煤矿采空区对公路路基稳定性影响分析

煤矿采空区对公路路基稳定性影响分析

通过对煤矿采空区地表移动变形特征的分析，并对高速公路路基与煤矿采空区相互作用规律的研究，可以发现采空区的地表移动变形对公路路基的影响作用和机理，并通过对作用机理的分析得出了路基所受地基反力分布規律。根据其反力的分布规律，可以提出采空区路基稳定性。

标签：采空区；路基；稳定性分析

1 引言

为了进一步研究在西南山区采空区对路基稳定性的影响，本文通过应用二级模糊综合评判的理论知识，以重庆南万高速公路为例，分析了煤矿采空区对公路路基移动与变形的影响，对采空区公路路基反力的分布规律进行了研究。

2 公路路基移动与变形的影响

2.1 公路路堤附加荷载的作用

公路路堤附加荷载一般与路堤填筑高度成正比，路堤填筑高度越高，对地表的附加荷载越大。另外，公路路堤附加荷载也与填筑材料和车辆的运行有关。

公路路堤附加荷载随着路堤填筑高度而增大，且与车辆运行情况和填筑材料也有关。据文献表明，煤矿采空区地表的水平位移和沉降量与公路路堤荷载成正比，如图1所示。因此，公路路堤附加荷载越大，受煤矿采空区的影响也就越大。

图1 不同路堤荷载时的地基移动和变形曲线

2.2 采空区地表横向水平移动对路基影响

采煤沉陷在垂直方向上下沉的同时水平面上也会有位移产生，且横向水平位移与路线方向垂直，这会改变路线的方向。相关文献资料也表明：公路路基会随着煤矿采空区地表横向水平位移一起横向位移。但是，通常公路路基的横向位移是连续的、大范围的、渐变的且横向移动量较小、车辆行驶灵活机动，所以，煤矿采空区地表横向水平位移对公路路基的影响较小。

3 煤矿采空区公路路基反力的分布规律

3.1 煤矿采空区公路路基反力的传统计算方法

传统的煤矿采空区公路路基反力的计算中，假设煤矿采空区路基所受的反力和路基中线是对称分布的，公路路基位于正曲率区（受拉区）的，路基中心反力最大，位于负曲率区（受压区）的，两端的反力最大。计算公式如下所示：

式中：u0-公路路基所受的最大反力；L0-公路路基宽度，x为距路基边缘的距离。

因此，可根据上式推导出正曲率作用状态下公路路基反力的分布为：

全部嵌入状态：

悬空状态：

式中：b0=1+2l；l=F1/F0；F1-路基半幅宽度，F0-公路路基受采动影响的长度；m=R0/R；R0-临界曲率半径；R-公路路基实际曲率半径。

事实上，利用传统方法计算时，假设煤矿采空区公路路基反力和路基中线是对称分布的，这种说法并不完善。主要有以下几个原因：没有考虑煤矿采空区地表与公路路基的协同作用；没有考虑不同的公路路基刚度的差异；没有考虑不同的煤矿采空区区域地基系数的区别；没有考虑位于煤矿采空区的不同位置的公路路基所受反力的不同；没有考虑公路路基所受反力最大点的位置。由于传统计算方法对煤矿采空区公路路基反力和附加内力估计过高，使公路路基的维护费用增加。

3.2 煤矿采空区公路路基反力的动态变化规律

公路路基的自重荷载；公路路基受影响的长度、高度、刚度；公路通车后煤矿采空区地表变形大小、路基所传递的可变动荷载、地表变形的分布、地基系数、公路路基所处的位置等，这些影响煤矿采空区公路路基所受反力的因素决定了煤矿采空区公路路基所受反力的变化规律。

根据有关文献资料，从煤矿采空区建筑物的相似材料模拟试验中可以看出：

如图2所示，在开采的初期，路基所受反力增大到最大值后则会减小到一定值，所以路基受到的反力总是会滞后一段距离，而且应力也要随着增加。

图2 模型一 地基瞬时应力变化图

在远离开采区的公路路基，由于地基受到加载的作用，路基产生梁弯曲的特性，由于地基自身卸载的作用，使最大反力点处于梁支撑点处，而该位置点又与路基的刚度有关。在路基刚度的影响下，使开采区一侧的路基能够产生卸载，减小路基的应力，从而产生卸载区。同时，随着开采的继续，路基受到的反力也在增大，此时地基在路基的自重应力作用下使内部应力增大，此时的路基最容易受到破坏，由图3可以发现，随着开采的继续，应变会逐渐增大，但增大到一定值后会逐渐减小，此时的路基受到的反力也会逐渐减小。

可以得出：在采空区的地表变形的区域会逐渐增大，路基产生的应力也会逐

渐增大，而应力变化点一般主要位于路基开裂失稳的破坏点处，这样随着开采面的逐步通过公路，路基所受到的反力也在逐渐减小。

3.3 地基反力与公路路基位置的关系

在靠近采空区一侧的路基受到的反力相对较大，当无限趋近于正负曲率临界值时，此时的反力则会达到最大，最大点处于1/6L处，其中L为受到开采区影响的路基长度。此外，由于在路基的最大下沉量和最大倾斜点之间的曲率变化较小，使地基的应力在此处达到最小，路基则会向沉降量相对大的一侧倾斜。可以由此推断得出，由于地基的作用对路基所产生的反力，主要是受到曲率因素的影响。公路路基位于煤矿采空区不同位置时地基反力分布图如图4所示。

4 结束语

本文从公路的采动响应性能分析出发，研究了煤矿采空区对公路产生的危害。并对煤矿采空区公路路基反力的分布规律进行了一定的研究。此外，采空区公路路基所受反力分布还与公路路基所处的位置、刚度、宽度、地基系数有关，一般与煤矿开采的厚度关系不明显。

参考文献

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