矿山开采引起的路面差异沉降控制方法研究

樊风建

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000）

由于矿区旧路路基的沉降固结状态不稳，而新路路基的沉降未完全，新旧路基结合之处势必会产生非均匀沉降，从而导致纵向裂缝的产生，不仅会迫使水泥混凝土面板在剪应力作用下出现断板，也可使沥青混凝土路面出现相应的反射裂缝[1]。此情况会对矿区运输车辆的行驶造成安全隐患，大幅增加车辆的轮胎磨耗与油耗水平，增大运输时间与成本。

传统管桩复合地基沉降变形计算方法利用数值简化模式，对路基拼接带地区进行加固处理，再通过确定桩帽与桩体间等效半径的方式，实现对矿区地基的沉降特性分析。然而此方法并不能有效治理因矿山开采而造成的路面凹陷情况。为解决上述问题，设计新型路面差异沉降控制方法，从水环境质量与生态环境质量评价入手，在确定基层底脱空路面结构响应形式的同时，确定具体的结合带压实度系数，再以此为标准，对实际差异沉降控制标准进行完善。

1 矿山开采对矿区路面的影响

矿山开采对矿区路面差异沉降行为造成的影响可分为水环境质量评价、生态环境质量评价。

1.1 水环境质量评价

矿区水质较为清洁，质量极大，但属于自然流动用水，对于路面差异沉降行为的影响并不明显。然而矿区内生活污水中含有大量的污染物，如若未经处理排放，会导致矿区路面出现严重的差异沉降行为[2，3]。根据矿山开采区域内的水环境现状水平可知，大部分污水会通过地表排泄的方式，直接进入地表水系，并携带大量的泥沙及小矿石颗粒，使得路面的差异沉降现象愈发显著。设NA代表矿区流动水资源的阿伏伽德罗常数，D1代表水环境沉降指标。联立上述物理量，可将矿山开采环境中的水环境质量评价结果表示为：

其中，k1代表小矿石颗粒的滤水作用系数，X1代表污水成分的地表排泄系数。

1.2 生态环境质量评价

由于矿山的开发建设，区域内生态环境的平均生产力水平会出现一定程度的下降，但在此过程中，若能着力进行生态恢复，则可在一定程度上控制路面差异沉降行为的作用强度。相对于矿山开采区域的自然体系生产力保底数值而言，若开采过程中的路面差异沉降行为过大，则会导致矿石自身的稳定性承载能力下降，从而使得路面的差异沉降程度持续增大[4]。就矿山开采区域来说，森林植被的覆盖面积能够直接决定生态环境质量的评价结果，且该项条件始终属于内在影响因素。若矿山开采区域内的矿点分布相对较为集中，且浅层地表环境中存在多个废弃地，则可认为植被对矿石的遮挡作用是影响地面差异沉降水平的关键因素。设D2代表生态环境沉降指标，联立矿区内植株资源的阿伏伽德罗常数N′A，可将矿山开采环境中的生态环境质量评价结果表示为：

上式中，k2代表矿区生态景观所具备的差异沉降维持系数，X2代表生态环境中的矿点分布系数。

2 路面差异沉降控制方法

在水环境与生态环境质量评价结果的支持下，按照基层底脱空路面结构响应、路基填筑、结合带压实度确定、差异沉降控制标准研究的分析流程，实现路面差异沉降控制方法的顺利应用。

2.1 基层底脱空的路面结构响应

矿区公路多采用半刚性型路面结构，此类结构具有良好的整体性与较大的刚度化水平，若与路面斜坡变化相结合，矿山开采不仅会造成路面结构层在横断面方向上表现出层底脱空的情况，也会使路面结构的顶部区域产生明显的向下弯拉应力，而当路基结构所能承担的拉应力水平超过路面结构层所容许的最大弯拉应力数值时，则会导致基层底脱空区域出现明显的橫、纵向裂缝。

2.2 路基填筑

矿区公路路面在原有沉降路基的基础上进行后续加宽拓建时，除了最普通的填筑工艺外，还可以采用间隙施工原则。所谓间歇法填筑首先对待加宽的外侧部分进行填筑，但由于既有差异沉降路基的存在，在填筑的同时，还需预留一定空间的物理空隙，当沉降软基部分的载荷达到固定强度值后，才可对预留空隙进行二次填筑[7，8]。

2.3 结合带压实度

新旧路基结合带通常是大型矿山压路机压实施工过程中的死角，极易被忽视。根据过往的路面差异沉降控制工程经验，老旧路基压实不充分会直接对新扩展路基的稳定性造成影响[9]。为有效避免此种影响，需分别计算未处理区域与已处理区域间的侧向位移量与沉降变形量，再借助既定计算公式，判断路面结合带成分的实际压实度。

表1 结合带压实度计算参数

分析上述数值对比关系可知，相较于未处理的路基台阶来说，压实处理后路基路面所承担的沉降压力水平明显降低。因此，在实施矿区路面施工的过程中，须严格控制新老路基之间结合带的压实程度。

2.4 差异沉降控制标准

一般情况下，结构层材料的容许拉应力数值应与路面承受的行车载荷作用值相等，而当这种临界状态被矿山开采等外力作用破坏后，路面结构则会在短时间内达到最大疲劳应力状态，从而出现差异沉降行为。在实施扩建的过程中，路面结构的附加拉应力条件应与矿区行车载荷的不均匀沉降作用强度相等，且其计算点处所承担的拉应力数值也必须满足容许拉应力的真实实施条件。设f代表矿区地面结构层材料的容许拉应力系数，联立公式（1）、公式（2），可将矿山开采引起的路面差异沉降控制标准表示为：

上式中，I代表路面结构的疲劳寿命值，i0代表系数I的最小取值条件，B代表路面所承担的差异运输载荷力数值，b0代表系数B的最小取值条件。至此，实现对各项指标系数量的计算与处理，在不考虑其他干扰条件的情况下，完成矿山开采引起路面差异沉降控制方法的研究。

3 实用性分析

为验证新型路面差异沉降控制方法的实际应用价值，设计如下比照实验。选取某矿区开采空间作为实验环境，将图3所示沉降基坑一分为二，其中一半基坑分配给实验组，另一半基坑分配给对照组，实验组采取新型路面差异沉降控制方法，对照组采取管桩复合地基沉降变形计算方法。

图1 矿山开采引起的路面差异沉降基坑

已知桩体模量是导致地基沉降行为的主要原因，一般情况下，基坑内的桩体模量越大，地面地基的沉降行为也就越明显。下表记录了实验组、对照组桩体模量与地基沉降行为间的实际影响变化关系。

表2 实验组影响关系

表3 对照组影响关系

对比表2、表3可知，实验组地基沉降水平在桩体模量等于40 GPa、60 GPa、80 GPa的情况下，均保持相对平稳的数值变化趋势，且随着桩体模量值水平的增大，地基沉降水平也维持相对递增的变化趋势。对照组地基沉降水平在桩体模量等于40 GPa、60 GPa的情况下，能够保持相对平稳的数值变化趋势，而当桩体模量达到80 GPa时，这种稳定变化趋势被打破，并逐渐呈现出持续上升的变化形式，整体均值水平更是远高于实验组。

综上可知，新型路面差异沉降控制方法可在桩体模量不断增大的情况下，实现对地基沉降水平的有效控制，可较好应对由矿山开采带来的内路面沉降现象。

4 结束语

与管桩复合地基沉降变形计算方法相比，新型路面差异沉降控制方法能够适应基层底脱空的路面结构响应方式，可在对路基进行填筑的同时，实现对结合带的压实处理，不仅弥补了矿山开采在水环境质量、生态环境质量方面造成的抑制性影响，也可对差异沉降标准进行严格控制。