高等级公路采动损害计算及防护论文.doc

高等级公路采动损害计算及防护摘 要：地下开采导致的地表危害一直是矿区高等级公路建设和维护的关键技术难题之一，本文针对我国高等级公路下采煤的现状，应用弹性力学和岩层与地表移动理论，在分析高等级公路受开采损害的现象和原因的基础上研究了采动高等级公路稳定性及受力计算问题，并提矿区高等级公路受开采损害的防护措施。对预防或处理高等级公路采动损害问题具有一定的理论和实践意义，同时也丰富和发展了采动损害研究的理论和实践。关键词：高等级公路；采动损害；稳定性；受力计算；防护措施我国是煤炭大国，煤炭在我国一次性能源消耗中占70左右，到21世纪20年代仍将在50以上13。近年来随着我国煤炭工业和公路事业的不断发展，煤矿区的高等级公路受采动影响破坏的现象日益突出。高等级公路是大范围延伸的线形整体构筑物，其路基的承载能力与稳定性受开采沉陷变形的影响较大，若对其留设保护煤柱则对矿井的开拓掘进、合理布局以及生产的连续性等都将造成不利影响45。欲准确评价地下开采对矿区高等级公路的损坏，以便采取经济上合理，技术上可行的井下开采方案和公路防护措施，必须准确计算公路采动损坏大小。经检索，目前这方面的研究工作尚不够充分和完善。为了保证路基的稳定和消除矿区高等级公路运营的安全隐患，本文开展了高等级公路采动损害计算及防护的研究工作，以期对正确评估采动损坏对矿区高等级公路的影响，延长矿区高等级公路的使用寿命，确保矿区高等级公路的畅通及运输安全，协调路矿部门之间的矛盾有一定的指导意义。1 采动影响下高等级公路的损害特征 开采影响下公路的损害包括路基和路面两个方面。研究资料表明6：均匀下沉引起的路基变形在空间上是大范围的、平缓的，在时间上是连续渐变的。因此，在采动影响下，路基会随着地表整体下沉，而不会在竖直方向上产生脱离等病害，但在高潜水位矿区可能导致路面因低洼而长期积水。非均匀下沉将导致公路倾斜，使公路的坡度发生变化，而且还可能使高等级公路在竖直方向上产生弯曲，改变原有的曲率半径等。倾斜将导致高速行驶车辆重心的偏移、线路坡长的加大，路基稳定系数的减小，在弯道位置将对高速行驶车辆构成安全威胁。水平变形和曲率的增大使路面因受拉伸作用而开裂，因受压缩作用而隆起，最终导致路面呈波浪状起伏，路面与路基间也因局部离层而破坏。2 采动高等级公路受力计算矿区公路在开采影响下的受力情况分析包括下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形5个方面。2.1 下沉对公路的损坏计算 根据矿山开采沉陷学中对开采引起的地表下沉经验计算公式2,11,12可知： （1）式中，W0为最大下沉量；m为煤层开采厚度，为煤层倾角；q为下沉系数，A(x/r)是开采长度x的函数，可通过查表得到。确定公路下沉量后，根据弹性力学公式即可计算路基的应力大小： （2）式中，E为岩土的地基系数。均匀的下沉虽对路面坡度和路基路面的受力模式影响较小，但如果下沉量过大，即使是均匀的，在某些条件下，也会对公路造成严重损害。如在高潜水位矿区，当路基路面下沉量大于潜水位至路面的高度时，部分路堤就会沉入潜水位以下，造成路堤两旁积水，如图1所示，甚至出现路基路面被积水淹没现象，如图2所示，路基就会受到地下水的长期浸湿，造成路基翻浆，加速路基的破坏，加快路面的破坏，影响行车安全。图1 路基下沉受积水浸湿（横断面）图2 路基路面被积水淹没（横断面）非均匀的下沉将导致路基路面附加应力，根据京津塘高速公路、杭甬高速公路、佛开高速公路采用的技术标准7，高速公路的路面路基下沉量应控制在1cm内，根据公路路基施工技术规范8，高速公路路基材料的地基系数E110MPa/m，则由公式（2）可算出其路基垂直应力极限值为0.11MPa。此外，非均匀的下沉还将导致公路的坡度发生变化，根据山西交通厅于2005年提出的高速公路的路基路面允许变形值9可知，当下沉值的不均匀度超过3mm/m时，路面将出现裂缝，影响公路的安全运营。因此，在进行公路下采煤时应尽量避免出现路基路面不均匀沉降的情况。2.2 倾斜对公路的损坏计算倾斜主要影响路堤的稳定性，资料表明12：高路堤或陡路堤受倾斜的影响较大。如图3所示，可将路堤在横断面内分成n个条块，滑动面的圆心为o，半径为R，则由力矩平衡条件可得： （3）式中，Wi垂直力，包括条块自重及车辆荷载； Qi由水平变形产生的水平力； Si条块底面抗滑分力； Xi、ZiWi及Qi的力臂。顾及路堤倾斜引起滑动角，经推导得出路堤安全系数Ks： （4）式中，ci、fi岩土粘聚力和摩擦系数，fi=tan； iarcsin(Xi/R)。图3 路堤稳定性计算示意图 此外，地表倾斜变形将对路基产生附加影响，设倾斜i引起了路基滑动角增量，即： （5）当为正时，地表倾斜方向与滑动方向一致，将加速路基滑动及破坏；当为负时, 表示地表倾斜方向与滑动方向相反，在一定程度上地表倾斜将阻止路基的滑动及破坏。根据山西交通厅于2005年提出的高速公路的路基路面允许变形值8可知，路基路面的倾斜值必须小于3mm/m,否则路面将出现裂缝，影响公路的运营。根据高速公路路基路面的极限倾斜值，利用公式（3）（5）即可算出路基路面允许的最大水平应力值为40MPa。2.3 曲率对公路的损坏计算 资料研究表明13：由于公路原始竖曲线曲率（0）的存在，矿区公路受开采影响后的曲率（KL）与采动引起的附加曲率变形值之间应满足如下关系： （6）其中，极限，对凸型竖曲线取号，凹型竖曲线取号。 公路发生曲率变形后，路面将受到拉伸变形，路基深处将受到压缩变形，并随深度曾加而增大。以路面为例，如图4所示，A2为A1变形后的点，A1A2间的弧长为S，对应圆心角变化量为，则可由材料力学中的胡克定律近似地得出A1点由于路面曲率变化而增加的拉应力，然后通过对整个受开采影响的路面进行积分，即可算出整个路面范围内增加的拉应力。图4 路面曲率计算示意图路面曲率的改变虽然增加了路面的拉应力和路基深处的压应力，但因改变了曲率半径而能减小高速行驶的车辆对路面的静压力，设车辆速度为V，质量为M，则由图4并根据物理学的相关知识可以计算出由于曲率的变化而减小的车辆对路面的静压力： （7）式中，R1,R2分别为曲率改变前后的曲率半径，可由下式计算： （8）式中，K1,K2分别为公路变形前后的曲率，其关系可由式（6）确定。根据山西交通厅于2005年提出的高速公路的路基路面允许变形值8可知，路基路面的极限曲率变形值为0.2mm/m2,若式（7）中M=5000kg，V=120km/h，R1=100m，R2=120m时，则可计算出由于公路曲率变化而减少的车辆对路基路面的应力为1408Pa。可见适当增加曲率半径可减小路基路面承受的载荷。2.4 水平移动对公路的损坏计算地下开采引起的水平移动包括路基路面的同步水平移动和非同步水平移动，路基路面的同步水平移动对公路的影响可以忽略，而非同步水平移动将使矿区公路在路基和路面接触面处产生剪切破坏，剪切破坏主要是由于路基和路面水平移动的不同步而增大了路基和路面间的摩擦力所致。下面给出矿区公路因路基路面非同步水平移动而增加的剪切力计算公式： （9）式中，E公路填筑材料的地基系数，U(x)路基和路面的相对水平移动。2.5 水平变形对公路的损坏计算2.5.1忽略车载作用的分析计算当路面变形值达到裂缝临界变形值0时，即出现裂缝，设x为水平变形，z为竖向水平变形。则根据弹性力学理论有： （10） （11）若不考虑车辆轮载作用，在公路路面上，令，则由式（10）和式（11）式得7： （12） 近似地取，出现裂缝的临界点处，由主应力表达的极限平衡条件为： （13）得： （14）故有： （15）式中：E、u、C、分别为路面材料的地基系数、泊松比、粘聚力和内摩擦角。式（15）的导出是在忽略车辆轮载作用等其它因素的影响下，由采矿所产生的地表变形值对公路的破坏条件。根据式（15），路面产生的裂缝延展方向应为最大水平变形值的垂直方向。2.5.2 车载作用下的分析计算 基于目前公路建设中大多采用钢筋混凝土路面的实际情况，此处选择的路面即为该类型路面，根据地基小挠度薄板理论，研究顶板为局部范围的轮载p，底板地基反力为q的路面板应力计算问题，根据该理论，得路面板应力应变位移关系式6： (16) (17) 式中，Z轮载离板中面(Z=0)的竖向距离；Ec、uc混凝土的弹性模量和泊松比；W路面板的竖向位移，或称挠度。采用半无限地基假说，任一点挠度为： （18）式中，Es、uc地基弹性模量及泊松比；反力q(r)的零解亨格尔变换式；零解第一类贝塞尔函数。这样，根据边界条件解得路面板挠度W,进而求路面板的弯拉应力和内力值。弯拉应力为： （19）路面板内力为： （20）式中，h混凝土路面板厚；集中荷载作用点与弯距计算点连线同x 轴夹角。、随r/L而变，可查表得到。r为作用点荷载与作用中心(坐标原点)的距离，L为半无限地基板的相对刚度半径： （21）设式（9）（20）计算中所选择x轴均相同，则由式（12）、式（19）和式（20）可得矿区公路在车载作用下的采动水平应力：x轴方向： (22)y轴方向： (23)根据山西交通厅于2005年提出的高速公路的路基路面允许变形值8可知，路基路面的最大水平变形为2mm/m，根据此极限变形值，利用公式（16）（23）可算出高速公路在车载作用下的极限水平应力值为70MPa。3 采动高等级公路防护措施采动高等级公路的维护包括井下开采技术和路面防护措施。3.1地下开采技术措施公路属于特殊结构的建(构)筑物，可借鉴建筑物下采煤中的部分技术措施来减轻矿区公路受采动影响的损坏。如协调开采、限厚开采、条带开采、充填开采等技术可降低矿区公路的移动和变形值；合理布置采区位置和形状使公路下方及附近不留设孤立的残存煤柱或永久性的开采边界可避免公路突然下沉或出现塌陷坑；连续开采不在公路下过久停顿可避免公路承受静态变形值；采用分层间歇开采避免放顶煤一次采全高降低地表下沉速度，减小采动过程中的动态变形值等。3.2地面治理措施采用井下开采技术措施来减小地表移动变形值以减小对矿区公路的采动损坏，在一定程度上要增加煤炭生产成本，造成资源浪费，因此，需要一定的地面防护措施加以辅助以保证经济效益。1）采前治理措施。公路管理部门应当和矿方密切合作，采前成立专门的公路维修队伍，在采动区建立一个临时维修工区，负责采动路线维修工作。根据矿方的采掘计划，采前预计不同时间阶段的地表移动变形，明确路线移动和变形的性质、数值和方向，以便采取相应的维护措施。对于待建高等级公路，若采动影响时间较短时，可以缓建采动影响段，直至地表移动进入衰退期；若高等级公路压煤工作面较多时，可以根据预计的下沉量采前预加高路基，采用临时路面运行。对于已建成路线，应当根据沉陷预计结果，在路线移动相反方向采前积极预备维修材料，特别是在高潜水位区，在塌陷积水前应从路线附近取出备用土，减少采动治理过程中的工作量。2）采中治理措施。对采动路面裂缝及时进行填充、灌浆治理，对松动的路基进行夯实，防止雨水渗透路基，在动载荷作用下，导致路基翻浆。对路线失位进行适当修正，保持平面和纵面设计线形，对高路基的边坡稳定性进行演算加固，保障汽车运行安全。另外对于建成路线，为了防止路基浸水失稳，还应当及时恢复路面标高。由于采动的影响，高等级公路的质量状况严重下降，在路线进入采动区时，应当设立警戒标志，严格控制行车速度，避免发生车祸。采动中还应当对路基、路面的移动变形进行监测，掌握移动变形规律，为采动治理提前作出预警和积累经验。待添加的隐藏文字内容23）采后治理措施。采掘活动结束、地表移动进入衰退期后，应重新夯实路基，使路基具有足够的强度；探明老采空区的覆岩结构形态，分析“活化”形式，论证是否注浆处理老采空区；充分估算老采空区的残余移动变形能力，在恢复高等级公路的线形设计时，要留有一定的余度；在恢复高等级公路路基、路面结构时，考虑到老采空区的“活化”和高等级公路对移动变形的敏感性，要采取一定的抗变形措施，比如在刚性基层底部和柔性路基间设置 “滑动层”、在刚性基层顶部与路面层间铺设玻璃纤维网或预切缝后设置玻璃纤维格栅、路面采用SBS、SBR改性沥青技术等14,15。4 结 论1）矿区公路的采动损坏特征不同于一般公路的破坏特征，更不同于普通建筑的破坏特征。2）结合地表采动损坏现象和受力情况，根据高等级公路自身的特点，利用弹性力学相关公式可以推算出矿区公路受开采影响而引起的路基路面应力变化值。3）公路的承载能力有一定限度，在实际工程中，应根据相关规程规定采取合理的措施控制公路的受力大小，以保证公路运输的安全。4）公路是一种特殊的线状建（构）筑物，为了保证公路的安全，公路下采煤措施不能完全照搬“三下”采煤措施，应结合实际情况加以选择。参考文献：1 煤炭科学研究院北京开采所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用M.北京:煤炭工业出版社,1981.2 何国清,杨伦,凌赓娣,等.矿山开采沉陷学M.徐州:中国矿业大学出版社,1994.3 钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术.中国矿业大学学报J,2003,32(4):343-348.4 余学义.采动区地表剩余变形对高等级公路影响预计分析J.西安公路交通大学学报.2001(4):9-12.5 GUO Wenbing.Analysis on the damage characteristic of highway due to mining and its applicationC/Proceeding in Mining Science and Safety Technology.Beijing:Science Press,2002.6 栾元重,季道武.公路采动损害的计算J.矿山测量,1998,(3):30-32.7 付宏渊.高速公路路基沉降预测及施工控制M.北京:人民交通出版社,2007.8 中华人民共和国交通部.公路路基设计规范S.北京:人民交通出版社,2004.9 中交第一公路工程局有限公司.公路路基施工技术规范S.北京:人民交通出版社,2007.10 邵强,冯德学.采动影响下公路损害特征及防护J.煤炭工程,2004,2:40-42.11 孙忠弟.高等级公路下伏空洞勘探、危害程度评价及处治研究报告集R.北京:科学出版社,2000.12 孙忠弟.高速公路采空区(空洞)勘察设计与施工治理手册M.北京:人民交通出版社,2005.13 朱广轶.地表曲率变形对高速公路影响的研究J.辽宁工程技术大学学报,2003,22(2):186-187.14 余学义.采空区对高等级公路影响程度预计分析研究报告R.西安:西安科技学院,1997.15 余学义.采动区地表剩余变形对高等级公路影响预计分析J.西安公路交通大学学报,2001 (4):9-12.基金项目：国家自然科学基金重点项目：（50834004）；国家公益性行业基金资助项目（200811050）。作者简介：王刚（1986），男，重庆万州人，硕士研究生，主要研究方向为开采沉陷与高等级公路下采煤。Tel: 15896426170 Emai: wanggangcumt 通讯作者：王 刚，Tel: 15896426170 Emai: wanggangcumt 郭广礼，Tel: 13615104142 Emai: guogl65随着高等级公路建设里程的增长，矿区面临的高等级公路下压煤开采问题日趋严重，对采动影响下高等级公路变形特征、影响规律、受力分析等进行研究具有重要的理论和实际意义。该文采用弹性力学、开采沉陷理论，对采动影响下高等级公路的受力进行了分析研究，给出了受力计算的相关方法，具有的一定的理论和应用价值。论文主要问题：（1）公式（2）中：x=E.W(x)，根据温克尔地基假定，该式中E应为地基系数，不能理解为弹性模量，两者存在差异，公式（9）存在同样的问题；（2）文中推出了下沉、倾斜、水平移动、水平变形对路面受力的影响，但如何应用未说明，好像是为了理论而理论，应该说明在什么条件下，导致路面损害，从而给出地面沉陷的极限指标，以便应用；（3）应用实例与前面的推导没有联系。