高聳構(gòu)筑物采動(dòng)變形特征與地基精準(zhǔn)注漿加固機(jī)理

郭文兵，趙高博，楊偉強(qiáng)，焦軼恒，馬志寶，陳新明

(1. 河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454003;2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454003;3.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 焦作 454003)

我國(guó)煤炭資源分布廣泛，建(構(gòu))筑物、水體、鐵路下(簡(jiǎn)稱“三下”)壓煤量大(約140億t)，“三下”壓煤開采已成為煤礦面臨的主要難題。煤礦開采后上覆巖層破壞傳遞至地表，誘發(fā)地表沉陷進(jìn)而導(dǎo)致建(構(gòu))筑物損壞。與一般建(構(gòu))筑物不同，高聳構(gòu)筑物對(duì)地表移動(dòng)變形量的響應(yīng)與敏感性有其特殊性，研究高聳構(gòu)筑物采動(dòng)損害與保護(hù)對(duì)發(fā)展現(xiàn)有采動(dòng)區(qū)域構(gòu)筑物保護(hù)理論等具有重要實(shí)際意義。

相關(guān)學(xué)者對(duì)高聳構(gòu)筑物采動(dòng)變形與監(jiān)測(cè)進(jìn)行了大量的研究。何榮等研究了地下開采引起的煙囪變形影響；劉文生采用覆巖離層充填控制地表沉陷技術(shù)對(duì)工作面開采保護(hù)地面高壓線路進(jìn)行了研究；郭文兵等提出了采動(dòng)影響下高壓線塔與地基、基礎(chǔ)協(xié)同作用模型，并采用地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法研究了放頂煤開采影響下高壓線鐵塔線路的安全性；蔡來良等提出一種基于平面擬合原理的高壓線塔基礎(chǔ)傾斜值計(jì)算方法；閻躍觀等采用開采沉陷預(yù)計(jì)方法對(duì)采動(dòng)影響區(qū)高壓線鐵塔進(jìn)行了首采面開切眼優(yōu)化設(shè)計(jì)；李逢春等分析了開采引起的地表移動(dòng)變形對(duì)架空輸電線路的影響規(guī)律，并導(dǎo)出了采動(dòng)影響下高壓架空輸電線路近地距離計(jì)算方法。

上述研究針對(duì)高聳構(gòu)筑物采動(dòng)變形規(guī)律與變形監(jiān)測(cè)方法取得了較大進(jìn)展，但對(duì)高聳構(gòu)筑物的注漿加固保護(hù)技術(shù)及機(jī)理研究較少。筆者在系統(tǒng)分析高聳構(gòu)筑物采動(dòng)變形特征基礎(chǔ)上，提出并實(shí)施了基于“下沉量-注漿壓力”的高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)，通過理論分析揭示了地基精準(zhǔn)注漿加固機(jī)理，結(jié)合工程實(shí)例驗(yàn)證了該技術(shù)的合理性，對(duì)煤礦綠色開采、提高煤炭資源采出率、預(yù)防或減輕高聳構(gòu)筑物采動(dòng)損害等具有重要理論與實(shí)際意義。

1 地表高聳構(gòu)筑物概況

地表沉陷將引起地表建(構(gòu))筑物損壞，不同類型建(構(gòu))筑物的損壞特征不同。其中，地表高聳構(gòu)筑物指的是高度較大、橫斷面相對(duì)較小的構(gòu)筑物，以水平荷載(特別是風(fēng)荷載)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為自立式塔式結(jié)構(gòu)和拉線式桅式結(jié)構(gòu)，主要包括架空輸電線路鐵塔、電視廣播信號(hào)鐵塔、煙囪等，如圖1所示。

圖1 地表高聳構(gòu)筑物Fig.1 High-rise structures on surface

上述高聳構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)、材料、高度等與一般建(構(gòu))筑物(民房房屋、橋梁、鐵路等)不同，對(duì)地表移動(dòng)和變形量的響應(yīng)及敏感性有其特殊性，因此，高聳構(gòu)筑物采動(dòng)變形特征及保護(hù)技術(shù)與一般建筑物顯著不同。

另外，架空輸電線路是由導(dǎo)線、鐵塔、基礎(chǔ)以及附屬連接件等組成的連續(xù)、耦合的空間體系結(jié)構(gòu)。目前我國(guó)各大礦區(qū)幾乎所有的煤礦井田上方均有高壓輸電線路通過，如兗州礦區(qū)南屯、濟(jì)寧二號(hào)井，高壓輸電線路壓占2 189萬t可采儲(chǔ)量；晉煤集團(tuán)寺河煤礦井田內(nèi)有我國(guó)首條1 000 kV晉東南—南陽(yáng)—荊門特高壓試驗(yàn)示范工程經(jīng)過，壓煤量共3 078萬t。由于高壓輸電線路分布的特殊性，尤其是線路鐵塔對(duì)開采引起的地表移動(dòng)變形敏感，高壓輸電線路的安全性顯得十分重要。若為高壓線路鐵塔留設(shè)保護(hù)煤柱，會(huì)損失大量的煤炭資源，并嚴(yán)重影響煤礦井下開拓開采布局。而采取搬遷高壓線路(改線)措施不僅投資大、涉及面廣、實(shí)施難度大，而且存在新路徑選擇困難、重復(fù)壓煤、周期長(zhǎng)等復(fù)雜問題。因此，需要根據(jù)高聳構(gòu)筑物的采動(dòng)變形特征提出高聳構(gòu)筑物保護(hù)新技術(shù)，從而提高煤炭資源采出率，又能確保高聳構(gòu)筑物安全運(yùn)行。

2 高聳構(gòu)筑物采動(dòng)變形特征

2.1 地表下沉的影響

均勻下沉的影響

均勻下沉對(duì)單一高聳構(gòu)筑物(如煙囪、廣播電視信號(hào)塔)的影響較小，但對(duì)高壓輸電線路而言，某一高壓輸電線鐵塔的均勻下沉，將通過導(dǎo)線傳遞至其他鐵塔，如圖2所示。

圖2 高壓線鐵塔均勻下沉影響示意Fig.2 Schematic diagram of influence of uniformsubsidence on high voltage towers

由圖2可知，2號(hào)鐵塔基礎(chǔ)從下沉到，下沉量為(單位為mm)，基礎(chǔ)下沉后引起架空線懸掛點(diǎn)下沉，2號(hào)鐵塔懸掛點(diǎn)的張力、導(dǎo)線的弧垂和近地距離、最大弧垂的位置和傾斜角等都發(fā)生了改變，并傳遞至其臨近的1號(hào)、3號(hào)鐵塔，形成牽引力。

另外，地表大面積、平緩、均勻地下沉對(duì)高壓輸電線路的影響較小，但當(dāng)?shù)乇砭鶆蛳鲁亮亢艽髸r(shí)，特別是在潛水位很高的礦區(qū)，地表下沉造成高壓線鐵塔基礎(chǔ)接近或位于地下水位以下時(shí)，將造成高壓線鐵塔地基和基礎(chǔ)嚴(yán)重腐蝕，嚴(yán)重威脅高壓線鐵塔的安全穩(wěn)定性。

不均勻下沉的影響

高壓線鐵塔大部分為格構(gòu)型，常見基礎(chǔ)為分裂式，由4個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)構(gòu)成，獨(dú)立基礎(chǔ)間的不均勻下沉引起高壓線鐵塔桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，附加應(yīng)力大于材料的許可應(yīng)力時(shí)，高壓線塔結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞或倒塌。當(dāng)高壓線鐵塔位于地表下沉盆地中間時(shí)(圖3(a))，將導(dǎo)致4個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)下沉、內(nèi)收、塔身變形；當(dāng)高壓線鐵塔位于地表下沉盆地邊緣時(shí)(圖3(b))，將導(dǎo)致高壓線鐵塔兩側(cè)基礎(chǔ)下沉量不一致，其中一側(cè)下沉量較大，并向下沉盆地滑落，塔身發(fā)生傾斜變形。

圖3 地表下沉盆地內(nèi)不同位置基礎(chǔ)不均勻下沉示意Fig.3 Schematic diagram of uneven subsidence offoundation at different positions in a subsidence basin

由圖3可知，當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，高壓線鐵塔將產(chǎn)生2種反應(yīng)：① 當(dāng)附加應(yīng)力超過鐵塔材料的彈性極限時(shí)，高壓線鐵塔幾何形狀就發(fā)生改變(圖3(a))，以適應(yīng)基礎(chǔ)的不均勻沉降，這時(shí)高壓線塔結(jié)構(gòu)將破壞；② 高壓線鐵塔結(jié)構(gòu)在自身具有的剛體性能下作為一個(gè)剛體隨基礎(chǔ)而發(fā)生整體的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)(圖3(b))，這時(shí)高壓線鐵塔結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞。

2.2 地表水平移動(dòng)與曲率的影響

對(duì)于聯(lián)合基礎(chǔ)的高聳構(gòu)筑物，上部結(jié)構(gòu)不會(huì)受到地表水平移動(dòng)引起的附加應(yīng)力，但對(duì)于獨(dú)立基礎(chǔ)的高壓線鐵塔桁架結(jié)構(gòu)，當(dāng)基礎(chǔ)水平移動(dòng)不一致時(shí)，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)承受拉伸或壓縮，從而在鐵塔結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，極易使橫桿產(chǎn)生彎曲甚至破壞的現(xiàn)象。

曲率變形對(duì)于底面積小的高聳構(gòu)筑物影響較小。根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)采動(dòng)區(qū)域高聳構(gòu)筑物觀測(cè)資料分析得知，高聳構(gòu)筑物曲率為地表曲率的21.3～78.4%。高聳構(gòu)筑物剛度越大，地表傳遞到高聳構(gòu)筑物上的曲率越小，因此一般不考慮曲率變形對(duì)鐵塔的作用。

2.3 地表傾斜與水平變形的影響

以單個(gè)高壓線鐵塔為例，采用數(shù)值模擬方法分析不同地表傾斜、水平變形(拉伸與壓縮)下高壓線鐵塔最大拉(壓)應(yīng)力變化規(guī)律。本次模擬不考慮導(dǎo)線對(duì)鐵塔的約束作用，僅考慮地表傾斜、水平變形(拉伸與壓縮)對(duì)高壓線鐵塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。

數(shù)值模擬方案與模型建立

(1)數(shù)值模擬方案。根據(jù)模擬目的，設(shè)計(jì)模擬方案見表1。由表1可知，在模擬過程中將地表傾斜變形量轉(zhuǎn)換成鐵塔一側(cè)基礎(chǔ)1，2相對(duì)靜止，另一側(cè)基礎(chǔ)3，4均勻下沉(圖4(a))，即基礎(chǔ)1，2的邊界條件為，，三個(gè)方向位移固定，基礎(chǔ)3，4的邊界條件為=0，<0，=0，，，(，，方向旋轉(zhuǎn)自由度)自由；將地表拉伸(壓縮)變形量轉(zhuǎn)換成鐵塔一側(cè)基礎(chǔ)1，2相對(duì)靜止，另一側(cè)基礎(chǔ)3，4均勻水平拉伸(壓縮)移動(dòng)(圖4(b)，(c))，即基礎(chǔ)1，2的邊界條件為，，三個(gè)方向位移固定，基礎(chǔ)3，4的邊界條件為>(或<)0，=0，=0，，，自由。

表1 數(shù)值模擬方案

圖4 鐵塔基礎(chǔ)傾斜、水平拉伸(壓縮)變形加載示意Fig.4 Loading diagram of slope and horizontal tension(compression) deformation of tower foundations

(2)數(shù)值模型建立。以自立式高壓線鐵塔為原型，該鐵塔由各種等邊角鋼組成，材料主要由Q235(A3F)和Q345(16Mn)組成，該塔總高度為41.5 m，寬側(cè)根開6 m，窄側(cè)根開5.6 m，如圖5(a)，(b)所示。利用ANSYS程序?qū)Ω邏狠旊娋€鐵塔進(jìn)行建模，建立的有限元分析模型如圖5(c)所示。

圖5 高壓線鐵塔基礎(chǔ)支座、正視圖與數(shù)值模型Fig.5 Foundation support,front view andnumerical model of a high voltage tower

本次模擬采用彈塑性本構(gòu)模型，其中鋼材的彈性模量均為206 GPa，泊松比均為0.3，密度均為7 850 kg/m。在模擬過程中，將鐵塔簡(jiǎn)化為空間剛架模型，將鐵塔各桿件都簡(jiǎn)化成梁?jiǎn)卧卿摰穆?lián)接點(diǎn)簡(jiǎn)化成單元的節(jié)點(diǎn)即剛節(jié)點(diǎn)，并假設(shè)高壓線鐵塔基礎(chǔ)不發(fā)生破壞或較大變形，且在變形過程中，模型節(jié)點(diǎn)不先于桿件發(fā)生破壞。

數(shù)值模擬結(jié)果與分析

根據(jù)表1中的模擬方案，得到高壓線鐵塔最大拉(壓)應(yīng)力與不同傾斜、水平變形之間的曲線關(guān)系，如圖6所示。

圖6 高壓線鐵塔最大應(yīng)力與傾斜、水平變形量關(guān)系曲線Fig.6 Curves of relationship between maximum stress,slope and horizontal deformation of a high voltage tower

由圖6可知，隨著傾斜與水平變形量的增加，高壓線鐵塔最大應(yīng)力均依次經(jīng)歷線性增加、緩慢增加階段，即彈性階段與屈服階段。圖6(a)～(b)中彈性階段與屈服階段交界處的傾斜、拉伸、壓縮變形量分別為30，+6，-6 mm/m。鐵塔處于屈服階段時(shí)(傾斜變形量40 mm/m，水平變形量±8 mm/m)的變形示意、軸向應(yīng)力分布云圖、綜合位移分布云圖如圖7～9所示，圖中的“MX”代表相應(yīng)分析的最大值位置，“MN”代表最小值位置。

圖7 傾斜變形量40 mm/m時(shí)鐵塔模擬結(jié)果云圖Fig.7 Tower simulation results with a slope of 40 mm/m

圖8 拉伸變形量+8 mm/m時(shí)鐵塔模擬結(jié)果云圖Fig.8 Tower simulation results witha tensiondeformation +8 mm/m

圖9 壓縮變形量-8 mm/m時(shí)鐵塔模擬結(jié)果云圖Fig.9 Tower simulation results witha compressiondeformation -8 mm/m

由圖7～9可進(jìn)一步得到高壓線鐵塔在屈服時(shí)的最大應(yīng)力、位移及其位置，見表2。

表2 高壓線鐵塔在屈服時(shí)的最大應(yīng)力、位移及其位置

由表2可知，地表傾斜導(dǎo)致鐵塔屈服主要是由于塔基處軸向壓應(yīng)力達(dá)到其最大值，拉伸(壓縮)變形導(dǎo)致鐵塔屈服主要是由于塔基處軸向拉(壓)應(yīng)力達(dá)到其最大值；高壓線鐵塔在屈服階段時(shí)的最大軸向應(yīng)力位置均位于塔基處。

根據(jù)上述分析可知，因煤炭開采導(dǎo)致高聳構(gòu)筑物變形的原因在于其基礎(chǔ)發(fā)生了不同程度的下沉、傾斜與水平變形等，有必要提出一種抑制高聳構(gòu)筑物基礎(chǔ)地基變形的技術(shù)。

3 高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)

3.1 高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)原理

注漿的分類較多，其中靜壓注漿可分為充填或裂隙注漿、滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿，其都可用于充填裂隙、加固地基。筆者提出的高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)原理是基于概率積分法預(yù)計(jì)基礎(chǔ)移動(dòng)變形量，在工作面將要(或正在)影響至高聳構(gòu)筑物時(shí)，對(duì)其地基(基礎(chǔ)內(nèi)部與基礎(chǔ)周邊)進(jìn)行滲透注漿加固，通過控制不同注漿位置的注漿壓力與注漿量，實(shí)現(xiàn)提高地基強(qiáng)度、補(bǔ)償?shù)鼗鲁?、矯正地基角度(傾斜)目的，從而精準(zhǔn)保護(hù)高聳構(gòu)筑物。筆者以水泥作為注漿的主要施工材料，以獨(dú)立基礎(chǔ)為例，首先根據(jù)采礦地質(zhì)條件預(yù)計(jì)4個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)的移動(dòng)變形曲線，其中下沉預(yù)計(jì)等值線如圖10所示。

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圖10 高聳構(gòu)筑物獨(dú)立基礎(chǔ)下沉預(yù)計(jì)曲線Fig.10 Predicted subsidence curves for high rise structures

根據(jù)下沉量預(yù)計(jì)等值線，實(shí)施高聳構(gòu)筑物精準(zhǔn)加固技術(shù)，其流程如圖11所示。

圖11 高聳構(gòu)筑物精準(zhǔn)加固技術(shù)流程Fig.11 Flow chart of precise reinforcement technology forhigh rise structures

由圖10，11可知，根據(jù)概率積分法預(yù)計(jì)得到高聳構(gòu)筑物4個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)A，B，C，D的下沉量分別為，，，，且基礎(chǔ)A的下沉量最大，基礎(chǔ)D的下沉量最小。根據(jù)圖11可知，通過在4個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)內(nèi)與基礎(chǔ)周邊埋設(shè)不同長(zhǎng)度的注漿管，控制注漿量與注漿壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)地基精準(zhǔn)注漿，從而可達(dá)到保護(hù)高聳構(gòu)筑物安全運(yùn)行目的。

3.2 高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固作用

基于上述理念，進(jìn)一步深入分析高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)的作用：注漿加固作用、注漿充填作用與注漿調(diào)斜作用。

注漿加固作用

高聳構(gòu)筑物基礎(chǔ)地基通常位于為第四系松散層或地表裸露基巖內(nèi)。當(dāng)基礎(chǔ)位于第四系松散層內(nèi)時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)及其周邊的土體地基注漿，可通過改變土體地基的力學(xué)性質(zhì)(地基由土體變?yōu)閹r土體)提高地基強(qiáng)度，其中高聳構(gòu)筑物土體地基注漿前后試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖12所示。

圖12 土體地基注漿前后試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.12 Stress-strain curves of soil samplesbefore and after grouting

由圖12可知，注漿使得地基土試樣強(qiáng)度()提高至地基巖土試樣的強(qiáng)度()；另外，注漿前，受采動(dòng)影響當(dāng)?shù)鼗鶓?yīng)力達(dá)到地基土試樣強(qiáng)度時(shí)，土試樣的應(yīng)變?yōu)椤?；注漿后，受采動(dòng)影響當(dāng)?shù)鼗鶓?yīng)力達(dá)到地基土試樣強(qiáng)度時(shí)，巖土試樣的應(yīng)變?yōu)?，小于′?/p>

當(dāng)基礎(chǔ)位于地表裸露基巖時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)及其周邊的基巖地基進(jìn)行注漿，可通過漿液充填基巖內(nèi)部存在原有裂隙提高基巖地基強(qiáng)度。

注漿充填作用

通過對(duì)基礎(chǔ)地基注漿不僅可以提高其強(qiáng)度，也能起到補(bǔ)償下沉作用。以高聳構(gòu)筑物的單個(gè)基礎(chǔ)地基為例，基礎(chǔ)地基注漿充填補(bǔ)償下沉作用如圖13所示。

圖13 基礎(chǔ)地基注漿充填補(bǔ)償下沉作用示意Fig.13 Effects of foundation grouting fillingcompensation subsidence

根據(jù)圖13可知，高聳構(gòu)筑物的基礎(chǔ)地基土顆粒間存在原有空隙與空洞(圖13(a))，無注漿時(shí)，受采動(dòng)影響，這些原有空隙與空洞被其周邊圖顆粒填充，置換出的空間形成的部分地表不均勻下沉量(圖13(b))；當(dāng)對(duì)基礎(chǔ)地基進(jìn)行注漿時(shí)，漿液充填原有空隙與空洞(圖13(c))，基礎(chǔ)地基受采動(dòng)影響時(shí)，空隙漿液、空洞漿液將起到補(bǔ)償?shù)乇硐鲁磷饔谩?/p>

注漿調(diào)斜作用

根據(jù)概率積分法預(yù)計(jì)得到不同位置高聳構(gòu)筑物的基礎(chǔ)下沉量，若下沉量不同，可通過調(diào)節(jié)不同位置注漿管的注漿壓力，控制調(diào)節(jié)地基反向作用力矯正基礎(chǔ)傾斜，達(dá)到調(diào)斜作用。高聳構(gòu)筑物基礎(chǔ)地基注漿調(diào)斜作用如圖14所示。

圖14 高聳構(gòu)筑物基礎(chǔ)地基注漿調(diào)斜作用剖面示意Fig.14 Section sketch of grouting inclination adjustmenteffects for foundation of a high rise structure

由圖14可知，開采前基礎(chǔ)A，B均位于地平線上，下沉量為；地表預(yù)計(jì)曲線中基礎(chǔ)A的下沉量()大于基礎(chǔ)B的下沉量()；實(shí)施精準(zhǔn)注漿后地表下沉曲線中基礎(chǔ)A，B的下沉量均為′。另外，基礎(chǔ)A，B地基共布置了9個(gè)注漿管(1～9號(hào))，基礎(chǔ)周邊地基鋪設(shè)的注漿管長(zhǎng)度大于基礎(chǔ)內(nèi)地基注漿管長(zhǎng)度，通過調(diào)節(jié)1號(hào)、2號(hào)注漿管注漿壓力大于8號(hào)、9號(hào)注漿管壓力，實(shí)現(xiàn)1號(hào)與2號(hào)注漿管下地基反作用力大于8號(hào)與9號(hào)，從而達(dá)到基礎(chǔ)A與基礎(chǔ)B周邊地基下沉量一致目的。

綜上可知，高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固作用包括注漿加固作用提高地基強(qiáng)度、注漿充填作用補(bǔ)償下沉與注漿調(diào)斜作用控制地基反力。

3.3 高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固機(jī)理

根據(jù)上述高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固作用，進(jìn)一步采用半無限空間體集中力作用下的位移公式與數(shù)值積分方法，推導(dǎo)理論分析地基下沉量與注漿壓力之間的定量關(guān)系式。

豎直、水平集中力下土體豎向變形理論分析

在半無限空間飽和土內(nèi)部距離自由面處受到豎直集中力()與水平集中力()作用時(shí)(圖15)，土體相應(yīng)的豎向變形()表達(dá)式為

=v+h

(1)

式中，v為豎直集中力作用下方向的土體位移，m；h為水平集中力作用下方向的土體位移，m。

在圖15中′-′-′坐標(biāo)系下，得到h與v的表達(dá)式，如式(2)，(3)所示。

圖15 半無限飽和土內(nèi)部受豎直、水平集中力作用Fig.15 Semi-infinite saturated soil subjected tovertical and horizontal concentrated force

(2)

(3)

式中，為土體的剪切模量，Pa。

精準(zhǔn)注漿作用下地基豎向變形理論分析

根據(jù)上述精準(zhǔn)注漿原理，在半無限可滲透注漿的土體內(nèi)注漿過程中，當(dāng)注漿壓力超過極限注漿壓力()時(shí)，滲透注漿將變?yōu)榕炎{。因此當(dāng)注漿壓力小于，才能保證漿液的均勻滲透，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)高聳構(gòu)筑物地基的精準(zhǔn)注漿，其中表達(dá)式為

(4)

式中,為地基土層的泊松比，一般小于0.5；為地基土層的抗壓強(qiáng)度，Pa；為靜止側(cè)壓力系數(shù)；為地基土層的容重，N/m；為注漿孔深度，m；為擴(kuò)散半徑，m；為注漿孔半徑，m。

由式(4)可知，滲透注漿極限壓力與地基的抗壓強(qiáng)度、地基土層的容重、注漿孔深度與半徑、靜止側(cè)壓力系數(shù)、泊松比相關(guān)。高聳構(gòu)筑物地基經(jīng)漿液滲透、加固后，優(yōu)化了地基力學(xué)性質(zhì)，并提高了地基的完整性與強(qiáng)度(圖12，13)。

為進(jìn)一步通過控制注漿壓力，實(shí)現(xiàn)矯正高聳構(gòu)筑物地基傾斜目的(圖14)，建立高聳構(gòu)筑物精準(zhǔn)注漿引起的地基豎向變形計(jì)算模型。在實(shí)現(xiàn)地基滲透注漿基礎(chǔ)上，考慮到地基經(jīng)漿液滲透、加固后，地基的完整性與強(qiáng)度提高，漿液固結(jié)對(duì)土體產(chǎn)生變形要遠(yuǎn)小于開采引起的地表移動(dòng)變形，提出如下基本假定：① 假定精準(zhǔn)注漿過程中，漿液完全充填注漿孔與注漿管間空隙，注漿孔孔壁、孔底分別受與注漿壓力相等的水平注漿壓力作用、豎直注漿壓力作用；② 假定漿液充填注漿孔與注漿管間空隙后對(duì)土體產(chǎn)生擠壓效益，不考慮漿液性能與土體變形的時(shí)效性；③ 假定地基是均質(zhì)的線彈性體，各向同性，地基變形為小變形；④ 不考慮土體注漿后固結(jié)以及漿液固結(jié)對(duì)土層變形的影響。

根據(jù)上述基本假定，高聳構(gòu)筑物精準(zhǔn)注漿引起的地基豎向變形積分包括2個(gè)部分：注漿孔四周孔壁受水平注漿壓力引起的地基豎向變形積分、注漿孔底部孔底受豎直注漿壓力引起的地基豎向變形積分，設(shè)空間坐標(biāo)系--，并對(duì)注漿孔內(nèi)分別受水平、豎直注漿壓力的任意微元建立與--平行的局部坐標(biāo)系--，--，其積分如圖16所示。

由圖16(b)可知，為孔壁、孔底所取微元位置與孔底圓心連線，并與軸的夾角。對(duì)于注漿孔四周孔壁受水平注漿壓力()的任意微元，其所受水平集中力為d=d，其中d=dd，為孔壁所取微元位置的深度；由圖16(c)可知，對(duì)于注漿孔底部孔底受豎直注漿壓力的任意微元，其所受豎直集中力為d=d，其中d=dd，為孔底所取微元位置與圓心的距離。根據(jù)上述基本假定可知，==，其中為注漿壓力。結(jié)合圖15中′-′-′坐標(biāo)系，對(duì)圖16中的坐標(biāo)系(--、--與-

圖16 注漿鉆孔四周與底部注漿壓力積分剖面示意Fig.16 Schematic diagram of grouting pressure integralcross-section around and at the bottom of grouting borehole

-)進(jìn)行坐標(biāo)變換，如式(5)，(6)所示。

(5)

(6)

將式(5)，(6)分別代入式(2)，(3)得

(7)

(8)

對(duì)式(7)，(8)進(jìn)行積分，并結(jié)合式(1)，可得在注漿壓力作用下，--坐標(biāo)系中任意點(diǎn)的地基豎向變形量表達(dá)式為

(9)

基于地基下沉量的精準(zhǔn)注漿壓力理論公式

根據(jù)上述注漿作用下地基豎向變形理論分析，進(jìn)一步推導(dǎo)基于地表預(yù)計(jì)下沉量的不同位置注漿孔注漿壓力理論公式。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，選取--坐標(biāo)系中原點(diǎn)的豎向變形量作為精準(zhǔn)注漿引起的地表豎向變形量。將式(7)，(8)代入式(9)得

(10)

對(duì)式(10)進(jìn)行變換，得到高聳構(gòu)筑物一個(gè)注漿孔的注漿壓力()與其引起地表鉆孔中心位置豎向變形量()的關(guān)系式為

(11)

由式(11)可知，注漿壓力與地表豎向變形量呈線性相關(guān)關(guān)系，其斜率與土的剪切模量、注漿孔深度、注漿孔半徑有關(guān)。根據(jù)上述高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固理念，每一個(gè)基礎(chǔ)周邊布置多個(gè)等間距注漿鉆孔，多個(gè)注漿鉆孔的間距與其擴(kuò)散半徑()有關(guān)，根據(jù)式(4)可知，實(shí)施高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿壓力應(yīng)不大于極限注漿壓力，結(jié)合式(12)，可進(jìn)一步推導(dǎo)出注漿孔的擴(kuò)散半徑公式(式(13))，當(dāng)考慮到每個(gè)注漿孔施加的注漿壓力都能發(fā)揮到地表豎向變形作用，又要考慮到注漿孔之間的相互作用關(guān)系，注漿鉆孔間的極限距離()應(yīng)為單個(gè)注漿孔擴(kuò)散半徑的2倍，即

(12)

根據(jù)上述分析可知，當(dāng)注漿孔孔距為極限距離()時(shí)，每一個(gè)注漿孔引起的地表豎向變形相同，整個(gè)基礎(chǔ)地基布置的多個(gè)注漿孔可組合為一個(gè)的大地基注漿孔，該地基注漿半徑(′)為地基平均尺寸的一半?；诖苏J(rèn)識(shí)，結(jié)合圖14，根據(jù)地表預(yù)計(jì)下沉量曲線，欲通過調(diào)節(jié)注漿壓力，使得整個(gè)基礎(chǔ)地基的地表下沉量由抬升至′，因此可得到整個(gè)基礎(chǔ)地基的注漿壓力(′)計(jì)算式：

(13)

式中,′為地基注漿半徑，m。

需要指出的是，上述推導(dǎo)出的注漿引起土層變形理論公式，均是基于半無限問題求解方法得到的。對(duì)土層注漿是一個(gè)復(fù)雜的過程，上述假設(shè)中僅考慮注漿后土層空間上的變化，未考慮注漿過程中的時(shí)間效應(yīng)。

3.4 高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)內(nèi)容

基于上述精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)原理與注漿加固機(jī)理，進(jìn)一步總結(jié)出高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿技術(shù)的核心內(nèi)容，如圖17所示。

圖17 高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿技術(shù)核心內(nèi)容Fig.17 Core content of precise grouting technology forhigh-rise structures

由圖17可知，高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)主要包括注漿依據(jù)、注漿時(shí)機(jī)、注漿位置、注漿作用與注漿機(jī)理，該技術(shù)對(duì)保護(hù)地表高聳構(gòu)筑物安全運(yùn)行具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

4 工程實(shí)例應(yīng)用

4.1 白坪煤礦與廣播信號(hào)塔概況

鄭煤集團(tuán)(河南)白坪煤業(yè)公司13031工作面上方附近存在一高55 m的廣播電視信號(hào)鐵塔，該鐵塔為鋼桁架結(jié)構(gòu)，由鐵塔、基礎(chǔ)以及附屬連接件等組成，屬于對(duì)地表變形敏感的高聳構(gòu)筑物。13031工作面開采二煤層，地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板；工作面平均埋深634 m，平均煤層厚度為6 m，煤層傾角平均為10°；工作面類似“刀把型”布局，其中工作面走向長(zhǎng)度為1 421 m，傾向長(zhǎng)度為192～369 m。為保護(hù)該廣播電視信號(hào)鐵塔安全運(yùn)行，同時(shí)保障煤礦產(chǎn)量，對(duì)13031工作面應(yīng)用上述提出的高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與測(cè)量情況，鐵塔及其基礎(chǔ)組成結(jié)構(gòu)為：鐵塔鋼桁架四角建于4個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)支墩上，鐵塔支墩約為8 m×8 m間距，基礎(chǔ)支墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為1 m(長(zhǎng))×0.8 m(寬)×0.1 m(高)，基礎(chǔ)支墩下部為半徑2.2 m的圓形獨(dú)立混凝土基礎(chǔ)，4個(gè)基礎(chǔ)支墩下部由4根底梁連接形成聯(lián)合基礎(chǔ)，底梁位于圓形基礎(chǔ)頂部，基礎(chǔ)墩下部，截面為0.3 m×0.5 m。13031工作面與鐵塔相對(duì)位置如圖18所示。

圖18 廣播電視信號(hào)鐵塔、基礎(chǔ)與13031工作面相對(duì)位置Fig.18 Relative position of radio TV signal tower,foundation and 13031 working face

由圖18(c)可知，廣播電視信號(hào)鐵塔位于13031工作面中下部，且4個(gè)基礎(chǔ)從右下角逆時(shí)針編號(hào)分別為1,2,3,4。13031工作面開采平均厚度6 m。

4.2 廣播信號(hào)塔地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)方案

采用概率積分法預(yù)估4個(gè)基礎(chǔ)的下沉量，并在基礎(chǔ)內(nèi)與基礎(chǔ)周邊設(shè)計(jì)注漿孔，如圖19所示。其中該工作面預(yù)計(jì)參數(shù)主要參照鄭州礦區(qū)“三軟”煤層開采概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)，確定為：下沉系數(shù)0.82，主要影響角正切2.2，開采影響傳播角86.7°，水平移動(dòng)系數(shù)0.3。

圖19 基礎(chǔ)下沉預(yù)計(jì)等值線與注漿孔平面示意 Fig.19 Estimated contour of foundation subsidenceand grouting hole plan

由圖19可知，預(yù)計(jì)基礎(chǔ)2，3的下沉量(1 060 mm)大于基礎(chǔ)1，4下沉量(1 000 mm)，下沉量差達(dá)60 mm，采用上述精準(zhǔn)注漿技術(shù)，通過調(diào)節(jié)注漿壓力對(duì)基礎(chǔ)地基進(jìn)行加固、充填與矯正。由于上述計(jì)算的變形量為最終的靜態(tài)變形量，所以沒有必要在開采過程中一直注漿調(diào)整，因此不涉及先注漿區(qū)域與后注漿區(qū)域。

將土體剪切模量=10 MPa、下沉量差60 mm代入上述式(13)中，分析地基注漿半徑(′)、注漿孔深度()與地基注漿壓力(′)的關(guān)系，如圖20所示。

圖20 地基注漿壓力與注漿半徑、注漿孔深度關(guān)系曲線Fig.20 Relationship curve of grouting pressure,grouting radius and grouting hole depth

由圖20可知，在地基注漿半徑為4～8 m、注漿孔深度為1～3 m時(shí)，地基注漿壓力為0.15～0.38 MPa。因此本次注漿壓力應(yīng)控制在0.15～0.38 MPa。另外，土體泊松比=0.3，土體靜止側(cè)壓力系數(shù)=0.42，土體的抗壓強(qiáng)度=140 kPa，地基土層的容重=16 kN/m，單個(gè)注漿孔深度=2 m，單個(gè)注漿孔半徑=21 mm，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果注漿壓力取0.38 MPa mm，將上述數(shù)值代入式(13)得注漿孔間距為=2.08 m。

基于計(jì)算結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)基礎(chǔ)內(nèi)部與周邊均鋪設(shè)間距為2 000 mm注漿孔，半徑均為21 mm，基礎(chǔ)內(nèi)部與周邊注漿孔深分別為2 000，3 000 mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)節(jié)基礎(chǔ)周邊注漿壓力可達(dá)到矯正基礎(chǔ)傾斜目的。

4.3 廣播信號(hào)塔地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)實(shí)施

本次采用規(guī)格為32 mm ×3 mm，材質(zhì)為Q235的鋼管樁，PO32.5水泥作為主要施工材料，精準(zhǔn)注漿加固施工順序?yàn)椋旱孛骈_挖平整→定位放線→打注漿孔→插入鋼管樁→封孔→鋼管樁壓力注漿→尾工及驗(yàn)收。

具體步驟為：① 對(duì)鐵塔的基礎(chǔ)土方進(jìn)行開挖平整，開挖基礎(chǔ)土方至原地平線下1 000 mm；② 達(dá)到要求后，根據(jù)圖20中注漿孔布設(shè)參數(shù)進(jìn)行放線定位注漿孔；③ 采用YTP28風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行打孔，孔深2 000～3 000 mm，直徑42 mm；④將鋼管樁(2 000,3 000 mm)插入注漿孔，注漿鋼管樁端部做成錐形，鋼管樁下部1 000或2 000 mm范圍內(nèi)側(cè)邊每隔250 mm鉆制4個(gè)孔徑為15 mm的出漿孔，鋼管樁上部1 000 mm范圍內(nèi)不鉆制出漿孔；⑤ 連接注漿泵對(duì)鋼管樁進(jìn)行注漿，注漿漿液水灰比為1∶2，單孔注漿所需水泥用量為0.3～0.5 t，單樁注漿量達(dá)到要求后，保持壓力穩(wěn)定5 min，注漿壓力根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果控制在0.15～0.38 MPa；⑥ 鐵塔基礎(chǔ)注漿加固工作完成后，根據(jù)實(shí)際情況完成基礎(chǔ)土方回填等收尾工作。2021-01-14對(duì)廣播電視信號(hào)鐵塔基礎(chǔ)注漿現(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖21所示。

圖21 鐵塔基礎(chǔ)注漿現(xiàn)場(chǎng)施工圖片F(xiàn)ig.21 On-site construction pictures of iron towerfoundation grouting

4.4 廣播信號(hào)塔地基精準(zhǔn)注漿加固效果校驗(yàn)

在13031工作面開采過程中，對(duì)廣播電視信號(hào)鐵塔基礎(chǔ)進(jìn)行采動(dòng)變形監(jiān)測(cè)，不同時(shí)期4個(gè)鐵塔基礎(chǔ)高程曲線如圖22所示。

圖22 不同時(shí)期鐵塔基礎(chǔ)高程曲線Fig.22 Elevation curves of tower foundation in different periods

由圖22可知，鐵塔4個(gè)基礎(chǔ)在注漿前(2021-01-14)均未受到工作面開采的影響，當(dāng)工作面與塔基中心距離小于197 m時(shí)，4個(gè)鐵塔基礎(chǔ)均沉降值相近，說明注漿后4個(gè)塔基變?yōu)檎w聯(lián)合基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)塔基共同下沉、減小塔身變形目的。為進(jìn)一步驗(yàn)證上述注漿合理性，進(jìn)一步分析廣播電視鐵塔最大變形量，見表3。

結(jié)合圖22與表3可知，于2020-11-14(工作面距離高聳構(gòu)筑物282 m)、2020-12-14(工作面距離高聳構(gòu)筑物249 m)2次測(cè)量的廣播電視信號(hào)鐵塔基礎(chǔ)間的最大傾斜量分別為4.8,1.9 mm/m，且鐵塔整體下沉量為0，因此，此時(shí)測(cè)出的基礎(chǔ)最大傾斜量均屬于原始狀態(tài)。另外，于2021-01-14(工作面距離高聳構(gòu)筑物197 m)實(shí)測(cè)得到鐵塔整體下沉量為1.8 mm，說明工作面的開采已經(jīng)開始影響鐵塔基礎(chǔ)，因此選擇此時(shí)對(duì)廣播電視信號(hào)鐵塔基礎(chǔ)進(jìn)行注漿。實(shí)施注漿后，鐵塔基礎(chǔ)整體下沉量隨著工作面的開采繼續(xù)增加，但實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)最大傾斜變形量均處于1.6～4.8 mm/m，均小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)中電視鐵塔的采動(dòng)極限傾斜變形量(5.0 mm/m)，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)的合理性。

表3 廣播電視信號(hào)鐵塔平均下沉量與基礎(chǔ)最大下沉量差

5 結(jié) 論

(1)闡述了地表高聳構(gòu)筑物采動(dòng)變形特征，并以高壓輸電線路鐵塔為例，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)分析了地表下沉、水平移動(dòng)、曲率、傾斜、水平變形對(duì)高聳構(gòu)筑物采動(dòng)變形的影響；地表傾斜導(dǎo)致鐵塔屈服主要是由于塔基處軸向壓應(yīng)力達(dá)到其最大值，拉伸(壓縮)變形導(dǎo)致鐵塔屈服主要是由于塔基處軸向拉(壓)應(yīng)力達(dá)到其最大值。

(2)提出了高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)原理，系統(tǒng)分析了精準(zhǔn)注漿加固作用；并通過理論分析揭示了地基精準(zhǔn)注漿加固機(jī)理，得出基于地基下沉量的精準(zhǔn)注漿壓力理論公式；凝練出基于地基“下沉量-注漿壓力”的高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)核心內(nèi)容，包括注漿依據(jù)、注漿時(shí)機(jī)、注漿位置、注漿作用與注漿機(jī)理。

(3)將高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)應(yīng)用于某礦廣播電視信號(hào)鐵塔下采煤，精準(zhǔn)注漿后基礎(chǔ)最大變形量(1.6～4.8 mm/m)小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中的極限變形量(5.0 mm/m)，有效保護(hù)了該廣播電視信號(hào)鐵塔，驗(yàn)證了高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)的合理性。