采动区公路路堤变形影响分析研究.pdf

采动区公路路堤变形影响分析研究孙舒(泰州职业技术学院，江苏泰州225300)摘要：煤层开采会引起地表的大幅下沉，给地面的建构筑物带来巨大的破坏?文章通过ABAQUS数值软件对安徽淮南矿区公路进行模拟，分析了由于开采引起的沉降、斜率及水平变形对公路路堤的影响，不均匀沉降会严重影响路堤边坡的稳定性和交通安全性．水平变形会引起路面的变形及破坏，，最后提出了不同情况下矿区公路路堤的加固及处理措施．关键词：路堤边坡：水平变形：沉降Abstract：Seamminingcancausethesubsidenceofthesurface，andthereforebringgreatdamagestothebuildings．ByusingthesoftwareABAQUS，thepaperconductsastudytotheminingarearoadinHuainan，ofAnhuiProvince，andanalyzestheinfluenceonroadembankmentcausedbysubsidence，slopeandhorizontaldeformation．Unevensubsidencemayinfluencethestabilityoftheslopeandsecurityofthetraffic．Horizontaldeformationcancausethedeformationanddamagetotheroad．Finally，thepaperraisesreinforcementandtreatmentmeasurestotheroadembankmentoforedistrictsindifferentsituations．Keywords：slope；horizontaldeformation；subsidence0引言煤炭资源是我国经济发展必须的资源之一．煤炭开采会造成矿区道路边坡失稳和路面变形破坏等问题川。在煤层采动变形作用下．这些公路的病害会逐渐增多，如路基的不均匀沉降、路基边坡的失稳、路基的整体下沉、中央分隔带排水不畅、雨水渗入路基、造成土基软化、强度降低等：与此同时，路基的不均匀变形超过路面材料的极值时就会造成沥青路面产生裂缝，局部塌陷、水泥路面出现错缝、断板等问题【2】。不仅会大幅度增加公路养护和维修费用．而且影响交通运输的正常运营．从而影响到人民的生命、财产安全．给国家经济建设造成巨大的损失．甚至产生不良的社会后果。本文主要以安徽淮南矿区公路为背景．研究煤层采动的不同时期对已建公路变形影响及治理措施。1工程概况淮南矿区可采煤层有2层．其中13—1层煤为主基金项目：2016泰州职业技术学院院级科研项目{TZYKY一16—16)2015年泰州职业技术学院硕博基金(TZYBS--15—3)；2016年江苏省{等学校大学生创新创业训练计划项目1201612106006Y)．采煤层．煤层厚约5m，属于厚煤层。煤层倾角12～140．采区新生界地层由第四系组成，表土层厚度194．10～485．64m．平均363．26m。采区内无大的断面构造．采区范围走向长为1000m131。道路采用整体式断面路基．路堤填筑高度h=10m．路堤宽度D=2x10m(按平原微丘区一级公路标准修建，行车道宽2x7．5m．中间带宽3m，土路肩宽2×1m)，边坡坡度角为45度(1：1)，路基采用压实度为94％煤矸石为填充材料．路面采用刚性路面．采用30cm水泥稳定碎石和15cm沥青砼【¨】。采区上覆土层及岩层、路堤填土物理和力学参数如表l所示IeI．公路与煤层位置关系见图l。。§蚀，．j-二盔材型型望坠塑图1公路与工作面关系一3l一 __叠翟冒曾囵兰竺!兰兰苎竺兰兰兰兰兰兰兰竺兰竺兰2数值模拟模型如图2所示．工作面自200m到800m。开采模拟分步进行．采Ⅸ开始从左向右推进，每步开挖25n，．分24步开挖完成．2．1基本假设为便于计算和研究．在建立采区地基模型时，做出如下基本假设：(1)地表、各岩层及煤层都为水平，即倾角为0；(2)矿岩为均质各向同性的弹塑性连续介质，且满足1110hr-coulomb准则：(3)开采前地层中不存在构造应力．自重应力为其主要应力：(4)在整个采区的延伸方向上．不存在断层等可能造成采区不连续的因素：(5)不考虑地表土渗流。2．2结果分析如图2所示．在煤层开采初期．煤层上覆岩层未出现断裂．地表下沉较少：当工作面推进距离为400m时．岩层开始断裂．地表出现严重下沉．且随着工作面向前推进．地表面下沉量愈来愈大．且亦随之向前推进、。地表形成移动盆地，出现塌陷、裂缝、台阶等多种形式的破坏变形、j需要对此进行处理加固。否则会对地面的建构筑物造成灾难性的破坏。——32———亡广-排逍_I)Om—B一州蛆l()Om+俳jⅡ500m图2地表下沉量与工作面的关系(1)地表下沉。在开采的初期．地表出现微量的均匀下沉对公路路堤的影响非常小，但随着沉降量的增大．部分路堤会进入地下水位以下，路堤在行车动荷载作用和水的浸泡作用下，使得路基路面材料强度降低．加快路基路面的破坏。(2)地表倾斜。地表不均匀的下沉将导致倾斜变形．当倾斜量过大时，会破坏路堤边坡的稳定性，形成滑坡．也会使得路面与路基之间产生滑动，如图3所示。同时还会导致路面排水困难和行车安全事故。nsX／■-o1520—：—霪耋耋。—宝■釜蠢：：兰1宝—然要：图3路堤顶面下沉量与工作面的关系_摹二盔材丝堕墅墼塑 (3)地表水平变形。表2是路堤顶面两端点各自的水平位移及变形．通过表2和图4可以发现随着工作面的推进．路堤顶部均发生了水平移动．且随之变化非常快。而变形量及水平应变随着工作面的推进也随之变大。路堤顶面基本上均处于张拉状态．从而导致路面因张拉力过大而产生裂缝。当工作面再向后推进f本次由于模型尺寸不足，未实现)，移动盆地后移，横向变形量及水平应变随之变小，直至变为负数。路面进入压缩状态．挤压应力将使路面隆起．在外荷载作用上，路面将发生更严重的破坏。表2路面水平移动及变形76^5毛4支3—2吣l0100200300400500L／m图4路堤顶面的水平应变图3处理措施通过上面的分析采动区公路由于煤层采动的影响会造成极大的破坏，如路面翻浆、破裂，边坡失稳，甚至道路整体破坏等。因此必须要对公路进行处理和加固。新建公路选线时尽量避开采动区．否则应结合开采沉陷有关理论进行科学设计．结合开采沉陷相关理论预计煤层开采变形的发展过程对其进行适当加固提高抗变形能力．当破坏严重时可先修筑临时便道。待沉降稳定后再修筑高等级公路。当采动区不可避免穿过已建公路下方时．按不同的时间点来采取措施。(1)下沉初始阶段(从地表下沉10mm开始到下沉速度小于1．67mm／d)，对不稳定局部路段进行定期巡查，及时发现人身财产安全危险问题．按制车辆载重以减小对路面的破坏。(2)下沉活跃阶段(下沉速度大于1．67mm／d)，切割路面板，调节路面板尺寸．增加路面板接缝数量及宽度以减小路面板内部应力．从而提高公路抗变形能力．后期可以改性沥青来提高路面抗水平变形能力，还可设立临时通道。减小原路面的破坏。(3)下沉衰退阶段(下沉速度小于1．67mm／d到6个月内地表下沉小于30mm止)当地表下沉系数在0．15～0．2．可以采取注浆方式来保护道路性能。4结论通过数值模拟可以得出．煤层开采初期．对地表的建构筑物的影响非常小．但是随着工作面的不断推进，其对地表的影响越来越烈，不仅会引起地表的下沉．还会导致路堤边坡失稳．路面拉伸和压缩破坏。为了避免和减轻煤层采动对公路的影响．新建公路和已建公路的处理措施也有所不同。但均要对其进行监控．注意其变化．避免其产生过大的破坏。当其进入下沉活跃期时．对其路面进行切割变形缝．释放其内部应力．后期可以采用改性沥青等措施提高路面抗变形能力．同时为了减小车量荷载对路面的破坏。可以在其周边设立临时通道。在后期还可以采用注浆等方式来提高路基强度．提高道路承载能力。参考文献f11李杰．煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响Ⅱ】．内蒙古煤炭经济，2015，6：125—126．『21侯江华．煤矸石在矿区铁路路基中的应用研究『D1．北京：北京交通大学，2007．f31孙舒，王虹，李福林，等．煤矸石浸水路堤变形稳定研究rn．江苏建材，2014，5：23—26．f41隋永芹，陈建兵，张雪华，等．煤矸石在路基施工中的应用[J1．苏州城建环保学院学报，2000，2：44—48．[51r3秀萍．煤矸石作为高速公路路基填料的应用Ⅱ】．公路交通科技，2006，2：51-54．f61刘春荣，王东权，朱玉晓．矿产废料煤矸石作为路基填料的试验研究Ⅱ】．重庆交通学院学报，2004，5：52-54作者：孙舒(1983一)，男，硕士，讲师，主要研究方向为建筑地基新技术应用。_·孟孟材型垡幽(编辑：吕锦林)(收稿日期：2016-6-20}—．33—．