老采空區(qū)上建高層建筑物的地基穩(wěn)定性綜合評價(jià)

1、.wd老采空區(qū)上建高層建筑物的地基穩(wěn)定性綜合評價(jià)錢自衛(wèi) 姜振泉吳慧蕾中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院 221116摘要隨著經(jīng)濟(jì)建立的開展，采空區(qū)上方修建建筑物的穩(wěn)定性評價(jià)將越來越重要。本文以某高層為例，通過調(diào)查煤層，地層及采礦情況，分析現(xiàn)場鉆探、物探資料，最后采用有限元數(shù)值分析方法及穩(wěn)定評價(jià)方法對地基穩(wěn)定性進(jìn)展綜合評價(jià)，并對地基的處理提出建議。關(guān)鍵字：采空區(qū)、附加應(yīng)力、活化、有限元法、地基穩(wěn)定性Comprehensive evaluation of foundation stability about high-rise building to be built above mine goaf

2、AbstractWith the development of economic consolidation, itbecomes more and more important to evaluate the stability of the building above the mine goaf. This paper take a high-rise building as an example, firstly make clear of the conditions of the coal bed、stratum and mine, then analyze the data of

3、 drilling and geophysical prospecting. Finally, make a comprehensive evaluation of the stability of the foundation by using finite element numerical simulation and , finally giving suggestion on foundation treatment.Key words: mine goaf, additional stress, activation, finite element, foundation stab

4、ility0 序言隨著經(jīng)濟(jì)建立的開展，在老采空去上建立性的建構(gòu)物將漸漸的成為一種必然趨勢，所以對老采空區(qū)穩(wěn)定性的影響以及其自身平安的研究越來越收到專家學(xué)者的重視。但是在煤層采出后,使采空區(qū)周圍及上覆巖體內(nèi)部構(gòu)造遭到破壞。老采空區(qū)上覆巖層雖然在經(jīng)過一定時(shí)間自然壓實(shí)后根本趨于穩(wěn)定,但假設(shè)在其上方地表新建建筑物時(shí), 局部采空區(qū)會出現(xiàn)“活化現(xiàn)象，對建筑工程平安造成嚴(yán)重的威脅。因此,必須對老采空區(qū)新建建(構(gòu))筑物地基的穩(wěn)定性進(jìn)展評價(jià),并結(jié)合具體情況,采取相應(yīng)的處理措施,以保證新建建(構(gòu))筑物的平安。論文以徐州賈汪某待建大廈工程為例，對采空區(qū)地基穩(wěn)定性進(jìn)展了綜合評價(jià)。1 工程概況評價(jià)區(qū)位于徐州市賈汪區(qū)，擬

5、建大廈設(shè)計(jì)為18層，建筑面積約20000 m2的商住樓。場地處于原韓橋煤礦夏橋井礦區(qū)范圍內(nèi)，場地及周邊均進(jìn)展過煤炭開采活動，夏橋井、大溝涯井屢次采煤的歷史并遺留有多層采空區(qū)。此處1、3煤為主要開采煤層，煤層埋深在60m左右，采厚在2.5m左右。據(jù)鉆探資料煤層頂板主要為工程性質(zhì)較軟弱的泥頁、砂巖互層。詳見圖3：擬建場地平面及地震勘探成果圖。2評價(jià)區(qū)煤層及開采情況2.1 煤層情況評價(jià)區(qū)處于徐州礦務(wù)集團(tuán)韓橋礦礦區(qū)范圍，另外有小煤窯進(jìn)展過開采，最晚的小煤窯為大溝崖井。評價(jià)區(qū)及周邊含煤地層主要為二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組及石炭系太原組，共含煤22層，其中與工程相關(guān)的是開采較淺的1、3煤。1、3煤為賈汪

6、煤田的主要可采煤層，存在于評價(jià)區(qū)及周邊地段，評價(jià)區(qū)曾進(jìn)展過開采及復(fù)采。其中，1煤層厚度約0.9m，煤層底板標(biāo)高約-50.0 -63.0m，煤層在本評價(jià)區(qū)不穩(wěn)定或已開采過，本次施工的三個孔中僅在其中的3#鉆孔內(nèi)見煤，1#、2#鉆孔內(nèi)煤層被開采過，煤層頂板為砂巖，底板為泥巖；3煤為較穩(wěn)定可采煤層，厚度約1.52m，煤層傾角約10°，煤層底板埋深約-54.50 -68.00m，場地及周邊范圍內(nèi)均被開采過，煤層頂板為泥巖，底板為泥巖。2.2 煤礦開采情況根據(jù)目前收集的韓橋煤礦夏橋井以及大溝崖井的相關(guān)資料，評價(jià)區(qū)范圍內(nèi)主要開采了1、3煤。韓橋煤礦夏橋井于解放前后在評價(jià)區(qū)及附近開采1、3煤層，煤

7、層傾角約10°；大溝崖井于1973-1974年復(fù)采了評價(jià)區(qū)及附近的1、3煤層。根據(jù)現(xiàn)有資料，1、3煤層已被大面積開采，7、17、20、21煤未被開采。2.3開采方法1、3煤在解放前多用手工刨煤，穿垛式開采，都采用跨落法管理頂板。解放后在殘柱內(nèi)找煤，因老墟多，頂板破碎，難以正規(guī)推面，故繼續(xù)選擇房柱式采煤法，留煤柱約20×20m。其后大溝涯礦復(fù)采，以開采1、3煤煤柱、邊角煤、殘留煤為主。開采零亂，不正規(guī)。其詳細(xì)開采資料難以收集。圖1 評價(jià)區(qū)1煤采掘工程平面圖 圖2 評價(jià)區(qū)3煤采掘工程平面圖3現(xiàn)場工程勘察本次評價(jià)在調(diào)查詢問和搜集有關(guān)資料的根底上，采用了物探、鉆探相結(jié)合的勘探手段，

8、根本查明了擬建場地該范圍內(nèi)1、3煤層煤層上覆巖土體構(gòu)造及性質(zhì)、“三帶發(fā)育規(guī)律、冒落帶密實(shí)程度、充實(shí)情況和空洞發(fā)育情況等。3.1深孔鉆探場地內(nèi)布置了3個鉆探孔，總進(jìn)尺209.40m。并且采取了巖樣行了物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。鉆孔平面布置情況見圖3：擬建場地平面及地震勘探成果圖。1號鉆孔探明49.70-49.20m為1煤層采空區(qū)已被塌落物充填，欠密實(shí)；53.50-55.90m為3煤采空區(qū)，其中在53.50-54.50m處掉鉆，為未充填的采空區(qū)空洞，54.50-55.90m為煤層頂板塌落的泥巖碎塊及煤矸石，進(jìn)尺較快2號鉆孔鉆探明57.5-58.0m為1煤采空區(qū)，已被塌落物充填，欠密實(shí)；60.00-62.3

9、0m為3煤采空區(qū)，未掉鉆，未發(fā)現(xiàn)有空洞存在，但進(jìn)尺較快，巖芯破碎，呈灰黑色泥狀，夾雜碎煤渣及碎巖塊，采取率低。3號鉆孔探明62.10-63.00m為1煤，未被開采；66.5-69.4m為3煤采空區(qū)，其中在66.50-68.00m處掉鉆，為未充填的采空區(qū)空洞，68.00-69.40m為煤泥及煤層頂板塌落的泥巖碎塊等混合物，灰黑色，呈泥狀，進(jìn)尺較快。根據(jù)鉆探資料也得出了采空區(qū)“三帶的大致分布。詳見表23.2地震勘探為了進(jìn)一步探明擬建場地下淺部1、3層煤的開采情況、采空區(qū)的密實(shí)程度等，本次研究在評價(jià)區(qū)內(nèi)布置了8條勘探線，剖面線總長476m。根據(jù)剖面上反射波的特征，對八條線的地震剖面進(jìn)展了解釋圖中所圈

10、范圍為巷道或未完全充填實(shí)的空洞，因已開采多年，實(shí)際上是采空、垮塌、碎石、粘泥的松散堆積體區(qū),，地震勘探探明的采空區(qū)、地下空洞或未完全充填密實(shí)的地段大致分布見圖3。圖3 擬建場地平面及地震勘探成果圖4 采空區(qū)穩(wěn)定性分析及評價(jià)4.1采空區(qū)塌陷引發(fā)地表移動時(shí)間分析徐州礦區(qū)采空區(qū)頂板坍塌引發(fā)地表發(fā)生開裂與下沉變形持續(xù)之間的回歸關(guān)系式為：式中:T為變形的時(shí)間,d；H為采空區(qū)的埋藏深度,m經(jīng)計(jì)算,場地的下沉變形時(shí)間。又根據(jù)有關(guān)的研究成果，采空區(qū)沉陷的活潑期為5年，終止開采超過5年的采空區(qū)，地表大范圍的沉陷變形根本上穩(wěn)定；而此處煤礦開采已預(yù)30年以上，早已超過以上所計(jì)算的下沉變形時(shí)間,而地表未見變形、開裂跡

11、象,說明采空區(qū)頂板穩(wěn)定性較好，剩余應(yīng)變將不予考慮，而主要應(yīng)考慮老采空區(qū)“活化對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響。4.2 采空區(qū)頂板破壞最大高度計(jì)算采空區(qū)頂板冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶高度采用三種方法確定。上層開采厚度為1.0m，下層煤開采厚度為1.5m，綜合開采厚度為：=1.5+1.0-4.0/4=1.5m式中 M1-上層煤開采厚度M2-下層煤開采厚度h1-2-上下煤之間的法線距離y2-下層煤的冒落帶與采高之比場區(qū)按軟弱地層考慮，評價(jià)及計(jì)算過程及結(jié)果見表1。表1 冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算成果表評價(jià)方法評價(jià)的原那么或公式計(jì)算結(jié)果冒落帶M冒導(dǎo)水裂隙帶M導(dǎo)冒落帶高度m導(dǎo)水裂隙帶高度m鉆探資料結(jié)合物探3突然掉鉆、卡鉆、進(jìn)尺特

12、別快、巖心少且破碎混雜、進(jìn)口吸風(fēng)、孔口水位突然消失等嚴(yán)重漏水、巖心有縱向或陡傾角裂紋、取心率小于75%等7.0-8.516-19有限元數(shù)值模擬方法4開采煤層上出現(xiàn)明顯應(yīng)力降，呈拉伸破壞狀態(tài)，應(yīng)力分布圖上表示為極短的主應(yīng)力際線巖層有一個方向到達(dá)抗拉強(qiáng)度，應(yīng)力際線拉應(yīng)力降低很多8.0-9.018-21規(guī)程推薦公式23.63+5±1.517.25+5注:在利用規(guī)程推薦公式計(jì)算采空區(qū)冒落裂隙帶發(fā)育高度時(shí)，煤層間距較小，下層煤冒落帶已發(fā)育到上層煤采空區(qū)，所以采空區(qū)冒落裂隙帶計(jì)算高度為：以綜合開采厚度計(jì)算的冒落裂隙帶高度加上上層煤采厚再加上煤層間距。4.3工程荷載及地基穩(wěn)定性老采空區(qū)“活化是影響

13、采空區(qū)場地穩(wěn)定性的重要因素之一，本場地對可能導(dǎo)致采空區(qū)“活化的主要因素就是擬建建筑物載荷，根據(jù)本工程實(shí)際，下面將采用兩種方法綜合對其進(jìn)展分析。4.3.1 有限元數(shù)值分析方法利用二維彈塑性有限元法，應(yīng)用摩爾庫倫準(zhǔn)那么，對該采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)展分析，計(jì)算模型以實(shí)際情況為根底，并進(jìn)展抽象簡化，模型長×高=300×84，模型見圖4圖4 二維有限元開采模型模型巖土層的工程地質(zhì)參數(shù)主要分兩步確定：一根據(jù)巖石實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再運(yùn)用權(quán)值分類法求的場地內(nèi)巖體力學(xué)參數(shù)；二是運(yùn)用反演擬合法，及根據(jù)評價(jià)區(qū)煤層開采的沉陷實(shí)測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)第一步計(jì)算的巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)展反復(fù)的試算、調(diào)整，直到計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測的結(jié)

14、果根本一致為止，即認(rèn)為材料參數(shù)符合要求。根據(jù)以上兩步得到的巖組力學(xué)參數(shù)見表2。表2 場地地層巖體力學(xué)參數(shù)表地層由上到下名稱彈性模量MPa泊松比飽和密度g/ cm3粘聚力MPa內(nèi)摩擦角°粘土7.820.21.841.08118.34風(fēng)化砂巖454.00.32.5581.1020泥巖234.00.242.4301.4426.7砂巖1560.00.22.57915612.7煤層1000.31.860.3523.1泥巖202.00.262.4501.4030.0煤層2080.221.2740.3024.0泥巖306.00.262.4791.5318.0 模擬總體分兩步進(jìn)展，一是模擬煤層的開采

15、及沉陷過程，二是模擬開采沉陷穩(wěn)定后再建建筑物的地表移動情況在第二部中建筑物根底深度到達(dá)第二層風(fēng)化的砂巖。模擬成果見圖5、6。圖5 采動后和上部加載后地表下沉比照曲線圖6 采動后和上部加載后地表水平移動比照曲線表3 有限元分析計(jì)算與評價(jià)成果表變形特征規(guī)程參考值1本工程計(jì)算值高聳構(gòu)造基礎(chǔ)的傾斜 50<Hg1000.0050.00295體型簡單的高層建筑根底的平均沉降量(mm)200275最大沉降量(mm)320最大水平位移(mm)14注：1 Hg為自室外地面起算1的建筑物高度(m)2 傾斜指根底傾斜方向兩端點(diǎn)的沉降差與其距離的比值由有限元數(shù)值分析計(jì)算知，當(dāng)施加建筑物載荷時(shí)，擬建場地將發(fā)生豎直

16、和水平移動，水平移動最大可達(dá)14mm,平均豎直下沉達(dá)320mm,參照?建筑地基根底設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?GB50007-2002關(guān)于地基變形允許值的規(guī)定，平均沉降值不能滿足地基允許變形值，所以判斷為不穩(wěn)定場地，必須進(jìn)展加固和處理。4.3.2穩(wěn)定評價(jià)方法煤層開采后上覆巖層形成垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲帶，以建筑物荷載影響深度是否到達(dá)垮落裂裂帶發(fā)育高度為原那么,來進(jìn)展建筑地基的評價(jià)和樓房建筑層數(shù)確實(shí)定，即開采深度大于附加應(yīng)力影響深度與冒落裂隙帶發(fā)育高度之和，認(rèn)為穩(wěn)定。一般講,當(dāng)擬建建筑物下方有高壓縮性土或別的不穩(wěn)定因素如垮落斷裂帶時(shí),那么應(yīng)計(jì)算附加應(yīng)力至10 %自重應(yīng)力處,可認(rèn)為附加應(yīng)力對該深度處的地基不產(chǎn)生多

17、大影響。在具體計(jì)算時(shí),考慮到計(jì)算誤差等因素,兩者之間要留設(shè)510 m的平安保護(hù)層。擬建建筑物18層，基地附加應(yīng)力約為0.36MPa，建筑物荷載影響深度計(jì)算結(jié)果,見表4表4 建筑物載荷在各個深度的附加應(yīng)力深度01020303540附加應(yīng)力z (MPa) 0.3600.2660.1640.1090.0850.07910%自重應(yīng)力(MPa)00.02140.04650.07080.08300.0955根據(jù)以上計(jì)算，可知當(dāng)深度在35m時(shí)，附加應(yīng)力就幾乎和10%地層自重應(yīng)力相等了，即可認(rèn)為建筑物載荷的影響深度大于35m,而由表二可知，采空區(qū)的冒落裂隙帶在28m左右，而采空區(qū)最淺在55m左右，可知此擬建場

18、地不滿足，為不穩(wěn)定建筑場地。5結(jié)論與建議(1) 擬建的某大廈工程場地位于采空區(qū)及影響范圍以內(nèi)，場地下部煤層1、3煤均進(jìn)展了開采，且開采深度在50-60m左右，其采深采厚比30，對場地的穩(wěn)定性不利。(2)鉆探及地震勘探資料說明，采空區(qū)現(xiàn)狀局部仍殘留空洞未被充填，充填局部也未完全密實(shí)。(3) 擬建場地內(nèi)的采空區(qū)地面沉降變形的活潑期早已經(jīng)完畢，且停采時(shí)間在三十年以上，可根本不考慮未來采空區(qū)剩余沉降。(4)綜合鉆探、物探、有限元分及規(guī)程推薦公式方法確定采空區(qū)冒落裂隙帶厚度在25-30m左右。(5)綜合采用數(shù)值分析及穩(wěn)定評價(jià)原那么確定建筑物載荷可能引起采空區(qū)活化，必須對采空區(qū)進(jìn)展處理。(6)建議采用注漿方法對采空區(qū)進(jìn)展處理，并加強(qiáng)對注漿效果的檢測；并采用合理的根底及上部構(gòu)造的抗