采动区公路路基和路面的协同作用模型.pdf

第2 8 卷第4 期 2 0 0 8 年7 月 长安大学学报 自然科学版 J o u r n a lo fC h a n g ’a nU n i v e r s i t y N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n V 0 1 ．2 8N O ．4 J u l ．2 0 0 8 文章编号1 6 7 1 8 8 7 9 2 0 0 8 0 4 0 0 3 5 0 4 O 采动区公路路基和路面的协同作用模型 余学义，赵兵朝，李瑞斌 西安科技大学能源学院，陕西西安7 1 0 0 5 4 摘要针对开采引起地表沉陷对高等级公路的危害，分析了地下开采引起地表移动变形规律，建立 开采引起公路路基与路面的协同作用理论模型，确定了起关键作用的协同作用参数，分析了开采影响 区的路基与路面协同作用的关系，并简要地分析了应用协同作用计算理论进行矿区公路设计和保护 开采的方法。结果表明，通过改变开采方法和改进结构，能够有效地减小采动对公路的影响。 关键词道路工程；开采影响区；路基；路面；协同作用 中图分类号U 4 1 6 ．2 1 7文献标志码A S y n e r g ya c t i o nm o d e lo fh i g h w a ys u b g r a d ea n dp a v e m e n ti nm i n i n ga r e a Y UX u e - y i ，Z H A OB i n g c h a o ，L I S c h o o lo fE n e r g y ，X i ’a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， R u i b i n X i ’a n7 1 0 0 5 4 ，S h a a n x i ，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n g t ot h ed a m a g ec h a r a c t e ro fh i g h w a yb ys u r f a c es u b s i d e n c ed u et o u n d e r g r o u n dm i n i n g ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h er u l e so fe a r t hs u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ， s e t su pt h es y n e r g ya c t i o nm o d e lo fs u b g r a d ea n dp a v e m e n to fh i g h w a y ，c o n f i r m st h es y n e r g y a c t i o np a r a m e t e r s ，s o l v e st h es y n e r g ya c t i o nr e l a t i o n o fs u b g r a d ea n dp a v e m e n ti ni n f l u e n c ea r e a b ym i n i n g ，a n db r i e f l yi n t r o d u c e st h em e t h o do fa p p l y i n gs y n e r g ya c t i o nc a l c u l a t i o nm o d e lt O d e s i g nh i g h w a ya n dp r o t e c tm i n i n gi nm i n i n ga r e a ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sm e t h o dc a n e f f e c t i v e l yr e d u c em i n i n gi n f l u e n c eO nh i g h w a yb yc h a n g i n gm i n i n gm e t h o da n di m p r o v i n gt h e s t r u c t u r e so fs u b g r a d ea n dp a v e m e n t ．2f i g s ，8r e f s ． K e yw o r d s r o a de n g i n e e r i n g ；i n f l u e n c ea r e ab ym i n i n g ；s u b g r a d e ；p a v e m e n t ；s y n e r g ya c t i o n 引目 矿区公路特别是高等级公路受沉陷区或开采影 响破坏已成为矿区公路安全运行中需要解决的一个 重要问题，如在已建成的太原一旧关、徐州一连云 港、晋城一焦作、西安一铜川等高等级公路部分通过 采空区段，公路已遭受较为严重的损坏，这些损坏以 路面开裂为主要特征。矿区公路保护应从3 个方面 入手一是对已有的采空区进行详尽的勘测与处治， 这一方面已经通过大量的工程实践口4 j ，取得一些可 借鉴的方法；二是应用特殊开采方法，减小开采引起 的地表移动变形量；三是依据开采引起公路路基、路 面的协同作用关系，进行特殊路基路面结构设计，提 高公路抗变形能力。关于开采引起地表移动变形的 预测在中国已形成较为完善的理论方法体系Es - 7 ] ，然 而公路是一种特殊的线性构筑物，从形状、结构和保 护的要求方面与一般的建筑物下开采有很大的差 异，即使应用特殊开采技术 限高开采、充填开采、协 收稿日期2 0 0 7 0 8 0 8 基金项目陕西省自然科学基金项目 2 0 0 3 E 2 0 6 作者筒介余学义 1 9 5 5 一 ，男，陕西定边人．教授，博士研究生导师．E m a i l y u x y x u s t ．e d u ．e l l 。 万方数据 3 6长安大学学报 自然科学版 2 0 0 8 血 调开采等 也难以达到保护的要求。在采用了特殊 开采技术后，危害高等级公路的主要是地表的水平 变形 包括已采采空区的剩余水平变形和将要开采 形成的水平变形 ，水平变形将引起公路路面的开 裂，公路路面的开裂变形在雨水侵蚀、冻结膨胀、运 行车辆加载等作用下，将加速路面破坏，降低公路服 务年限，对公路危害极大。为此，本文根据采动公路 路基、路面协同作用原理，建立协同作用理论模型， 给出协同作用的关键参数，并分析这些关键参数与 采矿、地质及路基、路面结构间的关系，为矿区高等 级公路设计、保护提供依据。 1 模型的建立 1 ．1 基本假定 假定开采区为半无限工作面开采，公路为各向 同性的无限长线性建筑物，公路路面的横断面积为 S m 2 ，公路路基岩土层沿轴线方向的弹性系数为 k 。。以开采区引起地表半盆地移动变形区为影响范 围，开采深度为H m ，主要影响范围角为／3 ，公路 轴线与开采工作面间平面夹角为口。。开采引起地表 公路路基 水平移动必然引起公路路面的水平移 动，其分布关系如图1 所示，二者可以近似地表达为 “1 U 下l n m x [ 1 c o s 7 【车 ] 1 厶 式中“。为路基水平移动；“。。为路基最大水平移动 值；乱l 。。一／, ／m s ，s i n a o ；e ．一a L l ；r 1 一_ 去；r 为主 ，1S I n ～口o ， U 要影响半径，r - 兰不；工，为距工作面开切眼的推 t a n ～p ， 进距离。 式 1 接近于开采下沉盆半盆地的计算公 式[ 8 ] ，即开采引起地表下沉导致的地表水平移动克 服路基与路面间的摩擦力后传递给公路路面，公路 路面发生弹性水平移动的二维平面表达式。开采引 起公路路基的非均匀水平移动，克服路基与路面间 的摩擦力，在路基路面间产生决定路基路面承载能 力的水平剪应力r ，这种水平剪应力将产生沿路面 内部轴线方向的附加拉伸、压缩应力盯，以及弹性水 平移动露 在零下低温条件下沥青或水泥路面处于 弹一脆性状态 ，如图1 所示。 1 ．2 公路路基与路面间的水平移动协同作用模型 水平剪应力r 值直接取决于公路路基、路面的 水平移动值及其路基土层的物理力学性质，但不超 过极限值龟，r g 值可由路基岩土的挤压强度试验确 定。由图1 可知，沿路面轴向断面的移动变形特征为 Ⅳ， 露 1 路基水平移动“． ／瞎面} 酏h 向谨忡7 k 平移动i 萨{ ≮、 一 二手尹。 ．其 - ．0 ．＼ 。’ 一 路基水平剪应力 口 ． ’● ．r ‘，I 一 幽1 路基水平移动与路面冶轴向弹性水平移动的分布形态 在lz 。I 口范围 口见图1 所示 ，r 的方向与 开采地表移动的方向相反；在z 。 _ - 4 - a 位置，开采引 起地表的移动值与路面的移动值相等。根据系统平 衡原理，开采引起公路路基及路面的水平移动为“， 和行，二者引起沿路基断面内的剪应力的总和为0 ， 即出现在沿路基轴线方向的水平剪应力r 的和为0 ， 可以表示为 f r d z ， o 2 式中Z 为开采影响的路基长度 m 。 式 2 为r 的自平衡方程，根据图1 ，由式 2 可 以计算z ，一士a 位置的r 值。 按照W i n k l e r 地基弹性方程，可确定f 值为 r k l “l 一酉 3 根据弹性移动变形原则，式 3 的边界条件为 “1 一牙≤“g 式中H 。为地基处于塑性工作状态的边界值，地基 处于这种塑性状态，将限制在地基应力计算中应用 H o o k 弹性准则。 以上边界条件是由路基与路面间的摩擦力与粘 结力决定的，在确定的条件下，路基具有固定的剪应 力h ，即使“，继续增加，r 。保持恒定，可以表述为 产r 8 l 4 “1 一牙≥≥“gf J 式中k 。、甜。均为路基弹塑性特征值参数，其首先取 决于路基岩土的种类和密实程度。随着路基岩土密 实程度的增加，参数k 。值随之增加，同时参数U 。值 减小。 路面内剪应力和正应力可以由图2 来确定。根 据H o o k 准则，路面内的正应力盯与水平变形e 的关 系式为 盯 ￡E 。 5 式中E 。为路面弹性模量，在0 ℃以下时为定值。 根据图2 ，可以得出水平变形的计算公式为 ￡一_ ／2 d ／2 - - a 粤 6 f ～ 一 InJ 万方数据 第4 期余学义，等采动区公路路基和路面的协同作用模型 3 7 a 横断面 b 纵断i l c 徽单元水平移动与应力分析 图2路基路面应力计算 注S 为路基横断面面积，s bh 。；b 为路面宽度； 。为路面高 度；r 。为路面密度。 将式 6 代入式 5 ，再对d 酉／d x 。取导数，得到 路面轴向断面弹性水平移动的二次微分方程为 d S a j ∑r 7 、 d x ；E 。A ”7 式中A 为路基、路面间的摩擦系数。 式 7 给出了开采影响路基与路面问的协同作 用关系式，但是该表达式是一个接近于实际的近视 关系，路基、路面的真实应力具有非线性变化特征。 式 7 的解取决于对r 的表达形式，由式 3 和式 7 可以得出弹性路基的非线性微分方程为 号害一忌2 “一五2 “1 1 ≤≤e ≤≤1 8 J ～ ‘、’、 厂r 一 式中h2 r l √最。 解微分方程式 8 ，可得 行 肘 B e - 辟 麦[ 1 怒] 9 式中口、正均为无量纲理论参数；口一‰／u 。。，；A 、B 为根据特定的条件确定的定积分。 1 ．3 采动引起公路路基、路面协同作用应力变化模型 在确定了采动引起路面沿轴线方向的水平移动 计算模型后，就可以通过分析推导得出在开采影响 下沿公路轴线方向的正应力盯 拉伸应力、挤压应 力 及路基的水平剪应力r ，其表达式为 E 。d 牙 口2 ‘丽 1 0 r E ．百A d 2 牙 1 1 f ． 一 ●l l ● ‘ ，．i 群 ““ 2 采动区路基、路面协同作用分析 式 9 ～式 1 1 表达了采动引起的地表移动变 形通过路基传递给路面，引起路面沿轴线方向的水 平移动和附加应力协同作用的计算模型。在模型中 无量纲理论参数口、k 是决定采动引起公路路基与路 面协同作用的关键参数，在此将其定义为协同作用 参数。参数志具有特定的物理力学意义，在路基轴线 剖面方向弹性水平移动系统中，影响参数k 值的主 要因素为弹性系数k 。；路面横断面与路基有效接 触部分的摩擦系数A ；水泥沥青路面在低温条件下 的弹性模量E 。；采动主要影响半径r ；开采工作面与 公路轴线方向的平面夹角口。。a 为开采地质状况、采 矿条件、开采方法等因素与公路路面弹性范围限定 条件有关的参数。 由采动区路基和路面协同作用计算模型分析可 知，在矿区公路设计中应从两个方面进行分析计算。 1 分析开采影响区的开采地质、采矿条件，应 用相应的减小开采引起地表移动变形的控制开采方 法，如协调开采、部分开采、采空区充填开采、覆岩离 层充填减沉等开采方法，这些方法能够有效地减小 地表移动变形量，即增大协调作用参数口值。 2 改变公路路面结构，例如路面应用S B S 、 S B R 改性沥青技术；在半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；在 半刚性基层底部与路基粘土层间铺设滑动层。这些 方法能够有效地减小A 值，增加‰值，达到增大协同 作用参数口、志，减小公路路面水平移动变形的目的。 3结语 1 分析地下开采引起地表移动变形规律和公 路路基、路面结构特点，建立开采引起公路路基与路 面的协同作用理论模型，给出了分析采动区路基与 路面协同作用的应力应变计算式，为采动影响区的 公路设计奠定了理论基础。 2 通过分析路基与路面协同作用的影响因素， 定义了公路路基与路面的协同作用理论参数口、惫， 同时分析了地质条件、采矿方法、公路路基、路面结 构及力学特性对这些参数的影响。 3 根据公路路基、路面协同作用原理，给出了 在采动影响区的公路设计中应用协同作用理论的方 法和思路。 4 在采动区应用路基、路面协同作用理论，确 定合理的采矿方法、路基路面结构，对矿区高等级公 路设计与公路下的保护开采具有重要的应用价值。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 孙忠弟．高等级公路下伏空洞勘探、危害程度评价及 万方数据 3 8 长安大学学报 自然科学版 2 0 0 8 生 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 处治研究报告集I - 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