新建建筑荷載下采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與分析

周桂林

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

新建建筑荷載下采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與分析

周桂林

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

為評(píng)價(jià)采空區(qū)上方新建建筑物地基穩(wěn)定性，以焦作市某礦區(qū)場(chǎng)地為實(shí)例，根據(jù)收集到的資料，采取實(shí)測(cè)鉆探資料與理論公式相結(jié)合的方式來(lái)確定采空區(qū)覆巖破壞高度；針對(duì)不穩(wěn)定的采空區(qū)地基，基于附加應(yīng)力法,采用σz(附加應(yīng)力)=0.10σcz(自重應(yīng)力)的判別方法,來(lái)確定建筑物荷載的影響深度,并與σz=0.08σcz和σz=0.05σcz的判別標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的建筑物荷載影響深度進(jìn)行對(duì)比分析；同時(shí),結(jié)合Hmin≥HL+HDz+D穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法,評(píng)價(jià)新建建筑荷載下采空區(qū)地基穩(wěn)定性并確定建筑物層數(shù)。分析結(jié)果表明：在相同的判別標(biāo)準(zhǔn)下，隨著樓層荷載的增大，荷載的影響深度也隨之非線性增大；在不同的判別標(biāo)準(zhǔn),相同樓層荷載下,當(dāng)判別系數(shù)減小時(shí)，對(duì)應(yīng)的荷載影響深度增加，安全系數(shù)增大，建筑物安全等級(jí)就越高。

采空區(qū)；覆巖破壞高度；附加應(yīng)力法；荷載影響深度；地基穩(wěn)定性

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷深入,城市土地資源擴(kuò)張,導(dǎo)致可供的建設(shè)用地減少,因此,合理利用采空區(qū)上方土地,可以有效地緩和城市對(duì)于土地的需求量。地下煤層被開(kāi)采以后,開(kāi)采區(qū)域周?chē)鷩鷰r的原始應(yīng)力遭到破壞，在經(jīng)歷一定時(shí)間的自然壓實(shí)后基本處于穩(wěn)定,形成了相對(duì)的應(yīng)力平衡狀態(tài)。當(dāng)在采空區(qū)上方建起建筑物后,有可能使原本處于相對(duì)平衡狀態(tài)的巖體發(fā)生二次移動(dòng)和變形,引起新建建筑物發(fā)生傾斜、開(kāi)裂、甚至倒塌[1]。因此,開(kāi)展對(duì)采空區(qū)上方新建建筑物地基穩(wěn)定性的研究工作,對(duì)于確保新建建筑物的正常使用具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)采空區(qū)地基穩(wěn)定性問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究工作.如滕永海等[2]提出以建筑物荷載引起的地基附加應(yīng)力影響深度是否與垮落斷裂帶發(fā)育高度重疊來(lái)判斷采空區(qū)地基穩(wěn)定性；李培現(xiàn)等[3]研究了應(yīng)用FLAC進(jìn)行老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的過(guò)程與方法。錢(qián)自衛(wèi)[4]等通過(guò)建立采空區(qū)場(chǎng)地工程地質(zhì)模型應(yīng)用有限元數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)建筑物地基穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。李鳳明等[5]采用數(shù)值模擬方法對(duì)建筑荷載下采空區(qū)地基穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了多方案研究。丁陳建等[6]應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià),收斂效果良好,預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果正確。本文將基于附加應(yīng)力分析法的基礎(chǔ)上,針對(duì)焦作市某礦區(qū)實(shí)例,來(lái)評(píng)價(jià)采空區(qū)新建建筑荷載下地基穩(wěn)定性。

1 采煤區(qū)概況

該礦區(qū)位于焦作市西部,共含煤七層,其中二1煤為主要可采煤層,一5煤為局部可采煤層,其余均不采。主采煤層二1(大煤),采深130～200 m,煤層采厚0.67～8.50 m,平均厚5.5 m,傾角120,目前二1煤已經(jīng)大面積開(kāi)采,僅留有煤柱。一5煤煤層厚0～1.4 m,平均厚0.78 m,因?yàn)樵u(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)當(dāng)初勘察查明水平不夠,一5煤未進(jìn)行開(kāi)采。該擬建建筑區(qū)域內(nèi)全為第四系覆蓋區(qū),根據(jù)原礦井資料及鉆探資料顯示主要地層自上而下分別為：

第四系：以黃土層為主,含礫石及不規(guī)則狀鈣質(zhì)結(jié)核,夾砂層、礫石層；底部為弱膠結(jié)礫巖層。下伏地層呈不整合接觸。厚度為32.3～53.2 m,平均厚度為42.45 m。

第三系：以磚紅色粘土及砂質(zhì)粘土巖為主,含礫石及不規(guī)則狀鈣質(zhì)結(jié)核；底部為礫石層。厚度11.60～21.50 m,平均厚度16.65 m。

二疊系下統(tǒng)下石盒子組：以灰色、深灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主,夾黃綠色中、細(xì)粒砂巖。厚度1.98～21.57 m,平均厚度6.97 m。

二疊系下統(tǒng)山西組：本組為主要含煤層,也是本區(qū)的主要含煤層。下部由粉砂質(zhì)泥巖、砂巖和煤層組成。厚度70.50～91.46 m,平均厚度80.00 m。

2 采空區(qū)覆巖破壞高度

一般來(lái)說(shuō),煤層被開(kāi)采出以后,上覆巖層自上而下形成垮落帶、斷裂帶、彎曲帶[7](如圖1)垮落帶巖體呈散體和破裂結(jié)構(gòu),巖塊之間存在較大的空隙，且連通性較好；斷裂帶巖層產(chǎn)生離層、斷裂，巖體塊度較大；彎曲帶巖體為保留較為完整的層狀構(gòu)造。因此，垮落裂隙帶雖然經(jīng)過(guò)多年的自然壓實(shí)，但仍無(wú)法避免的存在一定的離層和裂隙,其抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度顯然小于原始的巖體強(qiáng)度,如果建筑物荷載傳遞到垮落斷裂帶,會(huì)使采空區(qū)發(fā)生“活化”，則必定會(huì)加大建筑物的不均勻沉降,造成建筑物破壞[8]。

圖1 采空區(qū)覆巖移動(dòng)分區(qū)

2.1 垮落帶發(fā)育高度計(jì)算

垮落帶高度計(jì)算公式如下：

(1)

式中：a，b分別為與巖性有關(guān)的參數(shù),見(jiàn)表1；∑M—為煤層的累計(jì)開(kāi)采厚度。

根據(jù)區(qū)域下方采煤情況,單層煤開(kāi)采，煤層采厚按5.5 m計(jì)算,巖性考慮堅(jiān)硬性巖層,則二1煤層開(kāi)采后垮落帶發(fā)育高度為：Hm=19.96 m.

表1 計(jì)算參數(shù)

2.2 斷裂帶發(fā)育高度計(jì)算

參照規(guī)范[9],選取計(jì)算公式如下：

(2)

式中：b為與巖性有關(guān)的參數(shù),對(duì)于中硬性巖層取20,對(duì)于堅(jiān)硬巖層取30。

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)下方煤層開(kāi)采情況,單層煤開(kāi)采,煤層采厚按5.5m計(jì)算,巖性考慮堅(jiān)硬性巖層,則二1煤層開(kāi)采后斷裂帶的發(fā)育高度為：HD=80.3m

2.3 覆巖破壞高度的實(shí)際勘查

根據(jù)《采空區(qū)探測(cè)報(bào)告》,在評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了4個(gè)采空區(qū)勘察鉆孔鉆探情況，“三帶”目前的實(shí)際情況如表2。

表2 探測(cè)孔三帶范圍及劃分依據(jù)

2.4 覆巖破壞高度的確定

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)4個(gè)鉆探孔情況,選取二1煤采空區(qū)斷裂帶發(fā)育高度,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 二1煤采空區(qū)垮落斷裂帶的發(fā)育高度

3 建筑物的荷載影響深度計(jì)算

3.1 影響深度的計(jì)算方法

建筑物的修建使地基土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而引發(fā)地基變形和基礎(chǔ)沉降。建筑物所產(chǎn)生的附加應(yīng)力從荷載作用處向下隨著深度增加逐漸減小。一般當(dāng)?shù)乇斫ㄖ镌诘乇碇挟a(chǎn)生的附加應(yīng)力等于相應(yīng)深度處地基自重應(yīng)力的20%時(shí)，即可認(rèn)為地表建筑物對(duì)該深度處地基產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)，當(dāng)其下方有不穩(wěn)定性因素存在時(shí),如采空區(qū)斷裂帶、垮落帶時(shí)，則計(jì)算附加應(yīng)力直至地基自重應(yīng)力10%位置處即σz(附加應(yīng)力)=0.10σcz(自重應(yīng)力),方可認(rèn)為附加應(yīng)力對(duì)該深度處的地基產(chǎn)生不大的影響，該深度即為建筑物的荷載影響深度HDz，將其同σz=0.08σcz和σz= 0.05σcz所對(duì)應(yīng)的荷載影響深度進(jìn)行對(duì)比分析，研究不同判別標(biāo)準(zhǔn)下，建筑物荷載與影響深度之間的關(guān)系，來(lái)評(píng)價(jià)建筑物地基穩(wěn)定性并確定合適的建筑物樓層數(shù)。

地基中巖土層的自重應(yīng)力為：

σcz=γ1h1+γ2h2+...γnhn

(3)

式中：γ1、γ2、....、γn——地基中自上而下各層土或巖石的容度，kN/m3；

h1、h2、...hn——為地基中自上而下各土層或巖石的厚度，m；

σcz——為地表下任意深度處的豎向自重應(yīng)力，MPa；

3.2 地基附加應(yīng)力計(jì)算

由于建筑物的平面形狀為矩形,本文選取計(jì)算矩形荷載作用下的地基附加應(yīng)力,公式如下：

σz=KzP0

(4)

P0——地表荷載作用于基礎(chǔ)底面的平均附加應(yīng)力(MPa),P0=P-γ0D,P為作用于基礎(chǔ)底面處豎向荷載(MPa),γ0為基礎(chǔ)底面標(biāo)高以上土層的重度(kN/m3),D為基礎(chǔ)底面埋深(m)。

3.3 荷載影響深度的計(jì)算結(jié)果分析

分別考慮了5層、6層、8層、10層、12層樓的附加荷載影響深度(見(jiàn)表4)，建筑物寬度按10 m計(jì)算，建筑物長(zhǎng)度40 m，基礎(chǔ)埋深3 m，建筑荷載考慮20 kPa(單層建筑面積)。考慮不同判別標(biāo)準(zhǔn)即σz= 0.10σcz、σz= 0.08σcz和σz= 0.05σcz進(jìn)行對(duì)比分析。

表4 建筑物荷載影響深度計(jì)算

將上面計(jì)算的結(jié)果繪制成圖，如圖2所示：

圖2 荷載附加應(yīng)力隨深度變化關(guān)系

通過(guò)圖2可知，不同判別標(biāo)準(zhǔn)下不同樓層荷載對(duì)應(yīng)的荷載影響深度如表5所示：

表5 不同判別標(biāo)準(zhǔn)下荷載影響深度

由表5可知，在相同的判別標(biāo)準(zhǔn)下，隨著建筑物荷載的增大，荷載的影響深度也隨之非線性增大；當(dāng)在不同的判別標(biāo)準(zhǔn),相同樓層建筑荷載下,當(dāng)判別系數(shù)減小時(shí)，對(duì)應(yīng)的荷載影響深度增加，安全系數(shù)增大，建筑物安全等級(jí)就越高；當(dāng)判別系數(shù)減半，在相同建筑荷載下，荷載影響深度僅是非線性增加，并未隨之增加相同的倍數(shù)。

4 地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

煤層被開(kāi)采后，上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶，以建筑物荷載影響深度是否達(dá)到斷裂帶發(fā)育高度為判斷采空區(qū)地基穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)，即煤層最小采深應(yīng)大于垮落斷裂帶發(fā)育高度、基礎(chǔ)埋深和建筑物荷載影響深度三者之和。即：

Hmin≥HC≥HL+HDz+D

(5)

式中：Hmin—最小采深，m；HC—臨界采深，m；HDz—荷載影響深度，m；HL—垮落斷裂帶發(fā)育高度，m；D—基礎(chǔ)埋深，m。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果：當(dāng)σz=0.10σcz，建筑荷載為12層樓時(shí)，荷載影響深度為25.2 m。該區(qū)域二1煤層最小采深為130 m，垮落斷裂帶發(fā)育高度為100.26 m，基礎(chǔ)埋深3 m，當(dāng)在此處施加12層樓荷載時(shí)，臨界采深為128.46 m，小于煤層最小采深，故在此處建造12層及以下樓層建筑荷載，采空區(qū)不會(huì)發(fā)生“活化”；當(dāng)σz=0.08σcz，建筑荷載分別為10層樓12層樓時(shí)，荷載影響深度分別為24.8 m和27.2 m，10層樓和12層樓對(duì)應(yīng)的臨界采深分別為128.06和130.46 m，12層樓對(duì)應(yīng)的臨界采深大于煤層最小采深，故在此處不適宜建造12層樓建筑物荷載；當(dāng)σz=0.05σcz，建筑荷載分別為6層樓、8層樓、10層樓、12層樓時(shí)，建筑物荷載影響深度分別為24.2 m、27.3 m、29.6 m、32.8 m，對(duì)應(yīng)的臨界采深分別為127.46 m、130.56 m、132.86 m和136.06 m；8層、10層和12層樓建筑荷載對(duì)應(yīng)的臨界采深均大于煤層最小采深，故在此處建造8層、10層和12層樓會(huì)使采空區(qū)發(fā)生“活化”，6層樓的臨界采深小于煤層最小采深，故可在此建造6層及以下樓層建筑荷載。

5 結(jié)論

(1) 采取實(shí)測(cè)鉆探資料與理論公式相結(jié)合的方式，能夠更加準(zhǔn)確的確定采空區(qū)垮落斷裂帶高度。

(2) 針對(duì)不穩(wěn)定的采空區(qū)地基，基于附加應(yīng)力法,采用σz(附加應(yīng)力)=0.10σcz(自重應(yīng)力)的判別方法,來(lái)確定建筑物荷載的影響深度，并與σz=0.08σcz和σz=0.05σcz相對(duì)應(yīng)的建筑物荷載影響深度進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明：在相同的判別標(biāo)準(zhǔn)下，隨著建筑物荷載的增大，荷載的影響深度也隨之非線性增大；當(dāng)在不同的判別標(biāo)準(zhǔn),相同樓層建筑荷載下,當(dāng)判別系數(shù)減小時(shí)，對(duì)應(yīng)的荷載影響深度增加，安全系數(shù)增大，建筑物安全等級(jí)就越高。

(3) 采取Hmin≥HL+HDz+D穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法，來(lái)評(píng)價(jià)新建建筑荷載下采空區(qū)地基穩(wěn)定性，判斷采空區(qū)是否發(fā)生“活化”并確定建筑物層數(shù)。

[1] 王磊, 郭廣禮, 查劍鋒,等. 老采空區(qū)地表殘余沉降預(yù)計(jì)與應(yīng)用[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2011, 28(2):283-287.

[2] 滕永海, 張俊英. 老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 1997(5):504-508.

[3] 李培現(xiàn), 譚志祥, 王磊,等. FLAC在老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J]. 煤礦安全, 2009, 40(10):11-14.

[4] 錢(qián)自衛(wèi), 吳慧蕾, 姜振泉. 老采空區(qū)高層建筑物地基穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版, 2011, 26(1):58-62.

[5] 李鳳明, 李樹(shù)志, 白國(guó)良. 建筑物荷載對(duì)老采空區(qū)地基穩(wěn)定性影響研究[J]. 煤礦開(kāi)采, 2010, 15(3):5-6.

[6] 丁陳建, 汪吉林. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2009, 26(2):208-211.

[7] 國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路、及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社， 2000: 226-235.

[8] 張俊英. 地表新增荷載對(duì)采空區(qū)上方覆巖的影響規(guī)律[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2008, 33(2):166-170.

[9] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2014.

Evaluation and Analysis of the stability of mined out area under new building load

ZHOU Gui-lin

(Schoolofcivilengineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo, 454000,China)

In order to evaluate the stability of the new buildings above the mined area, a site in Jiaozuo is taken as an example, according to the collected data, the actual drilling data and the theoretical formula are combined to determine the height of goaf overburden failure. For the unstable goaf foundation, on the basis of additional stress method, the identification method of σz(self weight stress)=0.10σcz(additional stress) is used to determine the influence depth of building load, and the comparative analysis is carried out for the corresponding influence depth of building load under the criterionσz= 0.08σczandσz=0.05σcz. At the same time, combined with the Hmin≥HL+HDz+D stability evaluation method, the stability of the goaf foundation under the new building load is evaluated and the number of building floors is determined. The analysis results show that: under the same criterion, with the increase of floor load, the load influence depth also increases nonlinearly; under different criterion and the same floor load, when the discriminant coefficient decreases, the influence depth of the corresponding load increases, the safety factor increases, and the safety level of the building also gets higher.

Mined out area; Overburden failure height; Additional stress method; Load influence depth；Foundation stability

2017-01-25

周桂林(1991-)，男，河南信陽(yáng)人，河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：巖土工程。E-mail:1115199358@qq.com

TD29

A

1672-7169(2017)02-0023-05