應力傳遞實質上是洞室開挖后應力重分布，導致洞頂上方巖體受下沉力的同時又受到兩側巖體的夾持作用，即洞頂上方巖體卸載，而兩側巖體又對其加載?；谶@一假定的計算方法目前多采用巖柱理論進行理論公式推導[5]?！惰F路工程地質手冊》給出了小型采空區(qū)地基穩(wěn)定性計算的詳細過程，首先對空洞頂板受力條件進行了一定的簡化，并基于巖柱理論中松散體強度理論進行公式推導，在公式推導過程中，未考慮空洞側壁穩(wěn)定及黏聚力c值對頂板穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)眾多資料，手冊中推薦的洞頂巖柱力學平衡解析法在工程中得到了較為普遍的應用，尤其近些年在公路工程建設中對于小型采空區(qū)的評價[6]。如李滿囤[7]研究了小煤窯采空區(qū)空洞頂板穩(wěn)定性及臨界深度問題，并將其應用到太古二級公路采空區(qū)治理中。刁心宏[8]等采用理論和半定量方法對昌金高速公路金魚石路段路基下采空區(qū)的穩(wěn)定性進行了評估，除采用力學平衡分析法外，還采用普氏塌落拱法及頂板坍塌自行堵塞估算法等半定量方法進行對比分析。向賢禮等[9]針對高速公路施工過程中遇到的路基巖溶地質情況，將定性、半定量方法應用到某高速公路巖溶路基的分析評價，其中所采用穩(wěn)定系數(shù)法也是基于洞頂巖柱力學平衡分析的原理。近年來，采空區(qū)對鐵路的影響也越來越嚴重，采空區(qū)穩(wěn)定性評價工作逐漸受到重視，已有鐵路工程技術人員將評價結論用于鐵路的選線及設計中[10-11]。

根據(jù)對多處采空區(qū)穩(wěn)定性評價的結果表明，對于頂板相對比較破碎的淺埋小型采空區(qū)，可忽略黏聚力的作用，但空洞側壁的影響不可忽略，尤其對于那些埋深小但采高比較大的洞穴，采用手冊中的評價方法得出的臨界深度值會比實際小很多，因此，給工程留下很大的隱患。而對于頂板巖體完整性較好的洞穴評價，采用手冊中提供的方法則忽略了黏聚力的作用，這樣又會使評價結果趨于保守，給工程建設和洞穴治理造成不必要的浪費。綜合考慮洞穴側壁穩(wěn)定及頂板巖體黏聚力的作用，采用基于洞頂上方巖體應力傳遞的力學平衡分析方法，對小型采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價公式進行了重新推導，并進行了實例計算分析。

2 理論分析

(1)相關手冊的計算方法

對于埋深很淺的洞室，當采用巖柱理論計算時，洞頂壓力等于上部巖層的全部重力，即

(1)

式中P——洞頂圍巖壓力；

γ——巖體容重；

H——洞室埋置深度。

當埋置深度加深時，巖柱除了自身的重力作用，還受到兩側巖體的約束，即夾持力的作用。洞頂巖柱受力分析見圖1。

圖1 洞穴頂部巖體應力平衡計算簡圖

根據(jù)巖柱理論，當洞穴埋深H增大到一定程度后，頂板上方巖柱的下沉力與夾持力恰好保持平衡(即洞頂壓力P為0)而不塌陷，此時的洞穴埋深稱為臨界深度?；谏鲜黾僭O，《鐵路工程地質手冊》中首先建立巷道頂板的壓力P與深度關系H方程

(2)

進而計算頂板巖層自然平衡時的臨界深度H0，用H與H0的關系來評價小型采空區(qū)的穩(wěn)定性。其中，γ為巖層容重，2a為洞穴寬度，φ為內摩擦角。

(3)

當考慮建筑物基底壓力R時，臨界深度計算公式為

(4)

上述公式假定巖體面運動所發(fā)生的摩擦力τ=σtanφ，而巖體的黏聚力C=0。此時，利用上述公式計算臨界深度H0會出現(xiàn)兩種后果，首先，計算結果偏大；其次，φ值越大，H0隨之增大，這與實際情況不符。在上述公式假設中，也未考慮空洞側壁穩(wěn)定性影響。當采高較大時，采用上式計算會導致計算結果偏小，即臨界深度小于實際安全深度，為工程留下隱患。

因此，本文考慮洞穴側壁穩(wěn)定和黏聚力C值的作用，對上述公式進行了重新推導。

(2)力學模型分析及公式推導

當考慮側壁穩(wěn)定性和黏聚力影響時，受力形式如圖2所示。

圖2 考慮側壁穩(wěn)定和黏聚力的洞頂巖體應力平衡計算簡圖

考慮洞室兩側的巖體可能下滑，巖柱寬度適當增大，取側向滑動面與垂直線的夾角按擋土墻理論取(45°-φ/2)。由此可以認為作用在洞室頂部的圍巖壓力等于巖柱的重量減去兩側滑動面上的摩擦力和黏結力。

(5)

距地面深度z處以上作用在巖柱側面的夾持力(摩擦力和黏結力)強度為

(6)

式中，ez為距地面深度z處的主動土壓力強度。

根據(jù)朗金土壓力理論，當不考慮松散巖體黏聚力時，作用在墻體上的主動土壓力強度為

(7)

考慮黏聚力時

(8)

取單位長度墻體(一般為1 m)，將式(8)沿深度積分，可得巖柱一側所受到的總夾持力(總摩擦力和總黏結力)

(9)

當不考慮黏聚力時

(10)

當考慮黏聚力時

(11)

作用在洞頂?shù)目倗鷰r壓力為

(12)

(13)

其中，G為沿洞室走向單位長度巖柱的總重力。

將式(10)和式(11)分別代入式(12)，即可得到作用在洞頂?shù)膰鷰r壓力。

不考慮黏聚力時

(14)

考慮黏聚力時

(15)

根據(jù)上述公式，當深度增大，作用在洞頂?shù)膲毫蜁p小。當深度增大到一定程度，洞頂壓力P為0，此時的深度H即為所要求得的安全深度，也稱臨界深度。

當不考慮黏聚力時，利用式(14)求得

(16)

當考慮黏聚力時，利用(15)式求得

(17)

考慮上部荷載Q時，將Q轉化為沿巖柱表面均布荷載，荷載強度為q，則在單位長度巖柱表面上有

(18)

此時，作用在洞頂?shù)目倗鷰r壓力為

(19)

將式(10)和式(11)分別代入式(19)，即可得到考慮上部荷載時作用在洞頂?shù)膰鷰r壓力。

不考慮黏聚力時

(20)

考慮黏聚力時

(21)

(22)

將a1=a+h·tan(45°-φ/2)代入式(22)中得

(23)

(24)

則有

(25)

解方程得

(26)

(27)

(3)計算參數(shù)選取

在上述公式計算中，土體C值和φ值可由鉆探取原樣試驗得出，巖體C值和φ值有條件時可進行原位巖體試驗得到。當無條件進行原位試驗時，可參照相關手冊根據(jù)巖體特征查表經(jīng)類比分析來取值?！稁r土工程試驗監(jiān)測手冊》、《工程地質手冊》、《鐵路工程地質手冊》等中均總結了國內外現(xiàn)場巖體抗剪試驗部分成果。其中，在《巖土工程試驗監(jiān)測手冊》[12]中詳細列舉了國內外一些典型工程巖石現(xiàn)場直剪試驗數(shù)據(jù)，可供參數(shù)選擇時參考。

《鐵路工程設計技術手冊—隧道》[13]中，收集了552組巖石和土體的野外抗剪試驗及1422組室內抗剪試驗所得到的C、φ值，經(jīng)統(tǒng)計分析給出各類圍巖的計算摩擦角(表1)。

表1 各級圍巖計算摩擦角

在實際應用中，可先根據(jù)洞穴圍巖主要工程地質條件確定圍巖級別，再利用表1給出φ值。

3 實例驗算

以某鐵路經(jīng)過的山東招遠一小型金礦為例，采用上述方法計算臨界深度。該礦礦床性質為花崗巖區(qū)熱液成礦，當?shù)胤Q硫化礦?，F(xiàn)場采樣初步鑒定為黃鐵絹英巖，礦物成分主要為石英、絹云母、黃鐵礦和金等金屬。圍巖為花崗巖，局部蝕變成為絹英花崗巖。

(1)計算參數(shù)選取

礦脈平均厚3 m，傾角75°～80°，采空范圍寬度平均3 m。根據(jù)現(xiàn)場調查及訪問，巷道寬度1.8 m，高度2.0 m。采空范圍沿礦脈延伸，最大寬度不超過4 m，高度一般為4 m，長為100 m左右。由于金礦采礦范圍狹窄，屬于小型采空。

分別對兩處礦脈附近花崗巖取樣進行巖石試驗。巖-1節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖-2相對較完整。巖石力學性質試驗結果見表2。

表2 巖石試驗結果

根據(jù)現(xiàn)場調查及巖石試驗結果，確定巖-1取樣點附近圍巖為硬質巖，鑲嵌結構。巖-2取樣點附近圍巖為極硬巖，整體塊狀結構。

在《巖土工程試驗監(jiān)測手冊》中列舉了國內外幾個典型花崗巖地區(qū)水利水電工程巖體抗剪強度試驗結果(表3)?，F(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)表明，花崗巖體抗剪強度參數(shù)與巖體結構和風化程度關系密切，其中摩擦系數(shù)隨裂隙發(fā)育程度及風化程度的降低而緩慢增長，而黏聚力卻成倍增長。

表3 花崗巖現(xiàn)場直剪試驗數(shù)據(jù)

參照表1和表3，巖-1附近巖體為硬質巖，裂隙較發(fā)育，圍巖級別為Ⅲ級，φ值取55°，c值取200 kPa；巖-2附近巖體為極硬巖，結構較完整，圍巖級別為Ⅱ級，φ值取67°，C值可取800 kPa。

(2)路基基底單位壓力取值

填土高度按鐵路設計斷面取1.5 m，列車荷載按國鐵Ⅲ級換算為土柱高度3.3 m，填土容重為18 kN/m3，則基底壓力為q=86.4 kN/m2。

(3)計算結果分析

考慮不同的條件，對兩處礦脈采空區(qū)的臨界深度分別進行計算。計算參數(shù)見表4，計算結果見表5。驗算結果表明，臨界深度受洞穴跨度、洞穴高度、巖體抗剪強度參數(shù)、上部荷載等多因素影響。其中，洞穴跨度2a的影響最為顯著。黏聚力C值和洞穴高度h的影響也相對較大。C值越大，H0越小，洞穴頂板越穩(wěn)定。而h增大，H0也隨之增大。

表4 采空區(qū)及巷道臨界深度計算參數(shù)

表5 采空區(qū)及巷道臨界深度計算結果

(4)地基穩(wěn)定性分區(qū)評價

采用手冊中提供的評價思路，根據(jù)H與H0的關系來評價淺埋洞穴及小型采空區(qū)地基穩(wěn)定性。評價標準為：

當H

當H0

當H>1.5H0時，地基基本穩(wěn)定。

采礦資料和現(xiàn)場調查結果表明，Ⅰ號礦體巷道及采空區(qū)頂板埋深約50 m，Ⅱ號礦體巷道及采空區(qū)頂板埋深約80 m。對比埋藏深度與臨界深度的關系可以判定，Ⅰ號礦體內巷道地段地基基本穩(wěn)定，采空區(qū)地段地基不穩(wěn)定；Ⅱ號礦體內巷道地段地基基本穩(wěn)定，采空區(qū)地段地基基本穩(wěn)定。

根據(jù)評價結果，提出如下建議：(1)對Ⅰ號礦體采空區(qū)地段的鐵路線路改線或對下伏采空區(qū)加固處理；(2)其他地段采取必要的監(jiān)測措施。該鐵路建設過程采納了本文提供的評價結論和建議措施，經(jīng)過十余年的成功運營檢驗，證實了本文提出的評價方法的合理性和可靠性。

4 結論

(1)本文基于洞頂巖體應力傳遞的基本假設，綜合考慮洞穴側壁穩(wěn)定及頂板巖體黏聚力的作用，建立了基于洞頂上方巖體應力傳遞的力學平衡分析模型，并推導出淺埋洞穴及小型采空區(qū)的地基穩(wěn)定性評價中的臨界深度計算公式。

(2)通過實例分析，闡明了采用基于洞頂上部巖體應力傳遞方法進行小型采空地基穩(wěn)定性評價的條件、步驟、參數(shù)取值方法及評價標準。

(3)本方法綜合考慮了小型采空區(qū)側壁穩(wěn)定和黏聚力c值對洞頂穩(wěn)定性的影響，適于對淺埋洞穴及小型采空區(qū)的地基穩(wěn)定性評價。

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Study on Evaluation of Small Goaf Stability Based on Stress Transfer in Rock Mass

LI Guo-he

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

The roof stability of shallow holes and small goaf are affected by many factors， including structural strength of rock mass， sidewall stability， upper load and etc. The foundation stability evaluation system in perspective of the influence of these factors is the key to ensure true and reliable evaluation. According to distribution features of karst caves， small gob and other underground cavities， mechanics equilibrium analysis based on the stress transfer of rock mass above the top of cave is adopted to evaluate the stability of cave with comprehensive consideration of the stability of side wall and the value of cohesive force. Calculation formulas for critical depth are deduced， and methods for related parameter selection are discussed further in this paper. The calculation results of project example show that this method takes into account comprehensively the stability of cave wall and cohesion values with computational results more consistent with the reality， and is suitable for stability evaluation of shallow caves.

Railway; Small goaf; Stability of foundation; Evaluation method

2015-03-11；

2015-04-03

李國和(1967—)，男，教授級高級工程師，2000年畢業(yè)于中國科學院地質與地球物理研究所，獲地質工程專業(yè)博士學位，E-mail:guohe.li@163.com。

1004-2954(2015)11-0074-05

U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.018