塌陷区公路路基沉降变形规律模拟

张向阳，任尚磊，徐 敏，周腾飞

1. 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；2. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；3. 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室，山东 青岛 266590；4. 淮南矿业集团 张集煤矿，安徽 淮南 232001 )

随着我国城镇化和现代化进程的加快，一些基础设施建设、便民服务建设等需要大量的建设用地，许多项目建设和施工不可避免地穿过煤矿塌陷区，因此近年来许多地区开始了塌陷区土地开发利用等相关研究[1-7]。公路作为居民出行和货物运输的主要承担者，服务水平的高低对人们的生活水平和区域协调发展起到了至关重要的作用。相关研究表明[8-9]，煤矿塌陷区上方公路是否能满足交通需求，主要取决于公路路基沉降及变形程度，但国内外对塌陷区路基沉降变形规律研究较少，为确保塌陷区上方公路建设及运营维护的合理性，本文结合相似模拟及数值模拟对塌陷区公路路基沉降变形规律进行探究分析。

1 工程概况

以淮南某浅埋厚煤层矿区为研究背景，该矿区地处淮河中游，地形平坦，地理位置优越，矿区面积较大且距城镇较近，附近居民众多，对交通需求较高。随着时间的积累，在浅埋厚煤层开采影响下该区域内形成大面积塌陷区，而为了区域发展需要，塌陷区内多条公路需要修建及维护。因此，本文结合该浅埋厚煤层开采后形成的塌陷区地质条件对公路变形规律进行详细的分析及探讨。

煤层采动后原岩应力平衡被打破，表现为上覆岩层不断垮落下沉并自下而上依次形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带，影响传递直至地表并在地表形成塌陷区，经一段时间稳定后重新达到新的应力平衡[10-11]，塌陷区各岩层移动破坏如图1所示。塌陷区岩层存在岩性破碎、承载能力不足、易活化变形等特点，在塌陷区上方进行公路建设修护时易引起下方岩层的再次活化，进而对路基稳定性产生极大威胁[12-16]。为进行塌陷区路基沉降规律研究，本文通过相似模拟与数值模拟相结合的方法对采动结束后形成的塌陷区进行监测模拟，待模型稳定后进行塌陷区不同等级公路铺设模拟分析。

图1 煤层开采覆岩移动破坏效果示意 Fig. 1 Effect diagram of overlying rock movement failure in coal seam mining

2 相似模拟试验分析

2.1 相似模拟试验铺设过程

相似模拟试验研究首先对塌陷区构造进行模拟，基于此进行上覆公路铺设模拟，通过不同等级及施载位置对比探究塌陷区上覆公路路基沉降变形规律。该矿区煤层采深95.1 m，开采均厚5 m，属浅埋厚煤层，采动结束后塌陷区特征较为显著。试验通过分析模型表面十字布点法所布置的位移测点，观测塌陷区及路基变化情况，并利用Getdata等相关软件处理采集到的信息，得到相应的沉降变形数据。

试验选取塌陷区外边缘区、内边缘区及中部区域等不同位置进行对比试验；通过查阅资料并考虑实际试验条件将公路铺设模拟分为3个等级，以施加荷载形式进行模拟对比研究，荷载施加分别为0，0.25，0.50 MPa。荷载铺设过程如图2所示，图2( a )为在塌陷区进行0.25 MPa等效公路荷载模拟，塌陷区外侧、边缘及中部位置处分别为A，A*，B，B*，C，C*；图2( b )为在塌陷区上方不同位置处进行0.5 MPa荷载模拟，塌陷区外侧、边缘及中部位置分别为D，D*，E，E*，F，F*。

图2 塌陷区不同位置施加荷载对比 Fig. 2 Comparison of loads applied at different positions in the subsidence area

2.2 相似模拟结果分析

2.2.1 荷载影响下塌陷区路基沉降变形规律

塌陷区形成初期岩层并不稳定，存在一定程度的变形空间；塌陷区经自我稳定阶段后在无较大活动干扰下会达到新的平衡状态，并具有一定的承载能力，而在其上部进行公路建设则存在打破岩层应力平衡的风险，进而导致路基产生相应破坏。如图3所示，公路荷载为0.25 MPa时路基最大沉降值为0.19 m，在荷载为0.50 MPa时下沉量达0.53 m。公路等级越高塌陷区变形程度越大，且随着荷载的增加，路基由原来的单极值变形逐渐变为多点共同沉降。因此，公路建设等级越高路基变形范围也相应扩大，在一定程度上降低了公路服务水平，给公路使用者的安全带来极大风险。此外，下沉空间主要以路基下方孔洞及裂隙为主，公路等级过高会造成塌陷区失稳活化。因此，在塌陷区进行公路建设需对施工条件进行详细分析，再结合塌陷区实际地质条件进行合理的公路等级设计和规划，以规避后期施工及运营过程中所存在的风险。

图3 不同等级公路影响下路基沉降变形数据 Fig. 3 Subgrade settlement deformation data under the influence of different grade of highway

2.2.2 塌陷区不同位置处路基变形规律

由图4塌陷区不同位置变形效果及相关监测数据可知，在塌陷区上方施加0.25 MPa荷载时，塌陷区中部和左右两侧路基产生了不同程度的沉降变形，塌陷区左边缘沉降值为0.12 m，右边缘沉降值为0.09 m，左侧沉降略大于右侧，沉降差值为0.03 m，而塌陷区边缘外侧影响较小，塌陷区中部沉降值约为0.19 m，高于两侧0.08 m左右；塌陷区上方公路荷载为0.50 MPa时，路基进一步变形，左边缘路基沉降值达0.18 m，右边缘沉降值为0.16 m，中部沉降值达0.53 m，沉降值大于两侧边缘区。此外，结合相关资料[17]及模拟结果可知，荷载施加使原本较为平整的边缘区逐渐变成具有一定坡度的坡状结构，在一定程度上对公路坡度产生影响。

由图4的监测数据可知，塌陷区中部路基沉降值高于两侧边缘区，但塌陷区中部区域沉降较为均匀，且能保持较高的完整性；中部路基水平移动值较小，裂隙发育不明显，表明中部区域路基受拉张破坏程度较低，对交通影响程度较小。

图4 不同公路荷载下塌陷区路基变形效果 Fig. 4 Effect map of subgrade deformation in subsidence area under different highway loads

煤层由左侧开切眼向右循环回采，在煤层不断推进的过程中近开切眼一侧受周期来压影响较大，裂隙自下而上发育的过程中采场左侧塌陷区与边缘区外侧岩层连接程度较弱，因此在塌陷区上方进行公路建设后，在荷载作用下原本分散且繁杂的左边缘区纵向裂隙呈贯通发育趋势，并于路基处向下反向延深扩张，路基受影响产生较大的剪切裂缝。随着公路荷载的增加塌陷区活化变形程度加大，此时路基剪切裂缝相应增大，甚至出现台阶式下沉破坏，严重破坏了路基的整体性。

煤层右边缘为终采线一侧，该侧裂隙数目及开裂程度较轻，岩层连接性较强，裂缝多为单独发育，未见大面积裂缝群现象，该侧塌陷区承载能力及抗变形能力较强，在塌陷区上方公路建设的影响下，左边缘区裂隙贯通后右边缘区裂缝仍呈单独裂缝状，因此右边缘区路基变形程度轻于左边缘区。此外，模拟表明边缘区外侧路基破坏主要由内部区域下沉引起的拉张破坏，而边缘区内侧路基则以挤压变形破坏为主。

3 数值模拟试验分析

根据淮南某矿实际地质条件，建立FLAC3D数值模型，模拟纵向长度取300 m，横向宽度取100 m，煤层采深为95 m，采厚设为5 m，煤层下设20 m岩层。考虑模拟的可行性并结合相关资料，塌陷区上方公路进行4个等级铺设模拟，主要以施加荷载的方式进行对比研究，荷载分别为0.125，0.250，0.375，0.500 MPa，模型效果如图5所示。根据现场取样和岩石力学试验结果，各岩层物理参数见表1。

表1 煤岩力学参数 Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

图5 塌陷区公路施工建设数值模拟 Fig. 5 Numerical simulation diagram of highway construction in subsidence area

3.1 塌陷区路基位移结果分析

3.1.1 塌陷区路基垂直位移结果分析

塌陷区路基沉降位移模拟结果如图6所示，路 基垂直位移极值位于塌陷区中部，且中部最先出 现变化并向两侧边缘区蔓延减小，在距塌陷区较 远处影响消失。荷载为0.125 MPa时路基最大沉降值为7.63 cm，荷载为0.250 MPa时路基最大沉降值 为7.76 cm，荷载为0.375 MPa时路基最大沉降值为14.72 cm，荷载增至0.500 MPa时路基最大沉降值达22.33 cm。结果表明塌陷区自我稳定后存在一定的承载能力，在塌陷区上方进行一定等级的公路建设路基沉降值较小，而公路荷载超过一定程度会引起塌陷区活化进而引起路基产生较大变形，甚至公路出现结构性或功能性损坏。此外，随着塌陷区上方荷载的增加，路基沉降变形范围也逐渐加大，甚至出现路基破断等问题，影响路基结构的整体性，降低公路的安全性。

图6 不同荷载影响下塌陷区路基垂直位移数据 Fig. 6 Vertical displacement data of subgrade in subsidence area under different loads

3.1.2 塌陷区路基水平位移结果分析

路基抵抗拉伸的能力远低于抵抗压缩变形的能力，较小的地表拉伸就可导致路基产生裂缝，路基水平方向移动表征了路基沿纵向断面拉伸变形趋势。塌陷区路基水平方向位移模拟结果如图7所示，在路基荷载为0.125 MPa时，最大移动值为1.86 cm，最大值位于距边界106 m处；荷载为0.250 MPa时，最大移动值为1.96 cm，最大值位于距边界104 m处；荷载为0.375 MPa时，最大移动值为2.95 cm，最大值位于距边界102 m处；荷载为0.500 MPa时最大移动值变为4.24 cm，最大值位于距边界100 m处。由此可知路基水平方向位移主要产生在塌陷区边缘区，且随荷载增加变形极值更接近塌陷区边界。此外，塌陷区中部位移较小，移动峰值位于边缘区，且以塌陷区中部为界呈反向趋势，位移主要由塌陷区外侧指向塌陷区内部，因此边缘区位置易产生拉裂缝，而边缘区内部则会产生相应的挤压变形，且公路荷载越大，路基拉伸挤压程度越高，严重影响了路基的整体性与平整性。

图7 不同荷载影响下塌陷区路基水平位移数据 Fig. 7 Horizontal displacement data of subgrade in subsidence area under different loads

3.1.3 塌陷区路基侧向位移结果分析

路基变形破坏除垂直沉降引起路基沉陷、垮塌和纵向挤压拉伸引起路基产生坑槽、裂缝外还易产生侧向移动变形，而侧向位移也是引起路基失稳、边坡坍塌的重要因素[18-19]。塌陷区路基侧向位移变形效果如图8所示，路基位移主要产生在两侧位置，且变形破坏呈对称分布，路堤单侧变形主要分布在塌陷区边缘区域边界处。公路荷载较小时变形分布区域较广，变形程度较小对路基稳定性影响程度不大，但随着荷载的增大，变形程度逐渐增大，且变形逐渐呈集中化、区域化的发展趋势，变形主要集中于塌陷区两侧边缘区的外侧A、中部B处及内侧C等3点。在边缘区外侧A处路基产生由外部指向内部的压缩变形，在边缘区B处压缩变形达到极值，塌陷区C处变形值为3处最大，但该处路堤变形由向内的收缩变形转变为向外的鼓胀变形。因此，在塌陷区不同位置处应针对路基不同变形的受力特点采取针对性的防护措施。

图8 塌陷区路基侧向变形规律 Fig. 8 Lateral deformation regularity diagram of subgrade in subsidence area

3.2 塌陷区路基应力结果分析

3.2.1 塌陷区路基垂直应力结果分析

塌陷区路基垂直方向应力模拟结果如图9所示，应力变化主要位于塌陷区边缘区，并随着荷载的增加应力逐渐向周围扩散。由路基垂直应力分布数据可知，随着荷载的增加，路基应力分布逐渐紊乱，波动范围和程度逐渐加剧，且在两侧塌陷区盆地边缘产生应力极值，表明在同等荷载下塌陷区两侧边缘区路基变化复杂，需进行重点处理。

图9 不同荷载影响下塌陷区路基垂直应力数据 Fig. 9 Data diagram of vertical stress of subgrade in subsidence area under different loads

3.2.2 塌陷区路基水平应力结果分析

塌陷区路基水平方向应力模拟结果如图10所示，荷载边缘区外侧受拉应力而内侧受压应力，且压应力较大，表明路基挤压变形较为严重。荷载水平应力极值主要集中于塌陷区边缘区内侧，并随着荷载的增加应力逐渐向边缘区外侧移动，表明随着荷载的增加水平移动范围逐渐增大，应力极值逐渐向外发育。路基在外边界处产生拉应力极值，且路基抗拉能力远低于其抗压能力，因此在塌陷区边缘处路基极易产生拉张破坏导致的裂隙、裂断，严重破坏路基结构的完整性，降低道路使用寿命。相关研究表明，较小的水平移动对路基破坏程度较轻，对道路服务水平影响较低，而水平移动过大路基会产生拉伸破坏，甚至裂缝扩张到一定程度后产生台阶式断裂，严重影响行车的速度及安全。

图10 不同荷载影响下塌陷区路基水平应力数据 Fig. 10 Data diagram of horizontal stress of subgrade in subsidence area under different loads

3.2.3 塌陷区路基侧向应力结果分析

路基侧向应力分布模拟结果如图11所示，荷载影响下侧向应力变化主要位于塌陷区边缘区内侧。应力极值主要为边缘区外侧和内侧2处，呈方向相反大小不等的趋势，荷载较小时边缘区外侧应力较大，随着荷载的增加在边缘区内侧应力逐渐超过外侧应力。由此可知在塌陷区进行公路建设时应对塌陷区边缘区内、外侧路堤进行重点保护。

图11 不同荷载影响下塌陷区路基侧向应力数据 Fig. 11 Lateral stress data of subgrade in subsidence area under different loads

3.3 塌陷区路基塑性区变化结果分析

由图12可知，塑性区主要分布在边缘位置，随着荷载的增加路基破坏程度逐渐增大，并逐渐向中部转移。塌陷区上方进行公路施工建设在一定程度上会加剧塌陷区活化变形，由于路基存在一定的抗变形能力，因此路基变形存在一定的滞后性，但塌陷区变形程度过高或超出路基抗变形能力，路基即会产生相应变形破坏。荷载较小时塌陷区中部下沉，但路基仍会保持一定的完整性，随着荷载增加到一定值时，路基与塌陷区逐渐产生离层现象，并随着荷载的继续增加，离层范围及离层程度逐渐增大。

图12 不同荷载影响下塌陷区路基塑性区破坏 Fig. 12 Failure diagram of plastic zone of subgrade under the influence of different loads

边缘区公路破坏以集中式为主。荷载较小时边缘区路基破坏主要发生在路基底部与塌陷区表面结合处，由于塌陷区边缘沉降存在一定坡度，与路基契合度降低，因此易在边缘区产生集中式破坏。随着荷载的增加，破坏程度逐渐增加，且破坏逐渐向路基顶部蔓延。荷载增加到一定程度时，路基产生张裂破坏，破坏了公路的完整性，甚至引起积水现象，严重降低了公路的使用寿命和服务水平。

4 结 语

( 1 ) 塌陷区上方进行公路建设活动易引起下方岩层的活化失稳，进而导致路基产生相应的变形破坏。试验表明公路荷载越大路基内部应力波动程度越大，范围越广，路基移动变形程度越高。塌陷区公路建设和维护时，应对公路规格进行详细设计。

( 2 ) 塌陷区中部路基垂直沉降值高于两侧边缘区，但受塌陷区特点影响中部区域路基沉降较均匀，能够保持一定的整体性，路基水平变形程度较小，开裂等破坏现象不明显。

( 3 ) 路基水平变形主要发生在塌陷区边缘处，由于近开切眼一侧在周期来压影响下不断被压实，裂隙发育程度较高，破坏程度高于终采线一侧。

( 4 ) 路基侧向变形相对于垂直沉降和水平位移而言变形程度较轻，变形主要发生在路基两侧且呈对称分布，影响呈区域化和集中化。边缘区外侧及中部路基主要产生压缩变形，而边缘区内侧则产生由内向外的鼓胀变形。

( 5 ) 模拟表明路基破坏主要分布在塌陷区中部及边缘区位置处，中部路基破坏主要表现为路基基床离层，但在一定程度上能保持其完整性，而边缘区路基主要为拉张破坏，易产生张裂变形，严重破坏了路基的整体性。因此，在前期施工建设和后期运营中应针对其不同特点采取相应的防护措施。