高速公路下伏采空区剩余沉降量FLAC_3D_计算方法

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采空区剩余沉降量FLAC_3D_数值模拟计算方法

工程技术
陈朝清
2
李森林
3
2、福建永福工程顾问有限公司，福建福州 350003
(2) 式中： σ1S 是在岩石峰值强度时的最大主应力； σ3 是最小主应力； m、 s 是材料常数，取决于岩石性质和原始破裂状况； σc 是岩石单轴抗压强度。此外, 当拉应力超过材料的抗拉强度时，材料将发生拉裂破坏。表 2 给出了各岩层和煤层的物理力学参数。表 2 各岩土层和煤层物理力学参数
强度的水泥土桩体，将严重影响粉喷桩的强度，在这种情况下必须增加粉体的掺入量和采用复搅的施工工艺。高含水量、大孔隙比和粘粒含量多时，土周边的束缚力极低，当钻头反转提升喷灰时，产生一个垂直向下挤压力和一个径向水平推力，由于土呈流塑状，束缚力极低，桩体在成形过程中向下及向四周水平向排水，影响形成竖向桩体，通常形成所谓 “掉桩” 或 “下沉” ，常为地表下 1～2m。当发生 “掉桩” 或 “下沉” 时，只要当时采取立即回填土并重新复喷复搅，就能克服这种现象，如果不作处理将会造成过大的路基沉降。 3 粉喷桩复合地基承载力和粉喷桩单桩承载力的关系粉喷桩复合地基的平均允许承载力公式为： =a× ［σ 桩］ +(1-a) ［σ 土］［σ 复合］式中： σ 复合—— —复合地基的平均允许承载力； a—— —置换率； σ 桩—— —搅拌桩的允许承力力； σ 土—— —天然地基土的允许承载力。无疑，桩的强度将直接影响复合地基的强度，假设桩的强度不断增加而土的强度依然不变，按照公式的计算，复合地基的强度也会不断增加，然而因为粉喷桩从本质上来讲是属实际情况并不如此。摩擦桩类，当土的强度不变，而且饱和软粘土的强度很低时，在这种情况下，即使不断增加桩的强度，这如同一根但总的复合地基强度也不会随之增加。筷子在浆糊里和一个钢筋在浆糊里的情况是类同整个复合地基的。只有当天然土的强度也增强时，的强度才会增加。所以桩的强度应适度，要和天然这当然土的强度相互匹配。反过来桩的强度很低，也是不行的。 4 桩土置换率及粉体掺入量对复合地基强度的影响在实际设计运算时往往提供所要求达到的复拟定的粉喷桩强度及天然地基土的强合地基强度、度来求桩土的置换率，计算出桩数，然后布置桩位，

浅谈高速铁路路基工后沉降及其计算方法

中圈分类号：Ｕ２３８文献标识号：Ａ文章编号：２３０６－１４９９（２０１３）０９－００７４－２
１．路基工后沉降的定义和组成路基在填筑过程中（至铺轨前）所产生的沉降称为施工沉降，这部分沉降可以采用填补加高来解决。路基在铺轨完成后所产生的沉降称为工后沉降，这部分沉降只能以抬道补碴来调整，它直接影响到线路养护维修工作量和高速铁路的运营能力。路基工后沉降由路基填土压密下沉、行车引起的基床累积变形和软土地基产生的工后沉降三部分组成。１．１路基填土压密下沉路基填土压密下沉，是由填土的自重引起的，它发生在两个阶段：是施工阶段的下沉，不计入工后沉降；二是施工完成后对后期运营有影响的工后沉降。由散体材料填筑而成的路基本体产生一定的压密下沉是正常的，其大小取决于填料和施工质量。如果下沉量较大，说明填土的压实度不足、强度低，容易造成不均匀变形。目前世界各国关于路堤填土的压密下沉通常是通过压实密度予以保证的。例如其中较具代表性的日本对填土的压实质量采用值作指标，为了保证填土具有
填料缀配砂砾石
釜－、ｌ
一一、一
实压标准
孔隙率Ⅱ
ｌ地基蔡数瑚《鲴Ｐ｜触）ｌ
０：７０
Ｉ
＞１￣９０
Ｉ
（１８％
表卜２基床底层填料及压实标准
地基系数Ｋ３Ｏ《ａ舨） ≥１１０ ≥ｌ３Ｏ ≥ｌ５ｏ

高速公路下伏多层采空区地表沉陷的预计评价方法

（ｎｔｔｆｅｔｃｎｃｌｎｉｅｒｇｏｔａｔＵｅｙａｊｇ２０９Ｉｓｉｅｏｏｈｌｇｎｅｉ，Ｓｕｈｓｍｖ￣ｔ，Ｎｎｎ１０６，ＣｉａｔｕＧｅａＥｎｅｉｈｎ）
Ａｂｔａｃ：ｓｒｔ
远超过允许值，采空区必须进行处治．该关键词：采空区；地表沉陷；预计评价；概率积分法中图分类号：Ｔ４３Ｕ３文献标识码：Ａ文章 பைடு நூலகம் 号：１０ —００（０２０．６８００１５５２０）４０４．５
ｔｏｕｅ．Ｕｓｎｈｅｉｔｇａｄｌｏｌｓｅｔｎｇｌｒａｌｃｎａｔｔｎ，ｈｅｏａｅａａｅｏｒｄｃｄｉｇｔｎｅｒｌｍｏｅｆｃｏｅｒｃａｕａｎｄｂｏｋｉｇｐｒｉｉｏｔｅｍｔｄｃｎｂｄｐｔｄｔｈｈｈｎｃｆｍｉｉｇｄｐｔｔｅｃａｅｏｎｎｅｈ，ｍｎｎｉｋｅｓ，ｃａｅｉｃｎｄｓａｐ，Ｌｌａｏｌｘｓｖｒｌｓｒｋｉｉｇｔｃｎｓｈｏｌｂｄｐｔｈａｈｒ￡ｗｅｌｓｃｍｐｅｅｅａｔｉｅＳｇａ，ａｄｔｅｅｏｅｔｅｐｇｍｎｖｒａｉｉｄｔｅｐｅｃｉｎｐｅｉｉｎＣｌｂｍｐｖ．ＧｒｕｄｓｓｄｎｅｏｆｎｒｆｒｍｒｅｓｔｌｔａｈｒｄｉｔｏｒｃｓｏａｌｅｉｒｅｈｈｙｎｏｄｏｎｕｉｅｃｂｏｎｌｎｄｃａｅａａｉｙｂｒｄｉｔｄｂｏｒｉａｅｃｎｅｓｏｄｏｖｎｉｎａｓｄｄｉｈａｆｉｃｉｅｏｌｂｄＣｎｅｌｓｅｐｅｃｅｙｃｏｄｎｔｓｏｖｒｉｎａｃｎｅｔｏａｒｉｅａｐｅｄｎｌｎｍｅｏｒｄｆｅｈｔｄａｅｍｏｉｄ．ｉＫｅｏｄｇａ；ｇｏｄｓｓｄｎｅ；ｐｄｉｔｖｕｔ；ｏｂｂｉｉｎｅｒｔｏｔｏｙｗｒｓ：ｏｌｒｕｕｉｅｃｎｂｅｒｃｅｅａａｅｐｒａｌｔｉｔｇａｉｎｍｅｄｄｌｙｈ

基于FLAC3D数值模拟的老采空区剩余沉降量分析计算-以山东枣庄安博

技术方法、覆岩性质以及破坏程度的不同，使得采空区塌陷是一个复杂的、隐蔽的、长期的过程＿３］。采空
区剩余沉降量是采空区顶板覆岩塌陷形成破碎带后
１工程区概况
１．１区域采矿条件
继续下沉压实所引起的地表沉降值，其中也包括破
覆岩已塌陷形成冒落带、裂隙带和弯曲带，在经过一
段时间的自然沉压后采空区逐渐趋于稳定Ｉ１］，而使
在误差。近年来，ＦＬＡＣ数值模拟在岩土地下工程
设计研究中应用越来越广泛，其基于代数表达式代替空间离散点处不确定的场变量，利用有限的差分法求解代数方程求解。ＦＬＡＣ。。适合非线性材料在外力下的屈服流动等大变形模拟，而越来越多的应用研究到下伏采空区稳定性模拟ｌ＿６书］，采空区注浆加固模拟等＿９。下面以山东枣庄市安博化工厂区建设项目为例，对老采空区剩余沉降模拟分析计算。
ｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＲｅｓｉｄｕａｌＳｕｂｓｉｄｅｎｃｅＡｍｏｕｎｔｉｎ０ｌｄ —ＧｏａｌＢａｓｅｄｏｎＦＩＡＣＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＥＪ］．Ｓｈａｎ —

高速公路下伏采空区稳定性评价方法探讨

公路中线斜交，即有一段路基处在了巷道的正上也
方，处巷道埋深约１０巷道的宽度约为１ｍ。此０ｍ，０自地表向下，矿采空区大体可分为如下岩性组：煤地表为粘土、粉土、卵石层，度约为７ｍ，砂厚０地表州市，连接郑州
对路线有一定的影响。
给公路路基、路面的稳定带来极大隐患。因此评价采空区地基的稳定性，采用合理的工程技术措施，
是实际工作中必须解决的具体问题。由于地质条件复杂性、开采方式多样性以及勘察过程中搜集资
宝旗煤矿工程地质特征
该矿于１９９５年建井投产，０４年闭井停产。２０
该区煤柱分层分布，煤线的走向大致呈南北向展布，
料局限性，以对采空区的稳定性进行准确的评价，难
高速公路穿越煤矿采空区的问题也成了近年来公
埋深在７ｍ以下，０煤层的倾角陡直，大约在８０。左右。该矿井有一条开采巷道，巷道的宽度和高度为３巷道埋深约１０ｍ，０ｍ，走向近南北，向北延伸至
【关键词】高速公路采空区稳定性评价
西南绕城高速公路，途径郑州市、昌市和平顶山许
ｌ引言
近年来，随着高速公路建设范围不断扩大以及人为坑洞不断增加，路线经过采空区的情况也会经
常遇到。高速公路下伏采空区的存在，使上覆岩层冒落塌陷，地表将产生不连续沉降或连续沉降盆地，

高速公路路基沉降计算方法

高速公路路基沉降计算方法“高速公路路基沉降计算方法”是一种用于计算高速公路路基可能出现的沉降情况的方法。

该方法首先对道路路面上的沉降和抬升异常进行检测，然后通过分析历史数据、地形因素、材料特性以及施工工艺等因素，进行沉降风险分析和预测，最后给出防止沉降发生的具体措施和建议，以便采取有效的技术措施来减少或避免沉降的发生及其后果。

高速公路路基沉降计算方法主要包括以下几个步骤：1、观测路面沉降和抬升异常首先，根据实际情况选择合适的监测技术，定期观测路面沉降和抬升异常，并以图表形式记录和统计数据。

2、分析历史数据其次，根据历史监测数据，对路基沉降现象进行分析，如果发现路基沉降的规律性，应当加以关注，并对历史数据进行详细的分析，以便进一步了解路基沉降的原因。

3、考虑地形因素在考虑路基沉降计算时，还要考虑地形因素，如：路基处于低洼地带，或者路基处于水库、河流、湖泊等易受水位影响的地带，都会对路基沉降产生影响。

4、分析材料特性路基沉降计算还要考虑材料特性，如：路基所用的基础材料的性质，以及混凝土配合比等，都会影响路基的沉降程度。

5、分析施工工艺此外，路基沉降计算还要考虑施工工艺，如：施工过程中使用的机械设备，是否采用了可以有效阻止沉降的技术措施，以及压实温度是否适宜等，都会影响路基的沉降情况。

6、给出技术措施和建议最后，根据以上数据和分析，给出可以预防路基沉降发生的具体措施和建议，以保证路基的安全及质量。

总之，高速公路路基沉降计算方法是一种用于计算高速公路路基可能出现的沉降情况的方法，包括观测路面沉降和抬升异常、分析历史数据、考虑地形因素、分析材料特性和施工工艺，最后给出防止沉降发生的具体措施和建议，以便采取有效的技术措施来减少或避免沉降的发生及其后果。

高速路基下伏采空区治理的关键技术

２１年第１０２期
西部探矿工程
１３６
高速路基下伏采空区治理的关键技术
谷水兵
（南省岩土工程有限公司，南洛阳４１２）河河７０３
摘
要：随着高速公路的建设和完善，采空区治理技术在高速公路建设中的作用越显重要，根据实例
上架站对所定孔位进行复测，如复测的误差在限差范围之
晋城环城高速公路西北段采空区治理工程合
同段位于甘润村的隆欣煤矿上部，该矿自１９年开采９８至今，生产能力３ ×１／，００ｔａ短臂式开采，开采３煤层，＃采厚３回采率５％。采空区治理深２６３ｍ。ｍ，０２￣２８该工程路段地表已出现塌陷现象，综合分析计经
向中部展开施工，钻孔分二序次进行。
（）８钻孔施工结束后，应带钻孔开孔通知书、工程报
作者简介：谷水兵（９２）男（１８一，汉族）河南扶沟人，，助理工程师，现从事岩土工程及地质灾害治理工程技术工作。
１４６
西部探矿工程
２１０２年第１期
（）１为了避免塌孔，钻孔成孔后应及时进行浇注孔口管。（）２将一端带有ｊ１０ｍ￣ｊ１０ｍ法兰托盘的２２ｍ『２３ｍ『５ｒｍ注浆管下入孔内变径处，内投入２ｃ厚砾０ａ孔０ｍ石，以堵塞大的缝隙，再投入３ｃ厚的粘土，０ｍ防止浆液渗出，后灌入水灰比为（然１：１５～（．）１：２的稠水泥）浆，注长度为４６浇～ｍ。浇注要求达到注浆过程中浆液不会从注浆孔孔壁四周溢出。水泥浆液中应加入水泥重量２的速凝剂，速将注浆管与孑壁固结，快Ｌ起到止浆作用。（）注完毕，３浇当浇注的水泥浆充分凝固后，技术经人员和监理工程师验收合格达到止浆效果后，开始注浆施工。３２１采空区注浆材料．．

高速公路路基沉降的计算方法浅析

高速公路路基沉降的计算方法浅析高速公路是现代化交通运输中的重要组成部分，大大缩短了人们的出行时间。

然而，长期使用和自然因素的影响都会对高速公路产生一定的影响。

其中最常见的问题莫过于路基沉降。

路基沉降不仅会造成驾驶安全问题，还会对道路寿命产生负面影响。

因此，对高速公路路基沉降的计算方法进行深入的分析和研究显得尤为重要。

首先，路基沉降主要是由于土体固结引起的。

固结是指岩土体在受荷后发生变形，使空隙度减小。

计算路基沉降时，通常采用垂直压缩度和剪切变形进行计算。

垂直压缩度指在一定应力状态下，土体垂直于压应力方向的应变与垂直应力之比。

而剪切变形则表示岩土体受到剪应力而产生的变形。

这两个参数的测定和计算都需要运用到一系列实验装置和计算公式。

其次，高速公路路基沉降的计算还需要考虑到不同使用条件的影响。

为了准确计算路基沉降情况，在考虑路基沉降的时候，还应该考虑到高速公路的使用率、使用时间、车流量、气候等因素的综合作用。

由于实际使用情况的复杂性，计算公式和实验方法的应用十分重要。

最后，计算高速公路路基沉降还需要依据一定的理论和实践经验。

岩土力学和土工材料力学等理论在计算中发挥着十分重要的作用。

同时，根据实际情况，针对不同的地质和气候条件，选择恰当的计算方法和技术手段，才能保证计算的准确性和实用性。

总之，高速公路路基沉降的计算方法是一个综合性问题，在计算中需要涉及岩土力学、土工材料力学等专业领域，结合使用情况和地质气候等多个因素进行综合计算。

随着科学技术的不断发展和理论的不断完善，我们相信，在不久的将来，高速公路路基沉降的计算方法将会更加成熟、准确和实用。

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第24卷第19期岩石力学与工程学报 V ol.24 No.192005年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2005收稿日期：2005–02–25；修回日期：2005–05–08作者简介：王生俊(1971–)，男，2000年于兰州大学地质工程专业获硕士学位，现为博士研究生，主要从事岩土工程和道路桥梁等检测、养护和加固等方面的研究工作。

E-mail ：shengjunw@ 。

高速公路下伏采空区剩余沉降量FLAC 3D 计算方法王生俊1，贾学民2，韩文峰1，3，崔素敏1(1. 兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000；2. 石家庄经济学院地下工程系，河北石家庄 050031；3. 天津城市建设学院土木工程系，天津 300381)摘要：采空区剩余沉降量计算是确定采空区危害程度的一种定量方法，其可靠性、准确性和可操作性直接关系到采空区治理方案的选择与评价。

根据采空区塌陷冒落带的力学特征，利用横波参数或瑞雷波参数与岩体静力学参数相类比，确定工程岩体参数评价指标。

针对采空区冒落带当前特征，使用FLAC 3D 软件对高速公路下伏采空区剩余沉降量进行计算，并与当前几种采空区剩余沉降计算方法相比较，阐述其优越性。

采空区治理后的实测数据表明：该计算方法准确可靠，可为高速公路下伏采空区剩余沉降定量计算提供一条新途径。

关键词：公路工程；采空区；剩余沉降；计算方法；FLAC 3D ；岩体参数中图分类号：U 412.36+6 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)19–3545–06A FLAC 3D METHOD FOR CALCULATION OF RESIDUAL SUBSIDENCE INA MINING AREA BENEATH AN EXPRESSWAYWANG Sheng-jun 1，JIA Xue-min 2，HAN Wen-feng 1，3，CUI Su-min 1(1. College of Earth and Environment Sciences ，Lanzhou University ，Lanzhou 730000，China ；2. Department of Underground Engineering ，Shijiazhuang University of Economics ，Shijiazhuang 050031，China ；3. Department of Civil Engineering ，Tianjin Institute of Urban Construction ，Tianjin 300381，China )Abstract ：The calculation of residual subsidence in mining area is a quantitative method to evaluate hazards rank derived from the mining area. The reliability ，accuracy and operation of the calculation directly affect the choice and assessment of the scheme for reinforcing mining areas. Based on the mechanical characteristics of collapse ，the parameters of traverse wave or Rayleigh against static rock mass are used to determine assessment indices for the parameters of engineering rock mass. Under the current status of collapse of a mining area ，FLAC 3D software is used to calculate and evaluate the residual subsidence of the mining area beneath an expressway ；and the advantage of the method is discussed as compared to other calculation methods of residual subsidence. Through a case study of a reinforced mining area ，the testing data show that the proposed method is accurate and reliable ，and it can provide a new way to evaluate and calculate the residual subsidence in mining area beneath an expressway.Key words ：highway engineering ；mining area ；residual subsidence ；calculation method ；FLAC 3D ；rock mass parameters1 引言采空区塌陷沉降是危害高速公路建设的重大工程地质灾害问题，但其勘察、评价、治理难度较大。

采空区的塌陷，除了开采过程中引起的采矿塌陷外，在采矿沉陷稳定后，由于地下尚存在未充填的空间，在某些特定条件和诱发因素下，地面仍然会• 3546 • 岩石力学与工程学报 2005年产生沉降变形或者突然塌陷。

剩余沉降量是自工程建设开始以后地表所产生的沉陷。

剩余沉降量包括部分已采采空区对地表影响还没有基本结束的沉降量和残余沉降量2部分[1]。

残余沉降量指地表下沉基本结束以后，破碎岩块间微小空间经过漫长时间进一步密实后的地表下沉量。

20世纪70～90年代，在调查和经验的基础上，文[2～6]先后研究了采空塌陷、下伏空洞对公路的危害。

文[7]综述了高速公路下伏采空区国内外研究现状及进展。

文[8]将与空洞接触的岩土简化为理想的线弹性介质，研究了在弹性极限条件下岩土的沉陷破坏机理。

文[9，10]采用相似材料模拟试验，研究了老采空区上方兴建建筑物后，地基的沉降规律。

文[11，12]采用数值仿真方法对采空区的开采沉陷进行了数值分析研究。

文[13，14]分别对铁山隧道采空区和木架山采空区治理进行了研究。

简而言之，采空区的剩余沉降量是采矿作用影响区内岩土体继续变形在地面的表象。

显然，正确认识这一力学过程和科学地确定岩土力学评价参数是解决这一问题的关键。

本文根据采空区塌陷冒落带的力学特征，利用横波参数或瑞雷波参数作为工程岩体评价指标，采用FLAC3D软件对高速公路下伏采空区剩余沉降量进行计算和评价，为采空区优化治理提供科学依据。

2 采空区剩余沉降量FLAC3D计算方法FLAC3D是由美国Itasca Consulting Group，Inc.为岩土工程应用而开发的连续介质显式有限差分计算机软件。

该软件主要适用于模拟计算岩土体材料的力学行为及岩土材料达到屈服极限后产生的塑性流动，对大变形情况应用效果更好；可有效地模拟各种开挖工程或施加支护工程等过程。

软件自身设计多种结构元素，可直接模拟这些加固体与岩(土)体的相互作用。

计算所采用的数学模型是根据弹塑性理论的基本原理(应变定义、运动定律、能量守衡定律、平衡方程及理想材料的连续性方程等)而建立的。

本文采用莫尔–库仑弹塑性材料本构模型对郑少高速公路下伏采空区的剩余沉降量进行了计算，并依据计算结果采取相应的治理方案对下伏采空区进行了治理。

2.1模拟方案选择郑少高速公路SK42+230～SK42+580采空区路段来建立计算模型。

计算模型沿路轴线长350 m，宽200 m，高速公路轴线两侧各100 m，采深为130 m。

路宽28 m，边坡坡度1∶1.75。

模型中考虑了高速公路路堤填方后的界限以及采空区地形起伏。

在剖面上，考虑了各地层的分界线和断层的分界线。

计算模型左右边界为单向位移约束边界(=xU0，=yU0)，底部边界为双向位移约束边界(=xU0，=yU0，=zU0)，地表为自由边界。

由于采空区冒落带和裂隙带位于地下一定深度，对采空区冒落带与充填胶结体进行现场和室内试验都很困难。

因此一般都是用现场横波波速或者面波波速测定来确定模量。

在采空区治理研究中，采用弹性波速测井法检测治理工程质量时，要求钻孔中注浆处理层的平均剪切波(横波)速smV≥160 m/s。

但是笔者在研究唐津高速公路(二期)采空区治理时发现，采空区治理前在冒落带中面波波速的最小值是205 m/s，注浆治理之后最小值为245 m/s[15]。

横波与面波有很好的相关性，且两者近似相等，说明国内过去对采空区冒落带注浆充填固结后强度评价指标具有一定的局限性。

考虑到采空区的长期稳定性，评价指标横波波速值应该适当地提高。

通过对焦晋高速公路下伏采空区治理工程面波与孔中波速测井资料的研究，结合以往的资料，文[16]建议横波波速最小值smV≥200 m/s。

根据以上资料分析可知，考虑到采空区剩余沉降的危害和工程治理特点，将采用如下3种模拟方案：(1) 采空区不进行注浆治理(采空区冒落带剪切波达到100 m/s)+筑路；(2) 采空区注浆治理(采空区冒落带剪切波达到200 m/s)+筑路；(3)采空区注浆治理(采空区冒落带剪切波达到300 m/s)+筑路。

通过3种方案的对比计算，确定采空区的治理方案。

2.2物理力学参数的选择路堤与各岩层的物理力学参数均依据工程岩性室内与现场试验数据，采空区冒落带的物理力学参数根据波速试验数据(主要为剪切波速sV值)，经换算后得：(1) 弹性模量)1(22sνρ+=VE(1)(2) 体积模量)21(3)1(2)21(32svVvEK−+=−=νρ(2)第24卷第19期王生俊等. 高速公路下伏采空区剩余沉降量FLAC 3D 计算方法 • 3547 •(3) 剪切模量ρ2s )1(2V v EG =+=(3)式(1)～(3)中：E ，K ，G 分别为弹性模量、体积模量和剪切模量，单位均为kPa ；s V 为剪切波速，单位为m/s ；ρ为密度，单位为kg/m 3。

数值模拟采用的各层岩土介质的参数如表1所示。

2.3 计算结果通过数值模拟计算，得到采空区及其上覆岩土层的位移场和应力场，结果见图1，2和表2。