采空區下沉盆地防積水淹沒框架橋“橋上建橋”力學特性研究

竇國濤 丁新 于文杰 黃勇博 萬戰勝 董清志

基金項目：河南省科技攻關項目（212102310967）；河南省科技攻關項目（222102320468）；鄭州航院2024年實驗室開放項目（ZHSK24-29）

第一作者簡介：竇國濤（1985-），男，博士，講師。研究的方向為采空區橋梁加固及公路橋梁施工過程安全。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.017

摘? 要：為防止采空區下沉盆地框架橋被積水淹沒，提出2種治理方案，采用ANSYS建立其有限元模型，研究不同土壓力作用下框架橋“橋上建橋”的可行性。研究結果表明，①采空區下沉盆地壓縮區原有框架橋隨著側土壓力的增大，其合位移隨之增大；②采空區下沉盆地壓縮區原有框架橋隨著側土壓力的增大，其第一主應力也隨之增大；③極限被動土壓力作用下，原有框架橋可采用加大截面法進行加固，但加大截面尺寸較大，不經濟；④通過松動框架橋兩側土體，減小框架橋側土壓力，然后在其上續建新框架橋，形成組合框架橋，可以節省混凝土，更為經濟。

關鍵詞：采空區；框架橋；橋上建橋；被動土壓力；力學特性

中圖分類號：TD228? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0071-06

Abstract： In order to prevent the frame bridge in the subsidence basin of the goaf from being submerged by water accumulation， two treatment schemes are proposed. The finite element model is established by ANSYS， and the feasibility of "building a bridge on the frame bridge" under different earth pressure is studied. The research results show that： ①the combined displacement of the original frame bridge in the compression area of the subsidence basin in the goaf increases with the increase of lateral earth pressure;② The first principal stress of the original frame bridge in the subsidence basin compression area of the goaf increases with the increase of the lateral earth pressure;③Under the action of ultimate passive earth pressure， the original frame bridge can be strengthened by increasing section method， but the increasing section size is large and uneconomical; ④By loosening the soil on both sides of the frame bridge， reducing the earth pressure on both sides of the frame bridge， and then continuing to build a new frame bridge on it to form a composite frame bridge， it can save concrete and be more economical.

Keywords： goaf; frame bridge; bridge construction on bridge; passive earth pressure; mechanical properties

我國煤炭開發歷史悠久，因長期的煤炭開采，地下形成大規模的空洞區域，稱為采空區。由于交通運輸的需要，此區域存在大量的框架橋，地表沉陷后，形成下沉盆地，框架橋也隨之沉陷，有些框架橋沉陷可達到6～9 m。當雨季到來時，下沉盆地積水，淹沒原有橋梁，使得通行中斷，嚴重影響和制約區域社會和經濟的可持續發展。采空區塌陷框架橋的治理是礦山綜合治理工作的一項重要內容[1-2]。

于廣云等[3-10]課題組進行了一系列研究，根據煤礦采動區地表沉陷變形規律和鐵路橋結構特征，建立了合理的數值計算模型，研究了地下開采引起的地表土體擾動、地表移動變形，以及對原橋體結構和地基產生的附加內力和附加變形的規律。李慧敏[11]提出將旁側堆載加固方法應用到采煤沉陷區橋梁地基的加固治理中，開展了天然地基和既有復合地基旁側堆載加固機理研究，為采煤沉陷區橋梁地基堆載設計提供一定理論基礎。楊洋[12]以淮南礦區某鐵路框架橋為例，采用有限元軟件Abaqus研究了不同曲率半徑的地表沉降對橋體和地表土的影響。張海清[13]分別對分期采礦形成地下采空區、雙層采空區進行注漿處置，然后進行橋梁和墩臺的變形及受力特征等進行數值模擬分析。溫慶杰等[14]為分析采空區支座差異沉降對上部結構受力的影響，建立了新、舊箱梁橫向拼接后的簡化力學計算模型，采用紐瑪克數值法分析了支座差異沉降產生的附加內力，同時對影響附加內力的主要因素進行了參數分析。趙冠剛[15]針對采空區的公路橋，通過采用簡支結構體系，合理劃分樁周土層，考慮剩余下沉位移產生負摩阻力等不利影響，合理增加基樁的安全儲備，并通過增設伸縮縫、使用可調支座等構造措施，保證了橋梁結構的安全合理。

本文在前期研究[16-17]的基礎上，針對采空區下沉盆地中的框架橋容易被積水淹沒的情況，創新地將采空區下沉盆地塌陷框架橋作為基礎，在其之上新建框架橋的思路出發，進行分析，研究其力學特性。

1? 工程背景

采空區地下煤層未開采時，土體受到各個方向力的約束，處于自然應力平衡狀態。采空區框架橋受力模式和正常工況下框架橋受力模式一致，其兩側墻所受土壓力為主動土壓力（如圖1（a）所示），當煤層開采后，將形成采空區（如圖1（b）所示）。

隨著時間的推移，地下巖層逐步垮落，地面形成下沉盆地，框架橋沉陷。當框架橋最終沉陷的位置為下沉盆地中心位置時，由于地表土體壓縮擾動的作用，框架橋兩側墻所受的擾動土壓力將會增大，增大后的擾動土壓力位于主動土壓力和極限被動土壓力之間，其值ph大小和框架橋與土體之間相對位移s存在一定關系（如圖1（c）所示）。

由于土壓力的增大，對原有框架橋受力極為不利，框架橋則有可能被土體擠壓破壞，同時，由于塌陷，路面將沉降。雨水季節時，該處低洼地帶容易積水，積水淹沒框架橋，導致無法通行，因此本文提出2種解決方案。

方案一：在塌陷前，對框架橋進行加固，待塌陷穩定后，在加固后的框架橋上續建新框架橋，形成組合框架橋，如圖2所示。

方案二：在塌陷過程中，檢測框架橋側墻側土壓力，當側土壓力增大到一定程度，則將原有框架橋兩側土體松動，以減小其土壓力到安全程度。待沉降穩定后，在原有框架橋上續建新框架橋，形成組合框架橋，如圖3所示。

（a）? 煤層未開采時原有框架橋

（b）? 煤層開采形成采空區

（c）? 煤層開采后原有框架橋沉陷

圖1? 采動塌陷示意圖

圖2? 原有框架橋續建方案一

圖3? 原有框架橋續建方案二

2? 土壓力計算

2.1? 正常工況框架橋土壓力計算

正常工況下在框架橋設計時，其側墻的土壓力按照主動土壓力進行計算，當土層特性無變化且無汽車荷載時，作用在單位長度框架橋側壁上的主動土壓力標準值按照庫倫土壓力計算，如式（1）所示。

Ea=■？酌h2Ka。? （1）

沿墻高度分布的主動土壓力強度pa可通過對式（1）微分求得，即

pa=？酌zKa。? ? ? （2）

式中：Ka是主動土壓力系數，即

式（1）（2）（3）中：Ea是主動土壓力；pa是主動土壓力強度；？酌是土體的重度；h是框架橋的高度；z是計算框架橋土壓力位置；？漬是土體內摩擦角；？啄是土體和墻體之間的外摩擦角；？琢是橋臺或擋土墻背與豎直面的夾角；？茁是填土表面與水平面的夾角。

2.2? 采空區下沉盆地壓縮區框架橋土壓力

本文研究的工況前提是煤層的傾斜方向充分采動。煤層的開采厚度為m0，開采深度為H0，開采長度為L0，對應的曲線如圖4所示[16]。當框架橋位于下沉盆地壓縮區中心時，框架橋兩側土體將擠壓框架橋，框架橋側土壓力將由主動土壓力逐漸增大到被動土壓力。當相對位移達到極限位移時，土壓力也將增大到極限被動土壓力如圖5所示。

如式（4）所示。

Ep=■？酌h2Kp。? （4）

沿墻高度分布的被動土壓力強度pp可通過對式（4）微分求得，即

pp=？酌zKp，? （5）

式中：Kp是主動土壓力系數，即

式（4）（5）（6）中：Ep是被動土壓力；pp是主動土壓力強度，其余參數和上述相同。

當兩者相對位移未達到極限位移，框架橋側土壓力計算如式（7）所示。

Ed=■？酌h2Kd 。? ? ? ? ? ? （7）

沿墻高度分布的被動土壓力強度Pd可通過對式（7）微分求得，即

pd=？酌zKd， （8）

式中：Ka≤Kd≤Kp。式（7）、式（8）中：Ed是擾動土壓力；Kd是擾動土壓力系數；pd是擾動土壓力強度，其余參數同前述。

2.3? 組合框架橋側土壓力計算

方案一中組合框架橋上側橋體可采用主動土壓力計算，下側框架橋的土壓力則需在擠壓后土壓力基礎上再考慮新填土的作用，當兩者相對位移達到極限位移，框架橋側土壓力沿墻高度分布的被動土壓力強度為

pp=？酌zKp+？酌h1Ka。? ?（9）

當兩者相對位移未達到極限位移， 沿墻高度分布的被動土壓力強度為

pd=？酌zKd+？酌h1Ka，（10）

式中：h1為新框架橋的高度，其余參數同上。

方案二中組合框架橋可采用主動土壓力計算，如圖6所示。

（a）? 非充分采動

（b）? 充分采動

圖4? 開采主斷面內地表移動與變形分布圖

圖5? 下沉盆地壓縮區框架橋與土體相互擠壓示意圖

圖6? 組合框架橋側土壓力示意圖

3? 有限元模擬

本課題采用實際工程中某框架橋尺寸作為原始尺寸，如圖7所示，采用ANSYS進行模擬計算，單元采用Solid65單元，鋼筋混凝土采用整體式模型，底板約束x，y，z方向的位移ux，uy，uz，材料參數見表1。僅考慮土壓力及自重作用下框架橋力學響應，未考慮其他作用，土壓力以面荷載形式通過梯度荷載設置作用于框架橋側墻上。原有框架橋有限元模型如圖8所示。土體參數見表2。

（a）? 立面圖

（b）? 平面圖

圖7? 原有框架橋尺寸示意圖

表1? 有限元模型材料參數

圖8? 框架橋有限元示意圖

表2? 土體參數

4? 結果分析

4.1? 方案一模擬結果分析

4.1.1? 原有框架橋

針對方案一，首先研究不同土壓力作用下原有框架橋力學特性，見表3。土壓力大小如圖9所示。

表3? 工況設置

圖9? 不同工況下原有框架橋側土壓力（方案一）

在側土壓力作用下，框架橋外側墻向內側凹陷，最大位移位于框架橋外側墻中部區域，將位移極值絕對值匯總于圖10所示。分析圖中數據可知，隨著側土壓力的增大，合位移極值絕對值也隨之增大，工況四極值為工況一極值的64.9倍。

圖10? 工況一至工況四下原有框架橋未加固合位移極值絕對值對比

在側土壓力作用下，工況一最大第一主應力位于框架橋外側墻上部區域，工況二至工況四最大位移位于框架橋外側墻下部區域，將其極值匯總于圖11所示。分析圖中數據可知，隨著側土壓力的增大，第一主應力極值也隨之增大，C40混凝土抗拉強度標準值為2.40 MPa，工況三和工況四混凝土第一主應力已超限。

4.1.2? 原有框架橋加固

通過有限元分析，可知在工況三和工況四應力超限，本文以極端情況工況四進行加固分析。采用加大截面法進行加固，通過有限元模擬試算，框架橋截面尺寸達到如下時，外側壁加厚到2 m，中壁加厚到1 m，頂板加厚到1.5 m，底板加厚到2 m，如圖12所示，在極限被動土壓力作用下框架橋混凝土抗拉強度才能夠滿足要求，如圖13所示。由于極限被動土壓力遠大于主動土壓力，要使得框架橋滿足要求，截面加厚尺寸較大，不經濟。

圖11? 工況一至工況四下原有框架橋未加固第一主應力極值對比

圖12? 被動土壓力作用下框架橋加固尺寸

圖13? 被動土壓力作用下框架橋加固有限元模擬

4.1.3? 原有框架橋加固后續建新橋

假定原有框架橋沉陷7 m，組合框架橋尺寸如圖14所示。土壓力示意圖如圖15所示，土壓力計算采用第2節公式計算。建立其有限元模型并計算，得出其第一主應力云圖，如圖16所示。分析圖中數據可知，下側框架橋外側墻下部區域外側受拉，拉應力最大，達到2.34 MPa，第一主應力極值有所提高，但并未超限。

4.2? 方案二模擬結果分析

原有框架橋不進行加固，檢測其兩側土壓力，始終低于安全值，待沉降穩定后，將兩側填土挖開重新統一填土，則只需驗算組合框架橋應力是否超限。

圖14? 組合框架橋尺寸圖（方案一）

圖15? 組合框架橋土壓力示意圖（方案一）

圖16? 填土后組合框架橋第一主應力云圖（方案一）

組合框架橋尺寸如圖17所示，土壓力示意圖如圖18所示。經過計算，其第一主應力云圖如圖19所示。分析圖中數據可知，其最大第一主應力為0.956 MPa，位于下側框架橋外側墻下部區域，并未超限。綜上可知，采用方案二更經濟。

圖17? 組合框架橋尺寸圖（方案二）

圖18? 組合框架橋土壓力示意圖（方案二）

圖19? 組合框架橋第一主應力云圖（方案二）

5? 結論

針對采空區下沉盆地中的框架橋容易被積水淹沒的情況，本文提出“橋上建橋”的解決方案。本文將采空區下沉盆地壓縮區塌陷框架橋作為基礎，在其之上新建框架橋的思路出發，進行研究，提出2種治理方案。方案一為在塌陷前，對框架橋進行加固，待塌陷穩定后，在加固后的框架橋上續建新框架橋，形成組合框架橋；方案二為在塌陷過程中，檢測框架橋側墻側土壓力，當側土壓力增大到一定程度，則將原有框架橋兩側土體松動，以減小其土壓力到安全程度，待沉降穩定后，在原有框架橋上續建新框架橋，形成組合框架橋，并進行了研究分析，得到如下結論。

方案一采空區下沉盆地壓縮區原有框架橋隨著側土壓力的增大，其合位移隨之增大，極限被動土壓力作用下其極限合位移絕對值為主動土壓力作用下極限合位移絕對值的64.9倍。

方案一采空區下沉盆地壓縮區原有框架橋隨著側土壓力的增大，其第一主應力也隨之增大，側土壓力增大到一定值時，框架橋第一主應力將會超限，工況三和工況四混凝土第一主應力已超限。

方案一極限被動土壓力作用下，原有框架橋可采用加大截面法進行加固，但加大截面尺寸較大，不經濟。方案二通過松動框架橋兩側土體，減小框架橋側土壓力，然后在其上續建新框架橋，形成組合框架橋，可以節省混凝土，更為經濟。本文提出的技術方案為后續該類工程提供參考。

參考文獻：

[1] 田奎生，王艷霞.河南省煤礦采空區塌陷災害治理方法研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2010.

[2] 毋存糧，葉雨山，楊利民，等.下伏采空區道路修筑技術研究與應用[M].北京：科學出版社，2018.

[3] 于廣云，夏軍武，王東權.采動區鐵路橋沉陷加固治理[J].中國礦業大學學報，2004，33（1）：59-61.

[4] 夏軍武，于廣云，吳侃，等.采動區橋體可靠性分析及抗變形技術研究[J].煤炭學報，2005，30（1）：17-21.

[5] YU G， LIU C， ZHANG Y. Investigation on application of Gabion structure to railway bridge embankment in mining subsidence area[J]. Xinan Jiaotong Daxue Xuebao/Journal of Southwest Jiaotong University， 2010，45（6）：863-867.

[6] 陳倩倩，吳振，王東權，等.采動區框架橋抗變形優化研究[J].鐵道建筑，2012（2）：25-27.

[7] 苑國強.組合框架橋沉陷及安全狀態監測與評估研究[D].徐州：中國礦業大學，2014.

[8] 徐德志.采煤沉陷區既有框架橋可升式鋼結構加層技術研究[D].徐州：中國礦業大學，2015.

[9] 孫銀榮.采動區可續建箱型結構承載特性研究[D].徐州：中國礦業大學，2015.

[10] 竇國濤.采動區擾動側土壓力及框架橋與土體相互作用機理研究[D].徐州：中國礦業大學，2017.

[11] 李慧敏.采煤沉陷區框架橋旁側堆載地基加固機理研究[D].徐州：中國礦業大學，2014.

[12] 楊洋.采動區箱涵合理結構型式研究[D].徐州：中國礦業大學，2009.

[13] 張海清.下伏采空區橋隧工程力學響應特征及變形趨勢預測分析[D].秦皇島：燕山大學，2010.

[14] 溫慶杰，朱玉曉，王東權.箱梁橋橫向拓寬后的基礎沉降附加內力分析[J].中國礦業大學學報，2011，40（3）：351-356.

[15] 趙冠剛.某采空區內公路橋優化設計[J].鐵道標準設計，2013（6）：73-76.

[16] 竇國濤，夏軍武，于文杰.采動下沉盆地壓縮區斜交框架橋受力性能[J].科學技術與工程，2021，21（12）：5084-5091.

[17] 謝曉鵬，竇國濤，曹正浩，等.采動區墻體轉動模式下非極限被動土壓力試驗研究[J].科學技術與工程，2018，18（25）：216-223.