采空区变形稳定性分析方法

10.3　采空区变形稳定性分析方法

高速公路通过采空区或在其下开采不同于“三下”开采（建筑物、水体及铁路下开采），具有其自身的特点，如涉及的范围大，服务的年限长，特别是在经过老采空区时，要预测评价公路在建成后使用年限内地表剩余位移变形量，及其对公路的影响程度和相应的地基加固方法、路基路面处理措施等。由于采空区起始开采的年限不同，各区域具体地质采矿条件不同，决定了波及地表的沉陷延续时间不同，因而预计已采空区对路基的危害实质是一个动态过程。在“三下”开采中规定以地表连续6个月累计下沉量小于30mm作为下沉结束的标准。事实上，在这种情况下，沉陷并没有完全中止，它对小范围的建筑设施影响不大，但对大面积的建筑设施（如大规模的建筑群、高速公路、天然气管路、隧道等）可能会产生较大影响。

公路路基下伏老采空区变形稳定性分析在国内是一个新的课题，在国外也没有系统的研究成果。虽然国内外对建筑物、水体和铁路下的采煤方式早已做了大量的研究，但是对于在老采空区修筑高速公路的研究文献所见较少。

归纳现有的研究方法，主要有预计法、解析法、半预计半解析法及数值模拟方法。评价主要是通过计算地基承载力、剩余地表位移变形量及残留空洞的稳定性、地表破坏范围等来进行。

矿山开采沉陷的预计理论及方法较多，主要有：一是基于实测资料的经验公式法，在我国广为使用的有负指数函数法、典型曲线法等；二是在波兰推广使用的Budryk－Knothe理论法；三是在我国广泛使用的概率积分法，以波兰J.Litwiniszyn提出的随机介质理论为基础，后得到刘宝琛、廖国华等的发展。

解析法是对采空区进行简化，建立地质模型，再按一定的原则抽象为一个理想的数学物理力学模型，按照数值方法予以求解，如结构力学方法，就是计算采空区地下残留硐室和矿柱稳定性的一种常用方法，有单硐室或多硐室弹性地基上梁模型或拱模型等。半预测半解析方法是预测法和解析法的结合，如B.Dzezli在Budryk－Knothe理论基础上引入Fourier二维积分变换形成的方法。

采空区稳定性数值模拟可使用有限单元法、边界单元法、离散单元法及有限差分法等。其中，有限元方法适用范围广，发展较成熟，有着独特的优点，可以选用不同的本构关系，采用灵活多变的单元，尤其适用于覆岩开采沉陷预测这类复杂、大变形问题的求解。国内外已经有许多可用于岩土工程分析的、比较成熟的有限元计算软件可供直接使用，如ANSYS、SAP、ADINA、NCAP、NOLM83、FLAK等。另外，FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是由美国Itasca公司开发的显式有限差分程序，能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，分析渐进破坏和失稳，也适用于模拟大变形。