土釘加固小窯采空區(qū)穩(wěn)定性評價的隨機(jī)抽樣法

李濤 劉泓霖 張波

摘 要：為了評價土釘加固的小窯采空區(qū)的穩(wěn)定性，探討了基于土釘加固的太沙基土拱理論的隨機(jī)抽樣法。統(tǒng)計小窯采空區(qū)穩(wěn)定性因素的參數(shù)和概率分布，循環(huán)生成各因素的隨機(jī)數(shù)并應(yīng)用土釘加固的太沙基土拱理論判斷穩(wěn)定性，最后用失效頻率估計失效概率。結(jié)果顯示，基于土釘加固的太沙基土拱理論的隨機(jī)抽樣法計算得到的失效概率和隨機(jī)有限元法仿真得到的失效概率差別不大。小窯采空區(qū)的目標(biāo)失效概率與上部結(jié)構(gòu)的安全等級和地基的破壞類型有關(guān)。通過隨機(jī)抽樣法獲得的斜土釘加固小窯采空區(qū)的穩(wěn)定性評價結(jié)果，比強(qiáng)度折減法更有說服力。

關(guān)鍵詞：小窯采空區(qū);斜土釘加固法;太沙基土拱理論;隨機(jī)抽樣法;隨機(jī)有限元法

中圖分類號：U45+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： 1671-2064（2020）12-0165-04

0引言

小窯采空區(qū)范圍窄，開采淺，以巷道和支巷道采掘為主，呈網(wǎng)格狀或無規(guī)律分布，單層或多層重疊交錯，大多不支撐或臨時簡單支撐，其地表易產(chǎn)生較大的裂縫、臺階和陷坑，嚴(yán)重威脅上部已建或擬建的建構(gòu)筑物的安全[1]。

為保證小窯采空區(qū)上部結(jié)構(gòu)的安全，提出斜土釘加固法[2]。該方法是在小窯采空區(qū)上覆巖土鉆斜孔，然后在孔內(nèi)布置土釘桿體，并沿孔全長注漿。該方法利用土釘?shù)膭偠群蛷?qiáng)度加固上覆巖土[3]，能夠解決小窯采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害問題，保證上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，不侵占礦產(chǎn)資源，且能保證采礦人員和財產(chǎn)的安全。

采空區(qū)的穩(wěn)定性評價方法主要包括預(yù)計法[4-9]、解析法[2，10]、半預(yù)計半解析法[11]及數(shù)值仿真法[2，12-15]。對于斜土釘加固的小窯采空區(qū)，采用了解析法和數(shù)值仿真法，具體為基于土釘加固的太沙基土拱理論和有限元法的強(qiáng)度折減法[2]。該文獻(xiàn)假設(shè)小窯采空區(qū)巖土的參數(shù)協(xié)調(diào)折減。然而實際工程巖土的參數(shù)特征并非協(xié)調(diào)折減，而是服從各自的概率分布[16]。而且，強(qiáng)度折減法未考慮巷道位置、上部荷載、上部安全等級、土釘強(qiáng)度等因素的變化。因此僅僅通過強(qiáng)度折減法獲得的小窯采空區(qū)的穩(wěn)定安全系數(shù)并不能客觀、全面評價小窯采空區(qū)的穩(wěn)定性。

因為實際工程的各參數(shù)服從各自的概率分布，所以可采用可靠度評價實際工程的穩(wěn)定性。采空區(qū)的可靠度分析方法主要包括一次二階矩法[17]、響應(yīng)面法[18]、隨機(jī)抽樣法（Monte Carlo法）[19-20]，也可采用隨機(jī)有限元法[21]。目前未出現(xiàn)針對斜土釘加固的小窯采空區(qū)的隨機(jī)抽樣法和隨機(jī)有限元法的應(yīng)用。

為了進(jìn)一步客觀、全面評價斜土釘加固的小窯采空區(qū)的穩(wěn)定性，本文將在解析法和有限元法的基礎(chǔ)上應(yīng)用隨機(jī)抽樣法，即土釘加固的太沙基土拱理論的隨機(jī)抽樣法和隨機(jī)有限元法。

1 斜土釘加固法[2]

如圖1所示，按照原始太沙基土拱理論[22-23]，淺埋巷道的側(cè)壁巖土存在從巷道底面開始的傾斜破裂面DE和JK。DE和JK到達(dá)巷道頂部高度后變?yōu)樨Q直破裂面EF和KL直達(dá)地面。當(dāng)巷道完全不加支撐時，DE和JK與水平面的夾角為巖土的平均等效內(nèi)摩擦角（）[24-25]，即

采用斜土釘加固淺埋巷道的上覆巖土，防止破裂面DEF和破裂面JKL內(nèi)側(cè)的巖土失穩(wěn)。斜土釘為直線形狀，其垂直位置為從地面的高度到淺埋巷道頂面的高度。斜土釘必然穿過DEF或JKL兩者之一，地面作用有荷載P0。

2 土釘加固的太沙基土拱理論[2]

假設(shè)小窯采空區(qū)的形狀和外力沿巷道豎直中軸線左右對稱。將巷道簡化為矩形。將破裂面DEF內(nèi)側(cè)的巖土從地面到巷道頂部分成若干層，巷道側(cè)壁為滑塊DEA，如圖2所示。假設(shè)各層巖土之間的等效內(nèi)摩擦角不同，但每層內(nèi)部各點(diǎn)的相等。

考察其中任意一層巖土j。在第j層巖土內(nèi)部取出一厚度為dHj的水平條帶單元體，如圖3所示。

其中：k0為靜止土壓力系數(shù);為第j層巖土頂面的豎向應(yīng)力;為D點(diǎn)和E點(diǎn)（或J點(diǎn)和K點(diǎn)）深度的平均等效內(nèi)摩擦角;為第j層巖土的等效內(nèi)摩擦角[24-25];Hj為第j層巖土的厚度;b為水平條帶單元體;bt為巷道寬度;Ht為巷道高度;為第j層巖土的等效內(nèi)摩擦角[24-25];為第j層巖土在垂直破裂面處的抗剪強(qiáng)度;為第j層巖土作用在垂直破裂面上的法向壓力。

式中：n為穿過破裂面且錨固在破裂面兩端巖土的土釘?shù)臄?shù)量;為土釘釘體的應(yīng)力強(qiáng)度;Ai為第i根土釘釘體的橫截面面積;為第i根土釘與水平面的夾角;H為所有分層巖土的總厚度。

其中：WDEA為滑塊DEA的自重;FnAE為上覆巖土作用于AE面上的力，方向垂直于AE面法線方向且向下，當(dāng)FnAE<0時取FnAE=0;m是指緊貼巷道頂面的那一層巖土。當(dāng)式（9）等號右邊大于1時，滑塊DEA穩(wěn)定;等號右邊小于1時，滑塊DEA失穩(wěn);當(dāng)式（9）等號成立時，滑塊DEA處于極限平衡式狀態(tài)。當(dāng)滑塊DEA失穩(wěn)時，滑塊EFLK也難以保持平衡，可認(rèn)為小窯采空區(qū)整體失穩(wěn)。

3 基于土釘加固的太沙基土拱理論的隨機(jī)抽樣法

3.1 基于土釘加固的太沙基土拱理論的隨機(jī)抽樣法步驟

本文在評價小窯采空區(qū)穩(wěn)定性時，采用了隨機(jī)抽樣法，執(zhí)行如下步驟：

（1）通過室內(nèi)試驗、資料搜集、現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)理統(tǒng)計，獲得小窯采空區(qū)穩(wěn)定性因素的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布，包括巷道位置與尺寸、上部荷載、巖土參數(shù)、土釘參數(shù)等因素。

（2）每次抽樣按照各因素的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布類型生成相應(yīng)的隨機(jī)數(shù)。當(dāng)生成的隨機(jī)數(shù)小于0時，取隨機(jī)數(shù)為0。

（3）以作為邊界條件，以作為遞推條件，依次循環(huán)計算式（1）、（3）、（6）、（5）、（8）（或（7））、（4）、（2），直到最后一層巖土，結(jié)束循環(huán)。

（4）計算式（10）、（9），并判斷滑塊DEA是否失穩(wěn)。

（8）當(dāng)小于目標(biāo)失效概率[Pf]時評價小窯采空區(qū)穩(wěn)定;當(dāng)大于[Pf]時評價小窯采空區(qū)不穩(wěn)定。

3.2 目標(biāo)失效概率

根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB 50153-2008》對房屋建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)的規(guī)定，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的定義[26]，本文給出小窯采空區(qū)的目標(biāo)失效概率，如表1所示。

無地基處理的小窯采空區(qū)的破壞無預(yù)兆，因此地基破壞類型為脆性破壞。土釘屬于柔性材料，能夠提高地基土的柔韌性[3]，因此有土釘加固的小窯采空區(qū)的破壞類型可判別為延性破壞。

4 小窯采空區(qū)可靠度分析的隨機(jī)有限元法

小窯采空區(qū)可靠度分析的隨機(jī)有限元法與常規(guī)的隨機(jī)有限元法[21]無太大差異，是有限元法[27]與隨機(jī)抽樣法[20]的結(jié)合。

5 算例

算例包括基于土釘加固的太沙基土拱理論的隨機(jī)抽樣法分析小窯采空區(qū)可靠度和隨機(jī)有限元法分析小窯采空區(qū)可靠度。

5.1 基于解析法的隨機(jī)抽樣法分析小窯采空區(qū)可靠度

某小窯采空區(qū)[2]穩(wěn)定性的因素的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布類型見表2、表3。抽樣時，按照表中的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布類型生成相應(yīng)因素的隨機(jī)數(shù)。其中的nd為穿過破裂面且錨固在破裂面兩端巖土的土釘?shù)脑O(shè)計數(shù)量。ns指穿過破裂面且錨固在破裂面兩端巖土的土釘?shù)氖┕ご纹窋?shù)量。生成隨機(jī)數(shù)法方法詳見有關(guān)抽樣技術(shù)的文獻(xiàn)[28]。

每次抽樣的粘聚力C按照式（13）計算[2]。式（13）為某小窯采空區(qū)的土在結(jié)構(gòu)性發(fā)生變化時與C所呈現(xiàn)出的函數(shù)關(guān)系，該式由室內(nèi)試驗測得的與C擬合得到，當(dāng)C<0時，取C=0。

將表2、表3的參數(shù)以及式（13）應(yīng)用到4.1節(jié)基于土釘加固的太沙基土拱理論的隨機(jī)抽樣法步驟中去，評價小窯采空區(qū)的穩(wěn)定性。

評價結(jié)果：對于無地基處理情況，地基脆性破壞，太沙基破裂面內(nèi)側(cè)巖土的失效頻率為0.007111，高于安全等級為一級、二級和三級的上部結(jié)構(gòu)的目標(biāo)失效概率[pf]，因此對于一級、二級和三級的上部結(jié)構(gòu)來說小窯采空區(qū)不穩(wěn)定。對于有土釘加固情況，地基延性破壞，為0.000569，高于安全等級為一級的上部結(jié)構(gòu)的[pf]，因此對于一級的上部結(jié)構(gòu)來說小窯采空區(qū)不穩(wěn)定;但低于安全等級為二級、三級的上部結(jié)構(gòu)的[pf]，因此對于二級、三級的上部結(jié)構(gòu)來說小窯采空區(qū)穩(wěn)定。

5.2 隨機(jī)有限元法分析小窯采空區(qū)可靠度

有限元建模與求解方法與文獻(xiàn)[2]相同。采用隨機(jī)有限元法[21]分析小窯采空區(qū)的穩(wěn)定性。分析過程中，按照表2和表3的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布類型以及式（13）生成每次抽樣的相應(yīng)因素的隨機(jī)數(shù)。以位移—荷載曲線發(fā)生突變作為有限元極限狀態(tài)的判據(jù)。按照式（11）計算每次抽樣的指示函數(shù)IF。循環(huán)抽樣并分析，直到達(dá)到總的抽樣次數(shù)Nn。按照式（12）計算太沙基破裂面內(nèi)側(cè)巖土的失效頻率。

評價結(jié)果：對于無地基處理情況，為0.007038;對于有土釘加固情況，為0.000673。隨機(jī)有限元法仿真得到的失效概率和基于土釘加固的太沙基土拱理論的隨機(jī)抽樣法計算得到的失效概率差別不大。

6討論

根據(jù)隨機(jī)抽樣法原理[20]，當(dāng)Nn趨于無窮大時，趨近于Pf。Nn越大，的計算結(jié)果越穩(wěn)定。要達(dá)到一定的精度， Nn必須取得足夠大。本文建議，對于安全等級為一級的上部結(jié)構(gòu)，Nn不小于235416;對于安全等級為二級的上部結(jié)構(gòu)，Nn不小于41945;對于安全等級為三級的上部結(jié)構(gòu)，Nn不小于9596。

有土釘加固的小窯采空區(qū)比無地基處理的小窯采空區(qū)的穩(wěn)定安全系數(shù)高[2];有土釘加固的小窯采空區(qū)比無地基處理的小窯采空區(qū)的可靠度高。因此隨機(jī)抽樣法和強(qiáng)度折減法[2]評價小窯采空區(qū)穩(wěn)定性的結(jié)果具有一致性。

強(qiáng)度折減法[2]假設(shè)工程的材料強(qiáng)度參數(shù)折減;隨機(jī)抽樣法通過室內(nèi)試驗、資料搜集、現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)理統(tǒng)計獲得實際工程穩(wěn)定性因素的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布。而且，強(qiáng)度折減法[2]未考慮上部結(jié)構(gòu)的安全等級和地基的破壞類型;隨機(jī)抽樣法的目標(biāo)失效概率受上部結(jié)構(gòu)的安全等級和地基的破壞類型的影響。綜上所述，隨機(jī)抽樣法是立足于客觀現(xiàn)象的方法，考慮的因素更全面，因此通過隨機(jī)抽樣法獲得的斜土釘加固小窯采空區(qū)的穩(wěn)定性評價結(jié)果，比強(qiáng)度折減法更有說服力。

7 結(jié)論

本文在解析法和有限元法的基礎(chǔ)上應(yīng)用隨機(jī)抽樣法，即土釘加固的太沙基土拱理論的隨機(jī)抽樣法和隨機(jī)有限元法，評價了斜土釘加固的小窯采空區(qū)的穩(wěn)定性。由此得出以下結(jié)論：

（1）小窯采空區(qū)的目標(biāo)失效概率與上部結(jié)構(gòu)的安全等級和地基的破壞類型有關(guān)。

（2）基于土釘加固的太沙基土拱理論的隨機(jī)抽樣法計算得到的失效概率和隨機(jī)有限元法仿真得到的失效概率差別不大。

（3）通過隨機(jī)抽樣法獲得的斜土釘加固小窯采空區(qū)的穩(wěn)定性評價結(jié)果，比強(qiáng)度折減法更有說服力。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙忠海.地球物理探測技術(shù)在北京門頭溝小窯采空區(qū)勘查中的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2010，21（1）：60-64.

[2] 馬少坤，李濤，邵羽.小窯采空區(qū)淺埋巷道上覆巖土土釘加固分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，43（4）：1455-1465.

[3] 龔曉南.土釘和復(fù)合土釘支護(hù)若干問題[J].土木工程學(xué)報，2003，36（10）：80-83.

[4] 郁文峰，陳元非，孟彥杰，等.鄰近采空區(qū)影響的地表沉陷概率積分參數(shù)反演[J].煤礦安全，2019，5（5）：231-234+238.

[5] 喬元鋒.運(yùn)用典型曲線法做好涼水井煤礦沉陷參數(shù)計算[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2016，1（16）：144-145+153.

[6] 王正帥，鄧喀中.老采空區(qū)殘余沉降的離散灰色預(yù)測模型[J].煤炭學(xué)報，2010，35（7）：1084-1088.

[7] 郝剛，于啟升.穩(wěn)健統(tǒng)計方法在老采空區(qū)沉降數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2010，26（2）：76-78.

[8] 戴華陽.地表移動預(yù)計的新設(shè)想——采空區(qū)矢量法[J].礦山測量，1995，1（4）：30-33+24.

[9] 孫宇超，趙周能，陳星明，等.基于AHP和模糊數(shù)學(xué)方法的采空區(qū)穩(wěn)定性評價[J].有色金屬（礦山部分），2019，71（5）：35-40.

[10] 高曉輝，彭建兵，楊天亮，等.西合高速公路采空區(qū)穩(wěn)定性評價及其治理方案[J].地球與環(huán)境，2005，33（3）：139-141.

[11] 馮遠(yuǎn)建，李子龍.礦山采空區(qū)穩(wěn)定性分析及安全治理方法研究[J].煤炭與化工，2014，37（6）：28-30.

[12] 妙美蘭，寥英泰，鄒澤舉.基于彈性非線性理論的采空區(qū)有限元數(shù)值模擬分析[J].西部探礦工程，2005，17（11）：104-106.

[13] 楊素春.潭山鉛鋅礦地下采空區(qū)斷層切割的邊坡穩(wěn)定性邊界元法分析[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，1990.

[14] 王秀格，喬蘭，孫歆碩.地下采空區(qū)上輸電塔基穩(wěn)定性的數(shù)值模擬[J].金屬礦山，2008，1（3）：110-113+143.

[15] 李一帆，李作良，王慧萍.城市固體廢棄物充填采空區(qū)的離散元分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36（5）：12-14+17.

[16] 鄭軼軼，朱劍鋒，劉干斌，等.寧波軟土物理力學(xué)參數(shù)概率分布及相關(guān)性研究[J].中國科技論文，2013，8（5）：367-373.

[17] 張耀平.礦山空區(qū)誘發(fā)的巖移特征及覆蓋層冒落效應(yīng)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[18] 徐晨浩，張衛(wèi)東.基于新型響應(yīng)面法的煤礦采空區(qū)坡沿隆起風(fēng)險分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2017，1（12）：56-61.

[19] 程涌，劉建龍，楊八九.蒙特卡洛法在采空區(qū)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用研究[J].銅業(yè)工程，2017，1（2）：27-30.

[20] 張建中.蒙特卡洛方法（Ⅰ）[J].數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識，1974，1（1）：28-40.

[21] 王建軍，于長波，李其漢.工程中的隨機(jī)有限元方法[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2009，26（2）：297-303.

[22] Terzaghi K..Rock Defects and Loads on Tunnel Support[M].Massachusetts：Harvard Univ，1946.

[23] Son M..Three-Dimensional Expansion of the Terzaghi Arching Formula Considering Inclined Sliding Surfaces and Examination of Its Effects[J].International Journal of Geomechanics，2017，17（7）：06016043.

[24] 周旋.等效內(nèi)摩擦角計算方法及其應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2016，41（7）：22-25.

[25] Protodyakonov M. M..Methods of Studying the Strength of Rocks[C].Mining Research，Missouri：Pergamon Press，1962：649-668.

[26] 梁昌洪，李龍，史小衛(wèi).標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的簡潔閉式[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，30（3）：289-292.

[27] 王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[28] 沈華韻，張鵬，王侃.改進(jìn)線性同余法隨機(jī)數(shù)發(fā)生器[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，49（2）：191-193.