高速公路线路长,车辆密度大、速度高、动载大,对地基要求高,对路基的填筑质量要求也很高。新疆地区矿产资源丰富,分布广泛,几十年来,由于煤炭资源的不断开采,也产生了许多采空区。采空区易造成地基变形、沉陷,使高速公路路基和桥涵等构筑物发生变形甚至破坏,威胁车辆行驶安全,带来极大的安全隐患。新疆地区的采空区受地质构造等的影响,有一部分为急倾斜、近距离、多煤层和水平面重复开采形成的采空区,上覆地层的移动和变形特点与缓倾斜煤层采空区有很大的不同。以新疆某高速公路为例,采用FLAC 3D软件对不同开采厚度、煤层倾角和上覆地层厚度的采空区上高速公路路基变形和移动规律进行了模拟研究,为此类采空区上修建高速公路提供了有益的参考。

结果以“平均值±标准差”表示，数据处理与分析采用SPSS 16.0统计软件进行方差分析和差异显著性比较，以P＜0.05作为差异显著性判断标准。

根据全省闪电监测数据分析显示,7月27日19:00—20:00,在事发地5 km范围内,共监测到4次负地闪,强度分别为25.7～43.6 kA,地闪位置距离事发地分别为0.97～3.46 km。廊桥附近的监控视频显示,27日19:35事发前后,廊桥所在地出现大风、雷电、降雨等天气。

1 数值模拟模型

1.1模型的建立和工况选取

该高速公路全长62.5km,设计时速100km/h,为双向六车道设计标准,路基宽度33.5m。该高速公路沿线存在多处煤矿小窑采空区,且煤层倾角大于55°。采用FLAC 3D数值软件建立了小窑采空区及其上覆地层和公路路基等为整体的数值模型,模型尺寸：长为160m,宽为32m,高为100m(如图1所示)。影响采空区上覆地层和路基变形移动的主要因素有开采厚度、煤层倾角和上覆地层的厚度。根据该高速公路沿线地质条件和煤矿开采情况,开采厚度分别为10m、20m、30m,煤层倾角分别为65°、75°、85°,上覆地层厚度20m、25m、30m。根据上述因素模拟时的取值,选择表1中的7种工况进行模拟。

图1 计算模型

表1 模拟工况

工况组合开采厚度(m)煤层倾角(°)上覆地层(m)10-65-2010652020-65-2020652030-65-2030652010-75-2010752010-85-2010852010-65-2510652510-65-30106530

1.2 参数的选取及测点布置

根据地基地质条件和路基填筑材料,各地层的参数如表2所示。

表2 各地层模拟时的模型参数

地层弹性模量E(MPa)泊松比μ密度ρ(kg/m3)路基0.1×1030.31.8×103卵砾石1.4×1030.32.0×103砂岩4.5×1030.261.4×103煤层9.5×1020.291.8×103

根据高速公路路基填筑高度和上覆地层厚度等因素,测点布置如图2所示,平面上在路基中心线40～120m之间布置,剖面在路基顶面、路基底面、地面下5m和10m各布置一层测点,测点间距为5m,共布置68个测点。

2 模拟结果及分析

2.1 开采厚度

由图4可知：不同煤层倾角下路基顶面和底面竖向位移也相同,均是从65°时的11.4mm到75°时的6.3mm,再减小到85°时的3.7mm；地层1底面竖向位移从65°时的12.4mm到75°时的6.9mm,再减小到85°时的4.4mm；地层2底面竖向位移从65°时的13.1mm到75°时的7.5mm,再减小到85°时的5.1mm；由此可见随着煤层倾角的增大,路基顶面、路基底面、地层1底面、地层2底面的最大竖向位移均逐渐减小；煤层倾角从65°到75°时,最大竖向位移的下降幅度最大,总测点的位置越深,最大竖向位移越大；不同煤层倾角条件下测点的水平位置在50～100m之间的点竖向位移较大,最大竖向位移的水平位置在80～85m附近；总体可见,随煤层倾角的增大,最大竖向位移有向煤层倾角大的方向移动的趋势,路基底面竖向位移稍微有所减小,表明煤层倾角的增大对路基的变形和移动的影响很小,路基对其不敏感。

图2 测点布置图

图3 不同开采厚度测点水平位置和竖向位移关系曲线

为了研究采空区上覆地层厚度对路基的变形和移动规律,建立开采厚度为10m,煤层倾角为65°,上覆地层厚度分别为20m、25m、30m的计算模型,数值模拟计算结果如图5所示。

2.2 煤层倾角

为了研究采空区煤层倾角对路基的变形和移动规律,建立开采厚度为10m,煤层倾角分别为65°、75°、85°,上覆地层厚度为20m,的计算模型,数值模拟计算结果如图4所示。

图4 不同煤层倾角测点水平位置和竖向位移关系曲线

为了研究采空区开采厚度对路基的变形和移动规律,建立开采厚度分别为10m、20m、30m,煤层倾角为65°,上覆地层厚度为20m的计算模型,数值模拟计算结果如图3所示。

2.3 上覆地层厚度

由图3可知：不同开采厚度下路基顶面和底面竖向位移相同,均是从10m厚度时的11.4mm到20m时的28.8mm,再增加到30m时的207.8mm；地层1底面竖向位移从10m厚度时的12.4mm到20m时的31.7mm,再增加到30m时的214.5mm；地层2底面竖向位移从10m厚度时的13.1mm到20m时的34.1mm,再增加到30m时的218.2mm；由此可见随着开采厚度的增加,路基顶面、路基底面、地层1底面、地层2底面的最大竖向位移均逐渐增大；开采厚度为30m时,各层面的最大竖向位移大幅增长；不同开采厚度条件下测点的水平位置在70～110m之间的点竖向位移较大,最大竖向位移的水平位置在85～95m附近；总体可见,随开采厚度的增加,最大竖向位移有向采空区底面中心方向移动的趋势,路基底面竖向位移大幅增长,路基的变形范围也大幅增长,影响深度亦大幅增长,表明路基的变形和移动对开采厚度的增大非常敏感。

图5 不同上覆地层厚度测点水平位置和竖向位移关系曲线

由图5可知：不同上覆地层厚度下路基顶面和底面竖向位移相同,均是从20m厚度时的11.4mm到25m时的10.1mm,再减小到30m时的9.5mm；地层1底面竖向位移从20m厚度时的12.4mm到25m时的10.9mm,再减小到30m时的10.1mm；地层2底面竖向位移从20m厚度时的13.1mm到25m时的11.6mm,再减小到30m时的10.4mm；由此可见随着上覆地层厚度的增加,路基顶面、路基底面、地层1底面、地层2底面的最大竖向位移均逐渐减小；上覆地层厚度从20m增大到25m、30m时,最大竖向位移变化很小,总测点的位置越深,最大竖向位移越大；不同上覆地层厚度条件下测点的最大竖向位移的水平位置在80～85m附近。

近几年信息技术发展迅速，网络技术、移动技术、无线基站技术、物联网技术的兴起和应用，为安全监管模式的构建提供的信息技术保障。

3 结论

采用FLAC 3D软件对不同开采厚度、煤层倾角和上覆地层厚度的采空区上高速公路路基变形和移动规律进行了模拟研究,结果表明：随开采厚度的增加,最大竖向位移有向采空区底面中心方向移动的趋势,路基底面竖向位移大幅增长,路基的变形范围也大幅增长,影响深度亦大幅增长,表明路基的变形和移动对开采厚度的增大非常敏感；随煤层倾角的增大,最大竖向位移有向煤层倾角大的方向移动的趋势,路基底面竖向位移稍微有所减小,表明煤层倾角的增大对路基的变形和移动的影响很小,路基对其不敏感；随上覆地层厚度的增大,最大竖向位移的水平位置基本不变,路基底面竖向位移稍微有所减小,路基变形范围稍有增大,表明上覆地层厚度的增大对路基的变形和移动的影响很小,路基对其不敏感。