采空沉陷区路基稳定性分析及处治方案

贾鹏云

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

某公路K1205+740—K1206+300段为司马煤业1102和1103采煤工作面，受采空区影响，地表形成沉陷裂缝和沉陷盆地，造成地面大面积积水，渗水高度1～2 m，最深达4 m，形成湿软地基，土质软弱，对路基的稳定性造成很大影响，需要采取一定的措施，确保路基安全和稳定。

1 工程地质概况

该路段地貌上属盆地中部平微区，地形平坦，高差较小。地形由东向西倾斜，地表出露地层主要为Q3黄土，局部为Q2粉土，河谷地带为Q4砂土及粉土，现大部分为耕地。

地基土主要以饱和粉质黏土、粉土为主，呈软塑-流塑状，土黄色-灰黑色为主，片状分布有腐殖质土，灰黑色，腥臭味，大量芦苇根系分布。其中上部7.5～11.0 m左右呈饱和、流塑-软塑状，天然含水率为27%～32%，孔隙比在0.93～0.98，饱和度为94%～100%，具中高压缩性，地基承载力基本容许值[fao]＝70～90 kPa。其下为可塑粉质黏土、中密粉土，地基承载力基本容许值[fao]＝170～180 kPa。

2 路基稳定性分析

2.1 采空区稳定性评价[1]

采空区变形是一个复杂长期的过程，采空区地基稳定性受地质条件、开采方式、采深、采厚、开采时间等多种因素影响。因此，采空区稳定性按停采时间和地表移动变形预计法来综合评价，单一巷道采用极限平衡分析方法来进行评价。

2.1.1 巷道稳定性评价

根据《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/T D31-03—2011）附录D.0.5-1：

式中：p0为路基基底压力，除路基本身荷载外还包括行车荷载，kPa；γ为巷道上覆岩层加权平均重度，kN/m3；φ为巷道上覆岩层加权平均内摩擦角，（°）。

根据相关资料，巷道与路线前进方向夹角51°～90°，巷道位于地表下埋深264 m，设计标高下275 m，上覆土层厚度160 m，基岩平均厚度104 m。巷道底板标高均为679 m，巷道高度为3.5 m，巷道宽度为5 m。

松散土层的重度取值18.6 kN/m3，岩石重度取27.5 kN/m3，φ取值30°。p0=210 kN/m2，临界采深Hcr，可按式（1）计算。

根据采空区的实际埋深和临界深度的比值，可求得采空区顶板的稳定系数Fs=H/Hcr，进而对小窑采空区场地的稳定性进行评价。式中H为巷道顶板的实际深度，m；Hcr为巷道顶板的临界深度，m。

代入式（1）计算，可得Hcr=26.57 m，巷道顶板位于路线设计标高下275 m，稳定系数Fs=10.4，根据表1稳定性等级评价标准，巷道对路基的稳定性无影响。

表1 单一巷道式采空区场地稳定性等级评价标准

2.1.2 场地稳定性评价

按煤矿工作面的停采时间，路线范围内煤矿工作面停采时间为2～10年，根据《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/T D31-03—2011）表4.2.1-1进行评价（见表2），矿区大部分地表移动变形的活跃期基本结束，处于变形衰退期，采空区场地基本稳定，但残余变形仍继续存在，且存在时间和空间上的不确定性，对路基的稳定性有一定影响。

表2 场地稳定性评价表

2.1.3 地基稳定性评价

地基稳定性评价采用地表移动变形预计法评价。

2.1.3.1 最大移动和变形量预计

a）最大下沉量：W=mqcosα，式中α为煤层倾角；下沉系数q取0.78；m为煤层开采累计厚度。

b）最大倾斜值：i=w/r=w/(H/tgβ)，式中r为主要影响半径。

c）最大水平移动：U=bw，式中水平移动系数b取值为0.25。

d）最大曲率值：K=±1.52W/r2.

e）最大水平变形值：ε=±1.52bW/r.

依据上述公式，经计算煤矿采空区变形主要参数见表3。

表3 采空区最大变形参数表

2.1.3.2 剩余变形量的计算

根据煤矿工作面的停采时间，估算剩余空隙率，比对稳定性评价标准，对采空区稳定性进行评价，评价结果如表4。

表4 采空区剩余变形参数表

通过计算，依据《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/T D31-03—2011），对采空区公路地基稳定性进行评价,采空区剩余倾斜值、曲率值和水平变形值均小于允许路基变形值，采空区已基本稳定。

2.2 采空沉陷区湿软地基稳定性评价

2.2.1 湿软路基稳定性分析[2]

根据《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》3.2.2采用有效固结应力法进行稳定验算，根据理正岩土软件计算，稳定性安全系数为1.01，不满足规范要求。

表5 稳定安全系数容许值

2.2.2 湿软路基沉降分析

主固结沉降采用分层总和法计算，计算参数采用压缩模量Es，主固结沉降Sc：

2.3 综合评价

通过以上计算分析，该段采空区的变形参数指标，剩余倾斜值、曲率值和水平变形值均小于允许路基变形值，采空区已基本稳定，对公路工程无影响。采空沉陷造成的湿软路基稳定与沉降不满足规范要求，需要进行处治。

3 处治方案

湿软地基的处治方案受地形、地质、工程类型以及施工方案等影响，本项目采用挤密碎石桩[3]处治。

3.1 碎石桩设计

3.1.1 软土地层分布

表6 软土地层分布及路基填土高度一览表 m

3.1.2 处治设计

碎石桩桩径采用50 cm，桩间距1.2 m，呈梅花型布置，桩长要求穿透湿软层，进入持力层2 m，并结合沉降计算满足工后沉降要求，坡脚处理宽度不小于2 m。碎石桩要求碎石的粒径2～5 cm，含泥量不大于5%。

桩顶设1 m厚垫层，垫层采用石渣，垫层的技术要求为：含泥量不大于5%，最大粒径小于30 mm，粒径小于20 mm的部分不超过总重的45%。

3.2 碎石桩施工

按照规定，碎石桩的施工前应做成桩试验，试桩时要严格控制水压、电流和振冲器在固定深度位置的留振时间。

3.3 碎石桩检测

表7 碎石桩质量检验标准

3.4 加固前后对比

表8 加固前后对比一览表

4 结论

本文通过对采空沉陷区的稳定性分析，采空区剩余倾斜值、曲率值和水平变形值均小于允许路基变形值，采空区已基本稳定，对路基无影响；采空沉陷造成的湿软路基稳定与沉降不满足规范要求，需要进行处治。通过采取碎石桩加固地基的处治方案，并且提出施工和检测的注意要求，经检测，该采空沉陷区处治后工后沉降满足规范要求。