地下開采沉陷穩(wěn)定區(qū)民房地基穩(wěn)定性研究

黃佑洪

(貴州省煤礦設(shè)計研究院)

地下開采沉陷穩(wěn)定區(qū)民房地基穩(wěn)定性研究

黃佑洪

(貴州省煤礦設(shè)計研究院)

通過對地下開采沉陷穩(wěn)定區(qū)民房穩(wěn)定性影響因素的分析，提出了采用軟硬基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)地基建設(shè)民房的方法，研究了軟硬基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)地基的原理、力學(xué)特性及施工工藝，與普通溝槽結(jié)構(gòu)民房進行對比分析，應(yīng)用效果十分顯著，在一定程度上解決了沉陷穩(wěn)定區(qū)民房容易開裂的問題，具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益，對同類區(qū)域民房建設(shè)具有一定的參考意義。

開采沉降區(qū) 軟硬基礎(chǔ) 穩(wěn)定性

我國礦產(chǎn)資源較為豐富，以煤為主，其次為磷、鐵、鋁土等，大多為地下開采，帶動國家經(jīng)濟發(fā)展的同時也帶來了很多安全隱患，地下開采破壞了巖體原有力學(xué)平衡，使上覆巖層變形和破壞，導(dǎo)致地表民房不同程度開裂和破壞[1-2]，村民人身財產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》規(guī)定，針對礦區(qū)內(nèi)的建(構(gòu))筑物必須搬遷后才能進行采掘工作，否則必須留設(shè)保安煤柱，同時，為防止重復(fù)壓煤，又不影響居民的生產(chǎn)生活，可盡量利用已經(jīng)穩(wěn)定的沉陷區(qū)作為搬遷地址新建建(構(gòu))筑物，但是沉陷區(qū)的穩(wěn)定是相對的，仍有不同程度的移動和變形。因此，本文從地下開采沉陷穩(wěn)定區(qū)新建民房地基穩(wěn)定性進行研究，采用軟硬基礎(chǔ)相結(jié)合的特殊地基結(jié)構(gòu)建設(shè)民房，即使地表有少量下沉，也不致使新建的房屋開裂和破壞，保證居民及房屋安全。

1 地下開采對地面建筑物的影響

地下開采對地表的影響分為2類:一類是移動，包括下沉和水平移動；另一類是變形，包括傾斜、曲率變化、水平變形、剪應(yīng)變和扭曲。一般來講，當(dāng)建筑物地表出現(xiàn)均勻下沉?xí)r，建筑物中不會產(chǎn)生附加力，因而建筑物本身不會損壞。而傾斜則不同，地面建筑物隨地表傾斜而傾斜，由于傾斜造成建筑物重心偏移，既影響建筑物的穩(wěn)定性，又使建筑物內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，同時導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)的承重力重新分布。傾斜對底面積小而高大的桿狀建筑物，如煙囪、水塔、電桿和高壓線塔的影響特別明顯。建筑物的底面越小，高度越高，則相同傾斜所產(chǎn)生的附加應(yīng)力也越大。當(dāng)重心超出底面積的范圍時，建筑物將失穩(wěn)而倒塌破壞。對于一般的低層民用建筑來說，民房樓層較少，一般為1～3層，高10 m左右，因此，傾斜產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，對民房產(chǎn)生的危害也較小。

對民房影響較大的因素是曲率。由于地表曲率的存在，使地表由平面變?yōu)榍?，建筑物基礎(chǔ)與地表之間的平衡狀態(tài)受到破壞。曲率有正曲率和負(fù)曲率之分，在正曲率的影響下，建筑物基礎(chǔ)的兩端處于懸空狀態(tài)，而在負(fù)曲率的影響下，建筑物基礎(chǔ)成為兩端有支點的簡支梁。當(dāng)曲率引起的附加應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)的承載能力時，建筑物將遭受破壞。在正曲率作用下，建筑物出現(xiàn)上寬下窄的豎向裂縫和倒“八”字形裂縫。在負(fù)曲率作用下，建筑物主要出現(xiàn)正“八”字形裂縫和水平裂縫。一般來講，曲率對底面積小的建筑物影響較小，對長度大的建筑物影響較大。

2 軟硬基礎(chǔ)地基建設(shè)方案

2.1 常用民房地基結(jié)構(gòu)

在未受地下開采影響及地質(zhì)條件影響的地區(qū)農(nóng)村民房建設(shè)中，通常采用溝槽式地基，這種結(jié)構(gòu)施工工藝簡單，地基建設(shè)投資少，工期短。礦產(chǎn)資源的開采逐漸影響到村民民房的穩(wěn)定性，大多數(shù)礦區(qū)均有民房開裂破壞的情況，主要采用技術(shù)手段進行修復(fù)[3-4]，實在不能住人后再搬遷，提高了村民人身財產(chǎn)安全風(fēng)險。

2.2 基本原理

軟硬基礎(chǔ)是指在房屋地基中采用軟基礎(chǔ)和硬基礎(chǔ)相結(jié)合的一種方法?；A(chǔ)分2個部分，一部分是軟層，由粗沙及細沙經(jīng)夯實而成，在較大的重力作用下，被壓縮而向周圍松散表土產(chǎn)生微小變形，從而將部分重力向其他支點轉(zhuǎn)移；另一部分是硬層，和普通基礎(chǔ)一樣，由石塊及混凝土砌實而成，位于軟層上部，有較大的抗壓強度，能支撐較重的物體，如圖1所示。當(dāng)無軟層基礎(chǔ)時，建筑物的重力主要由硬基礎(chǔ)承擔(dān)，表土層僅承擔(dān)小部分；而當(dāng)在硬層下面加入軟層后，隨著軟層被建筑物壓縮，會將部分重力轉(zhuǎn)移到表土層上，即硬層承擔(dān)的重力將減少，而表土層承擔(dān)的重力將增大，如圖2所示。

圖1 軟硬基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意

圖2 基礎(chǔ)有無軟層時受力情況

根據(jù)以上原理在沉陷穩(wěn)定區(qū)建設(shè)房屋，可在房屋受到曲率影響時，房屋的一端下沉量大，另一端下沉量小時，下沉量小的一端地基軟層會被壓縮，房屋的下沉量增大，達到與另一端下沉量相差不大的水平，不至于使房屋產(chǎn)生開裂破壞。

2.3 力學(xué)特性

墻體的開裂主要受曲率影響，曲率發(fā)生變化，建筑物的受力將重新分布，一般有3個階段，即曲率變化期、受力重新分布期和受力平衡期。

以每堵墻設(shè)置3個孔樁(A、B、C)為例，對整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進行分析研究，如圖3所示，在巖體未發(fā)生移動時，A、B、C 3個基礎(chǔ)受力相同，建筑物處于穩(wěn)定狀態(tài)。但當(dāng)巖體出現(xiàn)不均勻下沉?xí)r，基巖層的曲率就會發(fā)生變化。

圖3 曲率未變化時墻體力學(xué)特性

圖4 A、C點下沉量大時基礎(chǔ)受力曲線

圖5 C點下沉量大時基礎(chǔ)受力曲線

2.4 施工工藝

軟硬基礎(chǔ)施工中地基的開挖可采用圓形孔樁或方形孔樁形式，不采用常用的溝槽式。首先，將地基挖至基巖以下2～4 m深，以利用基巖較好的抗壓性能使整個房屋有較好的穩(wěn)定性；然后將粗沙和細沙混合充填,并夯實到0.5～1 m深度作為軟層基礎(chǔ)；再用混凝土石塊填實其余部分作為硬層基礎(chǔ),從而組成軟硬基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。所有基礎(chǔ)做到同一水平標(biāo)高后,用鋼筋混凝土施工基座及地圈梁等部分，使所有基礎(chǔ)連為一體，然后往上施工墻體及頂圈梁等。基座施工工藝見圖6。在軟硬基礎(chǔ)上采用φ14 mm普通鋼筋以150 mm×150 mm間排距制作鋼筋網(wǎng)，再用φ22 mm的螺紋鋼作柱筋施工鋼筋混凝土基座。

3 應(yīng)用效果

某村寨位于貴州省修文縣永興煤礦井田范圍內(nèi)，村民60余戶，經(jīng)過多年的煤炭開采，村寨保護煤柱已被破壞，導(dǎo)致90%以上的民房開裂，嚴(yán)重的已不能住人。后經(jīng)與礦方協(xié)調(diào)賠償事宜后，大部分村民均重新在原地新建民房，一種是普通的溝槽式民房，另一種是軟硬基礎(chǔ)式民房。通過對已建成使用2 a的二層樓民房進行比較，采用溝槽式建設(shè)的民房墻體有約0.2 mm的裂縫，雨季房頂積水深度前后不一致，相差約10 cm；而采用軟硬基礎(chǔ)建設(shè)的民房墻體沒有裂縫，僅是雨季房頂積水深度前后不一致，相差約5 cm。相比之下，采用軟硬基礎(chǔ)建設(shè)的民房比采用溝槽式建設(shè)的民房要穩(wěn)定得多，不足之處在于前者工程造價要高些。

圖6 基座施工工藝(單位：mm)

4 結(jié) 論

(1)本文對在地下開采沉陷穩(wěn)定區(qū)新建民房的地基穩(wěn)定性進行了理論研究，并成功應(yīng)用到開采沉陷穩(wěn)定區(qū)的民房建設(shè)之中，具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益，為解決礦山沉降區(qū)房屋建筑穩(wěn)定性問題提供了借鑒和參考。

(2)通過應(yīng)用效果分析，得出采用軟硬基礎(chǔ)相結(jié)合的方法在地下開采礦山沉陷穩(wěn)定區(qū)新建民房是合理可行的，優(yōu)點是可降低民房受地面沉降影響發(fā)生開裂的幾率，較大程度地保證了房屋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在一定程度上更好地保障了村民人身財產(chǎn)安全。

[1] 杜計平，汪理會.煤礦特殊開采方法[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2] 馬 軍.陽泉礦區(qū)開采對房屋地基的影響[J]．山西建筑，2005(20):96-97．

[3] 張 薇.房屋建筑地基處理方法初探[J]．黑龍江科技信息，2012(4):316．

[4] 鄧風(fēng)亭，張國偉.房屋建筑地基不均勻沉降處理及應(yīng)對方法[J]．建筑知識：學(xué)術(shù)刊，2012(B04):249，251．

2015-03-17)

黃佑洪(1984—)，男，工程師，碩士，550025 貴州省貴陽市花溪區(qū)大水溝。