采空区路基土结构变形特征研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-02-13作者简介：姚鸿飞（1991），男，陕西扶风人，硕士，工程师，研究方向为公路工程。采空区路基土结构变形特征研究姚鸿飞1，苏耀东2，畅晓钰3（1.陕西交控科技发展集团股份有限公司，陕西 西安 710075；2.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250101；3.山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030000）摘要：为了保证采空区路基结构的稳定性，需对路基土结构变形特征进行研究。以某煤矿采空区路基工程为研究对象，通过动三轴试验，对动荷载作用下的路基土体动力特性进行分析，得到路基土应力-应变、动骨干及累积塑性变形等特征曲线。结果表明：随着荷载作用次数增加，采空区路基土体变形逐渐增大，且在荷载施加初期增速较快，后期增速减小并趋于稳定，下伏土层变形量较小，即车辆动荷载作用对采空区路基地表土结构变形影响较小。关键词：采空区；路基土结构；变形特征中图分类号：U416.01文献标识码：A0 引言公路建设过程中遇到采空区时，通常采用路线绕避的方式进行处理。当路线无法绕避时，应对采空区路基进行处理，实时监测施工过程中路基土体变形情况，以保障路基的安全稳定。本文结合工程实例，采用动三轴试验，通过模拟车辆加载过程，在不排水条件下，对采空区路基土体结构的变形特征进行了研究，为采空区路基工程施工提供技术支撑。1 工程概况以某煤矿采空区路基工程为例，该路基工程共涉及、及等 3 个采空区，地下采空区面积约为1.066 km2，深度为481.27550.68 m，分布于项目西南及中部区域，部分区域分布有溶腔。公路运营过程中受到车辆动力荷载的长期作用，下伏原状土层会产生动力变形。研究表明1-2：车辆荷载在路基土层中的传导深度有限。因此，本研究选取地表下025 m范围内的土层进行动三轴试验，结合项目场地条件，灵活控制固结围压、频率、应力比及动荷载等参数，分析原状土体的轴向残余应变，以此评估附加采空区路基土体结构变形情况。2 动三轴试验准备2.1 土样采集根据工程地质勘察结果，该公路下伏土层主要为粉质黏土。本试验采用动三轴试验对该区域土体动力特性进行研究。考虑车辆荷载作用下土体深度受影响较小，因此，选定5个不同深度区域取土（02 m、35 m、68 m、915 m以及1625 m）。各深度区域范围内各取10组土样。根据地质勘察结果，得到路基土底3 m埋深下原状土的基本物理指标，见表1。表1 下伏土层基本物理指标土体粉质黏土埋深/m328天然孔隙比0.78天然含水量（）24.07塑限（）26.9液限（）48.17天然密度/（kg/m3）1 900压缩模量/MPa5.32内摩擦角/14.93黏聚力/kPa28.42.2 试件保存土样采集完成后，制备75 mm75 mm150 mm标准立方体试件，用塑料薄膜包裹并塑胶密封，以减少土体含水量损失。对各试件做好编号，记载采样时间、地点及深度。现场取土转运至实验室后进行试验检测。由于长时间运输、储存，不可避免导致原状土体失水，因此需做好土样的增湿处理。通常采用水膜转移法进行增湿处理：首先用喷壶对土样缓慢喷水，提高土体含水率；然后将土样置于玻璃保湿缸，静置至少48 h，使水分在土样内均匀分布，从而减少土样水分的损失。2.3 加载方案设计路基土体受围压作用固结稳定后，在车辆等动荷载长期作用下，会产生附加变形，导致土体内部产生竖向动载作用，且荷载幅值较大，因此，对土体侧向施加围压，能够模拟天然土体受到的实际应力，轴向附加正弦波动荷载，能够模拟车辆通过时路基土体产生的动力响应。通过模拟施加车辆荷载，对动载作用下的土体动力特性进行分析。室内动力试验设计的交通荷载简化模型有不同的侧重点，且受试验设备、环境条件等限101总656期2023年第26期（9月 中）制，动力模拟和试验方案存在一定差异。研究表明3-4，在交通荷载作用下，路基土体内应力水平通常处于动态变化。本试验初步确定围压为50 kPa，并保持围压、动荷载随时间同步变化。不同围压、动荷载组合下，土体的应力水平存在一定差异，以土体内最大偏应力作为表征应力水平的参数指标。车辆荷载对土体施加的作用与排水条件、加载频率、轴荷幅值、循环周期及围压等因素有关。研究表明5，试验加载动力波的频率通常采用12 Hz。本次试验频率设为1 Hz。同时，在车辆荷载长期作用下，土体的实际排水状态介于不排水与完全排水之间。在不排水状态下，土体累计变形具有一定的不确定性，以不排水条件开展试验能够真实反映天然土体受动荷载作用产生的动力响应。为了使试验效果更加真实，拟采用不排水条件进行动三轴试验，试验步骤如下。1）试样准备。根据仪器要求的尺寸处理原状土样，测定、调整至天然含水率状态。2）调试仪器。调试、检测仪器，确保仪器能正常运转。3）装样。在乳胶膜内装入试样，排净上、下压力管内空气，确保乳胶膜中没有气泡。4）装压力室。先复位压力室，待固定后注入蒸馏水，当压力室注满后关闭进水阀，并做密封处理。5）设定围压。按照预定设计方案设定围压为 50kPa。6）动力试验。设定动荷载频率、幅值、次数及循环波形，并开启自动记录。7）试验结束。排出压力室内水，拆除仪器内土样，关闭荷载施加系统，退出记录软件。3 土体变形特征研究3.1 应力-应变滞回曲线应力-应变滞回曲线是指在单个荷载循环周期内，对试件进行加载、卸载、反向加载及反向卸载，得到应力与应变之间的关系曲线，能够反映动应变相较于动应力的滞后特性。加载频率 1 Hz、固结应力比为 1时，对应的原状土滞回曲线如图1所示。由图1可知，循环荷载作用次数较少时，滞回环分布密度较小；随着循环荷载作用次数增加，滞回环逐渐由稀疏变为紧密，动应变变化趋于稳定，即发生了应变硬化。同时，图1中的滞回环均为半封闭形式，主要是由土体塑性特性引起。土体在发生塑性变形后，卸载时难以完全恢复至原有形状，且伴随着荷载循环，土体内出现累积塑性应变，进而引起滞回环中心朝动应变增大方向偏移，表明土体塑性变形具有一定的时间效应。循环荷载作用次数N=100时，滞回环形状接近于柳叶形，随着振动次数增加，滞回环形状逐步自柳叶形向椭圆形过渡，但其形状变化较小。滞回环形状变化主要是由于在循环施加荷载过程中土颗粒之间摩擦耗能逐渐增大，使得土体变形越来越大。3.2 动骨干曲线循环荷载作用次数与动应变幅值之间关系曲线见图2。由图2可知，随着振动次数增加，试样轴向变形逐渐增大，且其增速变化由快变慢，先快速升高，随后逐渐减小并趋于稳定。低动应变幅值下，路基采空区下伏土体试样的动骨干曲线见图3。该曲线是由不同循环荷载作用次数下滞回环曲线的顶点连接得到的，用于表征不同循环荷载作用次数下试样动应力幅值、动应变幅值间的变化关系，这是分析采空区路基土体本构关系的基础。由动骨干曲线可知，随着动应变的增大，动应力逐渐增大，动应力的增幅变化自快至慢，并逐渐趋于稳定。其主要原因在于土体受荷初期处于弹性变形状态，随后逐步过渡至塑性变形，表现出较为典型的应变硬化特性。动应变（%）43210N=15 000N=10 000N=5 000N=1 000N=1001050-5-10动应力/kPa图1 应力-应变滞回曲线注：N为循环荷载作用次数。循环荷载作用次数N02 5005 0007 50010 00012 50015 0004.54.03.53.02.52.01.5动应变（%）图2 循环荷载作用次数-动应变曲线102交通世界TRANSPOWORLD3.3 累积塑性变形该公路采空区路基土体受车辆荷载长期作用，下伏土层产生累积塑性变形，其变形特性与土体性质、荷载水平、应力历史等因素有关。引起累积塑性变形的另一重要因素在于车辆循环行驶次数。每当车辆驶过时，下伏土层会产生弹性变形及塑性变形。其中，弹性变形在车辆驶离后可以恢复至初始状态，但塑性变形无法恢复，这也导致下伏土层受到加载-卸载循环作用后产生残余变形，即发生累积塑性变形。在循环荷载作用下，采空区路基下伏土层的变形曲线如图4所示。由图4可知，随着循环荷载作用次数增加，土体变形量逐渐增大，且其增速在荷载施加初期较快，随着塑性变形不断增大，增速逐渐变缓并趋于稳定。由此可知，随着公路运营时间的延长，路基下伏土层逐渐压紧、密实，并逐渐趋于稳定状态。受车辆等循环荷载长期作用，路基土体结构会持续产生累积塑性变形，表现为工后沉降及不均匀沉降，当沉降量过大时，将损害路基使用性能及耐久性能，甚至会带来交通隐患。因此，有必要针对循环荷载长期作用下的路基沉降进行分析及预测。该公路采空区路基土体沉降变化情况如图5、图6所示。动三轴试验结果表明：随着循环荷载作用次数增加，土体累积变形逐渐增大，且初始阶段增速较快，然后增速逐渐降低并趋于稳定。同时，车辆动荷载对采空区路基下伏土层的深度影响较小，该公路路基填土高度为11 m，车辆循环动荷载对于地表路基土产生的不利影响较小，表明其对地表沉降的影响有限。（下转第107页）10987651.01.52.02.53.03.54.04.55.0动应变（%）动应力/kPa图3 动骨干曲线03 0006 0009 00012 00015 00018 000循环荷载作用次数N543210-1动应变（%）图4 循环荷载作用下下伏土层的变形曲线观测时间/d012345678910CJ13-CJ12CJ13-CJ14CJ13-CJ31CJ37-CJ36CJ37-CJ57CJ42-CJ49CJ42-CJ58观测时间/d0123456（b）采空区、（a）采空区1000-100-200-300-400-500-600-700-800沉降量/mm沉降量/mm0-60-120-180-240-300-360-420-480图5 路基土体沉降量变化情况时间/年123450-100-200-300-400-500-600沉降速率/（mm/yr）图6 路基土体沉降速率变化情况103交通世界TRANSPOWORLD并且该路段在通车第 5年时才降为“良”。由此可知，该类路面结构在较高的车辆荷载作用下，在通车 5年内，沥青路面车辙损坏整体保持在良及以上水平。沥青路面车辙深度指数RQI的年平均值为93.78，表明行车舒适性较好。2.2.3 对比分析通车5年内，对改造后为水泥路面和沥青路面的两种路面结构的路面使用性能指数PQI进行比较，结果如图9所示。由图 9 可知，在交通量相同的情况下，通车 5 年内，水泥路面的路面使用性能指数 PQI均低于沥青路面，表明沥青路面的路况较好。沥青路面的路面使用性能指数PQI在92.6185.99，评价为“良”以上，而水泥路面的路面使用性能指数PQI在83.5178.54，评价为“中”以上，最大的差距出现在第4年，水泥路面的PQI比沥青路面低10.44%。可以看出，通车5年内，沥青路面的使用性能要优于水泥路面。3 结束语通过分析不同路面改造结构的性能指标，得出改造后为沥青路面的路段使用性能较优，因此在条件允许的情况下，建议将原水泥路面改造为沥青路面，使其具有更好的路用性能，提高行车舒适性。参考文献：1 李华锋.某旧路改造项目共振碎石化及沥青路面加铺技术研究J.交通世界，2023（16）：46-48.2 黄潮伟.水泥混凝土路面沥青改造技术探讨J.工程建设与设计，2022（16）：203-205.3 钟振威.南方湿热地区水泥混凝土路面改造设计研究D.广州：华南理工大学，2017.4 江龙进.水泥混凝土路面改造工程设计综述J.工程与建设，2016，30（3）：327-329.5 交通运输部公路科学研究院.公路技术状况评定标准：JTG 52102018S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.（上接第103页）4 结束语综上所述，本文对车辆循环荷载作用下的采空区路基土体结构变形特性进行了研究。首先，现场采集了不同埋深位置的土体，制备了土体试样；然后，通过动三轴试验，确定了实际工况条件下原状土体的轴向残余应变、残余体应变等参数。试验结果表明：当循环荷载作用次数增加时，滞回环形状从柳叶形逐渐转变为椭圆形，并趋于稳定状态。引起滞回环形状变化的主要原因为土体受循环荷载作用使得土颗粒之间摩擦耗能增多，引起土体变形增大。随着荷载作用次数增加，土体变形逐渐增大，其增速在施加荷载初期较大，但随着土样塑性变形持续增大，其增速逐渐降低并趋于稳定，表现为典型的应变硬化。总体而言，当车辆荷载作用次数增加（即公路运营时间延长）时，采空区路基下伏土层逐渐压实，压实度指标趋于稳定，且变形量较小。参考文献：1 冯好娟.高等级公路采空区路基处理措施分析J.交通世界，2022（27）：109-111.2 姜朔.下伏深层盐矿水溶采空区铁路路基变形规律研究D.广州：华南理工大学，2020.3 李传宝.桩板结构处理高铁采空区路基变形监测研究J.铁道工程学报，2019，36（2）：33-37，87.4 王荻.采空区上方路基沉降预测和合理过渡路面结构研究D.郑州：郑州大学，2016.5 齐宁.准神铁路石砭煤矿采空区路基注浆加固治理技术J.河南科技，2015（2）：95-97.100806040200PQI平均值（沥青路面）PQI平均值（水泥路面）PQI平均值通车年限/年1234578.5485.9979.6288.980.3889.0780.5689.6983.5192.61图9 路面改造工程PQI平均值对比107