短壁采空塌陷場(chǎng)地高架道路建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)方法與應(yīng)用研究

郭 松

南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院,江西 南昌 330099

煤炭資源長(zhǎng)期高強(qiáng)度開(kāi)采遺留的大面積采空塌陷區(qū)域作為典型的不良地基條件,不僅極大地限制了場(chǎng)地的建設(shè)利用,而且在各種內(nèi)外荷載因素的協(xié)同作用下,采空區(qū)場(chǎng)地可能會(huì)發(fā)生顯著的移動(dòng)與變形,導(dǎo)致其上方建(構(gòu))筑物產(chǎn)生變形與破壞。論文綜合采用理論分析、數(shù)值模擬、數(shù)理建模及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研等多種研究方法,揭示了短壁工作面采空區(qū)破裂巖體變形機(jī)理及地表殘余移動(dòng)變形規(guī)律?；诓煽諈^(qū)場(chǎng)地群樁基礎(chǔ)附加應(yīng)力擾動(dòng)深度創(chuàng)新性地構(gòu)建了短壁工作面采空塌陷場(chǎng)地高架道路建設(shè)適宜性綜合評(píng)價(jià)體系,主要內(nèi)容如下。

(1) 在分析短壁工作面采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性影響因素與采空區(qū)上方高架道路樁基結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上,采用決策與評(píng)價(jià)試驗(yàn)法(DEMATEL)對(duì)16項(xiàng)采空塌陷場(chǎng)地建設(shè)適宜性影響因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,結(jié)果表明采空塌陷的原因度指標(biāo)主要是采動(dòng)程度、覆巖巖性、開(kāi)采厚度及采空區(qū)與擬建工程相對(duì)位置?；诖?提出以采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性S及擬建建(構(gòu))筑物地基穩(wěn)定性的量化指標(biāo)C為自變量,構(gòu)建適宜度函數(shù)F=S×C以定量表征采空塌陷場(chǎng)地建設(shè)適宜性。

(2) 基于短壁窄工作面破裂覆巖空間結(jié)構(gòu)特征,建立了短壁窄工作面自然平衡應(yīng)力拱力學(xué)模型,推導(dǎo)了短壁工作面應(yīng)力拱的撓度方程和彎矩方程,揭示了短壁工作面覆巖移動(dòng)時(shí)空演化特征、自然平衡應(yīng)力拱發(fā)育規(guī)律與控制機(jī)理,為短壁采空塌陷場(chǎng)地殘余變形精準(zhǔn)預(yù)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

(3) 構(gòu)建了基于兩側(cè)為實(shí)體煤層的短壁工作面殘余變形的概率積分法預(yù)計(jì)模型。將采空區(qū)場(chǎng)地殘余變形量等效為短壁工作面采空區(qū)煤壁屈服剝離后與開(kāi)采現(xiàn)狀變形量的差值,以采空區(qū)場(chǎng)地移動(dòng)變形差作為殘余變形的估計(jì)量。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)采空區(qū)巖層移動(dòng)及地表變形進(jìn)行模擬研究,與概率積分法預(yù)計(jì)結(jié)果的對(duì)比分析結(jié)果表明:采用等效估算的方法預(yù)計(jì)的殘余移動(dòng)變形與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,證明了所提方法的可行性和有效性。

(4) 依據(jù)地基反力系數(shù)的m法對(duì)群樁基礎(chǔ)的水平受荷和沉降變形進(jìn)行理論分析,采用Midas GTS有限元軟件建立群樁基礎(chǔ)的有限元數(shù)值模型,分別在采空區(qū)外邊界,采空區(qū)中部和采空區(qū)內(nèi)邊界施加不同的地表水平位移,分析不同樁位和不同豎向應(yīng)力加載條件下群樁基礎(chǔ)受水平位移的內(nèi)力、剪力彎矩和位移變化。以5倍上部結(jié)構(gòu)荷載(5P)的影響深度HDz-5P作為計(jì)算群樁基礎(chǔ)荷載擾動(dòng)深度的參考,并以Logistic函數(shù)模型對(duì)群樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性進(jìn)行量化表達(dá)。

(5) 對(duì)采空塌陷場(chǎng)地穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行主成分層次聚類降維處理,基于趨優(yōu)度與時(shí)間度確定采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性的時(shí)間權(quán)向量,以時(shí)序加權(quán)平均算子耦合模糊熵的二次加權(quán)方法構(gòu)建短壁采空塌陷場(chǎng)地穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型。采用適宜度作為表征采空塌陷場(chǎng)地建設(shè)適宜性的量化指標(biāo),基于適宜度函數(shù)提出采空區(qū)場(chǎng)地建設(shè)適宜性分級(jí)量化區(qū)間。

(6) 以山東省濟(jì)寧市某礦短壁采空區(qū)場(chǎng)地快速路高架橋梁建設(shè)為工程背景,提出群樁基礎(chǔ)建設(shè)適宜性動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)的方法與流程。預(yù)測(cè)試驗(yàn)區(qū)覆巖自然平衡應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)最大發(fā)育高度為13.5 m,采用概率積分法預(yù)計(jì)的地表最大殘余下沉值為62 mm,最大殘余傾斜值為0.39 mm/m,最大殘余曲率值為0.002 mm/m2;試驗(yàn)區(qū)群樁基礎(chǔ)建設(shè)適宜度區(qū)間為(0.65,0.85),能夠滿足高架道路建設(shè)要求。