馬曉松，崔文杰，谷存雷，杜 冰，于海洋，莊培芝

(1.山東高速菏澤發(fā)展有限公司,山東 菏澤 274000;2.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250102;3.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院,山東 濟(jì)南 250002; 4.魯南高速鐵路有限公司,山東 濟(jì)南 250102;5.山東高速青島產(chǎn)業(yè)投資有限公司,山東 青島 266061; 6.山東高速巖土科技有限公司,山東 濟(jì)南 250013)

我國煤炭等礦產(chǎn)資源豐富且分布廣泛。長期以來,由于非法開采、過渡亂采等原因,大量開采空洞(即采空區(qū))遺留在礦山和地下,成為制約煤炭資源進(jìn)一步開采以及影響周邊公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和正常運(yùn)營的主要危害之一[1-5]。隨著我國路網(wǎng)的不斷延伸和加密,越來越多的道路工程不可避免地要穿越采空區(qū)[6]。受施工擾動(dòng)、道路結(jié)構(gòu)(路基路面及橋隧等)荷載和行車動(dòng)載等往復(fù)作用,采空區(qū)在部分地區(qū)可能出現(xiàn)“活化”,上覆巖層隨之產(chǎn)生變形、離層、裂縫甚至破壞垮落,進(jìn)而在地表形成沉降盆地并伴隨裂縫和陷坑,嚴(yán)重威脅道路的服役性能和安全運(yùn)營。國內(nèi)外穿越采空區(qū)公路、鐵路及建(構(gòu))筑物的破壞實(shí)例常有報(bào)道[7]。

穩(wěn)定性是含采空區(qū)地層及上覆工程建設(shè)安全分析與評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容,通常采用理論分析、數(shù)值模擬和室內(nèi)外試驗(yàn)等方法開展研究[8-9]。其中,室內(nèi)模型試驗(yàn)是揭示含采空區(qū)地層失穩(wěn)機(jī)理最為直觀的手段之一。國內(nèi)外學(xué)者采用離心模型試驗(yàn)和縮尺模型試驗(yàn)對(duì)空洞的塌陷過程和機(jī)理進(jìn)行了大量研究。Al-Tabbaa等[10]基于縮尺模型試驗(yàn)研究了下伏多個(gè)土洞地基的穩(wěn)定性。Abdulla和Goodings[11]運(yùn)用離心模型試驗(yàn)?zāi)M空洞上方弱固結(jié)砂層的坍塌破壞與空洞尺寸、砂層強(qiáng)度和厚度以及上部荷載的關(guān)系。程躍輝等[12]通過相似模型試驗(yàn)?zāi)M路堤的塌陷過程,發(fā)現(xiàn)路堤下方空洞的寬度對(duì)于路堤失穩(wěn)的影響很大。李明等[13]針對(duì)軟、硬巖體沉陷變形規(guī)律應(yīng)用模型實(shí)驗(yàn)方法探索煤層開采后頂板沉陷的變化規(guī)律,為評(píng)價(jià)采空區(qū)沉陷穩(wěn)定提供了依據(jù)。劉庭金和李元海[14]基于室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了矩形空洞的漸進(jìn)破壞全過程以確定內(nèi)含空洞的地基承載力。Kiyosumi等[15]通過離心模型試驗(yàn)開展了大量含矩形空洞的堅(jiān)硬土層上方條形基礎(chǔ)承載力的研究。上述試驗(yàn)研究為含空洞地層的穩(wěn)定性分析提供了物理依據(jù),但道路與下伏采空區(qū)的空間交互形式復(fù)雜,相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍相對(duì)不足,例如對(duì)于不同偏心荷載作用下的含采空區(qū)地層穩(wěn)定性規(guī)律的試驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。

針對(duì)以上問題,本文設(shè)計(jì)開展了地表荷載作用下軟巖巷道空區(qū)穩(wěn)定性縮尺模型試驗(yàn),基于加載-位移曲線和地層顆粒位移觀測(cè)數(shù)據(jù),研究了不同埋深比(即,采空區(qū)頂部到地面的埋深與采空區(qū)自身高度的比值)和偏心距情況下含空區(qū)地層的穩(wěn)定性演化規(guī)律,可為道路下伏采空區(qū)安全評(píng)價(jià)和加固設(shè)計(jì)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 模型試驗(yàn)材料與裝置

1.1 相似比設(shè)計(jì)

本次模型試驗(yàn)結(jié)合山東省原五寺莊煤礦采空區(qū)下伏正方形巷道開展工況設(shè)計(jì)。地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告顯示:該區(qū)域巷道空區(qū)平均高度約為5 m,自下往上依次覆蓋5 m～10 m 厚的強(qiáng)風(fēng)化砂巖與風(fēng)化頁巖層和10 m～15 m厚的中粗砂層。為保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工程原型的相似性,參照文獻(xiàn)類似試驗(yàn)[16],確定各相似比尺之間關(guān)系見式(1):

Cσ=CLgCρ

(1)

其中,Cσ為強(qiáng)度相似常數(shù);CL為幾何相似常數(shù);Cρ為密度相似常數(shù)。

綜合考慮試驗(yàn)可行性和成本等因素,本次模型試驗(yàn)幾何相似常數(shù)采用CL=1/50(模型/原型)。據(jù)此,模型試驗(yàn)巷道(正方形)高度為0.1 m。上覆道路荷載采用剛性壓盤施加均布荷載,壓盤寬度為330 mm。模型試驗(yàn)上覆砂層厚度設(shè)定為200 mm;采空區(qū)巷道上覆巖層厚度分別為100 mm,200 mm以及600 mm,以研究巷道埋深比對(duì)地層穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

結(jié)合文獻(xiàn)類似試驗(yàn)的推薦取值[17],本實(shí)驗(yàn)密度相似常數(shù)為Cρ=ρm/ρp=1/1.2(模型/原型);強(qiáng)度相似常數(shù)為Cσ=1/60(模型/原型)。依托工程及相似材料參數(shù)見表1。

表1 原型與模型試驗(yàn)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)材料及物理性質(zhì)

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用PIV(Particle Image Velocimetry)顆粒追蹤技術(shù)對(duì)采空區(qū)地層失穩(wěn)變形規(guī)律進(jìn)行量測(cè)?？紤]PIV技術(shù)對(duì)表面顆粒可辨識(shí)性、分布及數(shù)量等表征條件的特殊要求,通過反復(fù)比選試驗(yàn),選定采用石膏粉(選用細(xì)度模數(shù)為200目、初凝時(shí)間約為2 h的黃氏建材石膏粉)作為膠結(jié)材料進(jìn)行相似材料配置。綜合考慮相似材料參數(shù)設(shè)計(jì)要求(如表1所示)以及澆筑過程中施工和易性的影響,依據(jù)文獻(xiàn)[18]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),最終選取相似材料配合比為:集料粗細(xì)比=1∶0.3,砂膏質(zhì)量比=3∶1,水灰比=0.55∶1。上層中砂層采用產(chǎn)于泰安市的硅質(zhì)干砂,其中值粒徑d50為0.705 mm,不均勻系數(shù)Cu為2.874,曲率系數(shù)Cc為1.407,最大和最小干密度分別為1.745 g/cm3和1.386 g/cm3。

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒?/h3>

為直接觀測(cè)采空區(qū)地層變形發(fā)展規(guī)律,本次模型試驗(yàn)在自制的二維可視化試驗(yàn)裝置中開展,如圖1所示。為減小模型試驗(yàn)側(cè)邊界尺寸效應(yīng)的影響,取模型槽寬度為2 m(即加載板中心距模型槽側(cè)邊界最小距離不小于其寬度的5倍,巷道中心距模型槽側(cè)邊界最小距離為其寬度的10倍);為減小模型試驗(yàn)底邊界尺寸效應(yīng)的影響,同時(shí)減少試驗(yàn)工作量和材料消耗量,設(shè)計(jì)模擬巷道底邊距模型槽側(cè)底邊最小距離為其高度6倍(即0.6 m)。據(jù)此,模型槽尺寸為2 m(長)×0.3 m(寬)×1.6 m(高),上部設(shè)置帶雙向?qū)к壍姆戳M梁,整體由鋼板加工焊接制成;為便于觀測(cè)分析,模型槽前側(cè)為鋼化玻璃結(jié)構(gòu);另有一套伺服加載系統(tǒng)(下雨加載板用球鉸連接)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(見圖2)。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與流程

2.1 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

本次模型試驗(yàn)旨在探究巷道空區(qū)埋深比和地表偏心加載對(duì)空區(qū)地層失穩(wěn)及變形的影響規(guī)律。正方形巷道空區(qū)高度h為10 cm,取巷道上覆巖層(相似材料)厚度H分別為10 cm,20 cm以及60 cm;將加載板邊緣距巷道中心水平距離定義為偏心距e,試驗(yàn)設(shè)置三種偏心距:e=0 cm,e=10 cm和e=20 cm。因此,本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)9種工況。

2.2 試驗(yàn)制樣

石膏砂漿相似材料攪拌完成后,在定制模具中澆筑成型;根據(jù)試驗(yàn)工況設(shè)計(jì),采用10 cm×10 cm的方形鋼管位置預(yù)留巷道(如圖3所示)。澆筑過程中使用振動(dòng)棒對(duì)模具箱中石膏砂漿進(jìn)行振動(dòng),以排除內(nèi)部氣泡保證砂漿密度均勻,并防止石膏砂漿凝固。澆筑完成后將上表面刮平,養(yǎng)護(hù)24 h后拆除頂板,而后將模具箱通過導(dǎo)軌推至模型槽內(nèi)部。

相似材料模具箱與模型槽固定后,采用雨淋法進(jìn)行上覆砂層的制備(見圖4)。為減小模具箱側(cè)壁對(duì)砂層的摩擦阻力,在模具箱底板與兩側(cè)板鋪設(shè)具有低摩擦系數(shù)的特氟龍塑料紙[19-20]。本次試驗(yàn)采用漏沙孔孔徑為15 mm,淋砂高度為200 mm,最終測(cè)得淋砂密度為1.6 g/cm3;依照上文測(cè)得砂的最大與最小干密度,計(jì)算得相對(duì)密實(shí)度Dr=65.1%,屬于中密砂;根據(jù)JTG 3430—2020公路土工試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行直剪試驗(yàn)測(cè)得此密度下干砂的內(nèi)摩擦角為41.7°。

2.3 試驗(yàn)加載與測(cè)試

上覆荷載采用高精度伺服千斤頂施加,千斤頂頂部安裝在上部反力梁上,通過在千斤頂?shù)撞堪惭b壓力分散裝置將荷載均勻施加到地基表面。加載設(shè)備上配置壓力傳感器與拉線位移傳感器,分別測(cè)量加載壓力與豎向移動(dòng)位移(采用間隔:0.1 s)。為防止加載速度過快產(chǎn)生“加速度效應(yīng)”,試驗(yàn)選用試驗(yàn)速度為2 mm/min[21]。

為獲取加載過程土體顆粒實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù),采用佳能1500D型號(hào)數(shù)碼相機(jī)對(duì)透明觀測(cè)窗(并在觀測(cè)窗上標(biāo)記基準(zhǔn)點(diǎn),如圖5所示)進(jìn)行連續(xù)拍照(拍照時(shí)間間隔為5 s),對(duì)應(yīng)照片尺寸為6 000×4 000像素。為保證照片質(zhì)量,試驗(yàn)過程采用白色補(bǔ)光燈提供穩(wěn)定光源。

關(guān)鍵試驗(yàn)流程包括:控制系統(tǒng)進(jìn)行初始值清零,將承載板緩緩下降至與砂層輕輕接觸,系統(tǒng)接觸力值不大于0.5 kN;開啟并設(shè)置觀測(cè)系統(tǒng)后,運(yùn)行程序開始試驗(yàn)加載;當(dāng)荷載位移曲線出現(xiàn)較為明顯轉(zhuǎn)折后,停止加載并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù),控制相機(jī)停止拍攝;將承載板上升至足夠高處并拆除相機(jī)與補(bǔ)光燈等拍照設(shè)備,回收砂層內(nèi)大部分干砂,結(jié)束試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 荷載-位移曲線特征

圖6和圖7為巷道位于加載板正下方和偏心距時(shí)e=0.1 m,不同覆巖厚度工況下荷載位移曲線。本次模型試驗(yàn)荷載-位移曲線均呈現(xiàn)類似特征,即:地表位移隨著荷載增大近似呈現(xiàn)線性增加(類彈性響應(yīng)階段),且所有工況該階段曲線斜率相近;位移達(dá)到一定幅值后,荷載-位移曲線斜率逐漸降低,即逐漸進(jìn)入彈塑性響應(yīng)階段;隨后,達(dá)到極限荷載值,荷載位移曲線發(fā)生突變,呈現(xiàn)脆性破壞特征。另外,圖6和圖7顯示:采空區(qū)上覆地層極限承載力與破壞時(shí)沉降位移均隨采空區(qū)上覆巖層厚度增大而增大,分析其內(nèi)在原因是由于本文試驗(yàn)工況的破壞模式主要為地表加載引起的淺層空區(qū)塌陷伴隨的地層失穩(wěn)破壞。隨著采空區(qū)上覆巖層厚度的增大(即采空區(qū)埋深變大),采空區(qū)賦存對(duì)地層承載能力的影響變小,因此地層極限承載力增大,致使地層失穩(wěn)破壞(即荷載傳遞至采空區(qū)賦存位置)所需要的地表變形變大。

圖8為不同偏心狀況下,破壞時(shí)刻地表沉降值隨采空區(qū)上方覆巖厚度的變化趨勢(shì)。結(jié)果顯示:覆巖厚度相同時(shí),無偏心工況在破壞時(shí)刻地表沉降值大于偏心加載工況,且不同偏心加載工況下破壞沉降值的相對(duì)偏差(各工況最大偏差/無偏心工況沉降值)隨埋深比增大而增大。如:覆巖層厚度為0.1 m時(shí),無偏心工況破壞時(shí)地表位移為12.21 mm,此時(shí)不同偏心狀況下地表破壞位移偏差為6.3%;覆巖厚度為0.2 m時(shí),無偏心工況破壞時(shí)地表位移為17.39 mm,此時(shí)不同偏心狀況下地表破壞位移偏差為10.8%;覆巖厚度為0.6 cm時(shí),無偏心工況破壞時(shí)地表位移為27.19 mm,此時(shí)不同偏心狀況下破壞位移偏差為18.0%。

3.2 PIV位移矢量分析

采用White等[22]提出的Geo-PIV技術(shù)對(duì)連續(xù)拍攝的圖片進(jìn)行計(jì)算處理,可獲得地層失穩(wěn)時(shí)刻顆粒位移矢量圖。

圖9顯示了無偏心情況下地層失穩(wěn)時(shí)刻顆粒位移矢量圖隨覆巖厚度的變化規(guī)律。當(dāng)覆巖厚度為1h(h為采空區(qū)高度)時(shí):受上覆荷載影響,呈現(xiàn)整體式破壞模式,上部砂顆粒發(fā)生向下以及向兩側(cè)方向的位移,并沿加載位置至石膏砂漿接觸面形成對(duì)稱的連續(xù)剪切面,剪切面與水平方向夾角約為45°;下方石膏砂漿層出現(xiàn)自交界面連通至巷道空區(qū)的裂隙帶,呈對(duì)稱分布。隨著巷道埋深(埋深比)的增大,石膏砂漿層的顆粒位移逐漸減小。當(dāng)覆巖厚度為6h時(shí),地層破壞模式呈現(xiàn)為淺層砂土層的壓入破壞,即采空區(qū)的賦存對(duì)地層失穩(wěn)模式不再產(chǎn)生影響。

圖10為覆巖厚度為1h、偏心距為1h和2h工況下地層失穩(wěn)時(shí)刻顆粒位移矢量圖。由圖10可知,隨著偏心距的增大,地層破裂面形態(tài)不再對(duì)稱。在石膏砂漿層,一條破裂面由接觸面連通至采空區(qū)頂端,另一條向下延伸至與采空區(qū)相似高度處后向右側(cè)發(fā)展。當(dāng)偏心距為2h時(shí),破裂面形態(tài)受采空區(qū)的影響不再顯著,此時(shí)地層極限承載力高于采空區(qū)位于正下方工況。

4 結(jié)論

本文開展了道路荷載作用下巷道空區(qū)地層承載和變形特性室內(nèi)模型試驗(yàn)研究?；诤奢d-位移曲線和全域變形特征量測(cè)數(shù)據(jù),分析了不同巷道埋深比和加載偏心距工況下道路下伏采空區(qū)的失穩(wěn)破壞特征,得到主要結(jié)論如下:

1)地表荷載作用下,含軟巖巷道空區(qū)地層的荷載位移曲線呈現(xiàn)典型的三階段特征:初始階段荷載-位移曲線近似線形變化(類彈性階段);后進(jìn)入屈服階段,荷載-位移曲線斜率逐漸降低;隨后,隨著位移增大,荷載跌落,呈現(xiàn)脆性破壞特征。

2)地層極限承載力隨采空區(qū)上覆巖層厚度的增大而增大,其破壞模式隨采空區(qū)上覆巖層厚度增大逐漸由含巷道失穩(wěn)的整體剪切破壞發(fā)展為上部砂土層的局部壓入破壞。

3)相同覆巖厚度情況下,地層極限承載力隨偏心距增大而先減小后增大;當(dāng)?shù)乇砗奢d充分遠(yuǎn)離下伏空區(qū)后,采空區(qū)對(duì)地層承載力的影響不再顯著,相關(guān)現(xiàn)象與剪切破裂面的大小及形狀密切相關(guān)。