公路路基結構在采空區域的變形破壞研究

張普綱

（1.黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點試驗室，山西太原030006；2.山西省交通科學研究院，山西太原030006）

1 概述

近年來高速公路建設突飛猛進，其規劃區域逐漸向煤炭資源集中分布的山區延伸，大量采空區域與現采區域不可避免地上覆了高速公路。已經產生塌陷變形的煤礦采空區地表與后續的塌陷或殘余變形，會誘發高速公路路基、路面或構筑物地基產生變形破壞，嚴重影響其強度及穩定性，對公路安全運營造成危害。實踐表明，部分穿越采空區的公路運營時出現了不同程度的路基沉陷變形而導致路面塌陷破壞，因此，研究采空區域內高速公路路基路面的變形破壞的規律，尋求其主控因素，在勘察階段能夠針對性查清，在設計階段對變形薄弱環節進行特殊設計，增強其強度，對采空區采取經濟有效地治理技術路線。

2 地表變形誘發路基結構變形一般原理

地表下沉一般均是大范圍的、連續的、平緩的，而在時間上是漸變的。在這種下沉形式下，路基下部有整體巖層支托，不會發生松動、破碎現象，表現為整體移動，因而不會失去其堅固性。因而高速公路受地表沉陷變形的影響以水平變形最為明顯，在地表拉伸變形區，公路路基的密實度降低，但在車輛動載荷的作用下，路基在豎向上再壓縮，使其在采動過程中始終保持足夠的強度，路基表面有時會出現裂縫，這種裂縫也是逐漸形成的，在豎直方向上，發展到一定深度即會尖滅。在地表壓縮變形區，路基的密實度將增大。由于路基土體有一定的空隙，能吸收一部分壓縮變形，不會對路基造成影響。高速公路的破壞變形值以水平拉伸破壞變形值為準。公路設計與施工主要應該考慮地表剩余下沉及其引起的剩余傾斜、剩余曲率和剩余水平變形，重點考慮的部位相應為盆地邊緣的拉伸變形影響區、壓縮變形影響區和傾斜變形影響區。

3 物理相似試驗過程分析

3.1 試驗方法

試驗模型為同比的鋼架結構試驗臺，模型架長4370mm、高2600mm、寬200mm。本試驗，如圖1所示，為一垂直公路走向的橫向模擬。煤層由底層13層，每層35塊砌塊紅磚模擬，并用抽動磚塊模擬采空以產生地表變形，厚800mm的夯實黃土模擬巖層傳遞變形，路面結構由水泥穩定碎石基層相似模擬，其不同強度由水泥、碎石等材料的比例控制，以公路路基的實際厚度同比例尺模擬。

模擬臺設置了位移測量點，測點5排40處，間距200mm。初期微小位移的測定由頂部安放的2個千分表完成，測點使用精細的圖釘，粘貼于對應位置，中心為小十字。

為較為準確地模擬路基變形特征，路基采用由水泥穩定碎石基層。水泥穩定碎石強度形成原理有嵌擠作用與水泥的硬化作用，其中：

嵌擠作用：由于水泥穩定級配碎石具有一定的顆粒組成，按顆粒大小進行排列組合，按小顆粒補充大顆粒空隙、一級補填一級的原則進行設計。因此，它在外力的作用下，依靠顆粒間的嵌擠和摩阻作用而形成內摩阻力，使其具有一定的強度和穩定性。

水泥的硬化作用：水泥與水發生強烈的水解和水化反應，形成其他化合物。水泥的各種化合物生成后，有的自行硬化，形成水泥骨架；有的則與碎石中的其他礦物質發生硬凝反應和碳酸化作用，從而增加水泥穩定碎石的強度。

圖1 縱向模型布置圖（單位：mm）

3.2 試驗過程

試驗臺裝好后，經一周的養護，達到穩定后即可開始進行相關試驗。在有機玻璃板上標定測點位置，測量測點原始坐標采用全站儀進行，位移測量由全站儀和人工手動方式共同進行。

試驗過程以間隔時間抽取磚塊模擬采空，人為產生變形，誘發路基結構發生變形。試驗過程中觀察分析路基結構的破壞全過程為主要內容。為了模擬采空區沉降盆地邊緣的拉伸變形，磚塊抽取從左側路肩腳處最上層開始，一次抽取2塊，時間間隔2h，抽取后進行宏觀變形跡象與位移觀測，繪制整個抽取過程模型的變形曲線，分析破壞點與對應變形量，試驗過程至路基結構完全破壞結束，留存影像資料，整理分析試驗數據，繪制圖件，進行變形分析。

3.3 試驗成果研判

研究表明，高速公路路基的材料相似產品碎石混凝土穩定層為脆性材料，脆材料的明顯特征是抗拉強度遠小于抗壓強度。一系列力學作用后，路基在彎矩作用下其上部受拉，從上部折斷，發生突然破壞。從試驗看，路基受采動引起的地表變形作用，在長期的抵抗變形后突然折斷，不同于采空區地表緩慢形成的漸變曲線與沉陷盆地。

分析不同高度路基邊點在不同時刻的下沉量（圖2），在未破壞前路基培土路肩發生過2次折斷，直至發生突然破壞。圖3所示路基下沉曲線顯示最大下沉量為102mm，下沉的同時各測點同時產生了一定量的水平位移。

4 結論與建議

圖2 路基邊點下沉量曲線

圖3 各測點位移失量

本文采用物理相似材料模擬試驗，對采空區高速公路路基結構變形特點和破壞規律進行了研究。通過對路基變形全過程的分析，證實了高速公路路基變形性質為受拉破壞，橫向路基結構破壞為懸臂梁結構上部受拉。

根據研究成果，為減少采空區域高速公路路基破壞，延長路基壽命，在采空區高速公路路基結構設計中，應考慮路基與采空沉陷變形區的相對位置、路基結構變形破壞特點，針對相關部位變形特征針對性進行強化設計，提高其抗變形和抗破壞能力，從路基結構設計本身預防采空引起的破壞。