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采空區(qū)地層處理對(duì)建筑沉降的影響

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采空區(qū)地層處理對(duì)建筑沉降的影響

摘要:煤炭資源開(kāi)采引發(fā)的地表變形問(wèn)題是環(huán)境巖土工程領(lǐng)域的重要研究課題?;谟邢拊治鲕浖嗀BAQUS,通過(guò)數(shù)值模擬方法并結(jié)合實(shí)際工程工況,分析了采空區(qū)巖體注漿加固與上方建筑地基處理組合方式下的承載力和變形機(jī)制。結(jié)果表明,注漿加固區(qū)與上方地基層的彈性模量在150MPa(不考慮上部地基彈性模量的影響)和80MPa(不考慮注漿層彈性模量的影響)較為經(jīng)濟(jì)適用;加固區(qū)與上方地基層厚度分別為30m和20m時(shí)較為經(jīng)濟(jì)適用。研究結(jié)果可為臨近建筑安全設(shè)計(jì)提供理論支撐,亦可為確定經(jīng)濟(jì)合理的地基處理設(shè)計(jì)方案提供參考。

關(guān)鍵詞:采空區(qū);離層注漿;地表變形;數(shù)值分析

1概述

煤炭開(kāi)采破壞了原有地應(yīng)力平衡狀態(tài),易引起地表沉陷、臨近建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)過(guò)大變形等一系列環(huán)境巖土問(wèn)題。開(kāi)展對(duì)采空區(qū)影響范圍內(nèi)地質(zhì)環(huán)境綜合治理[1]研究日益受到研究者的重視[2]。自上世紀(jì)五十年代,國(guó)內(nèi)外學(xué)者就對(duì)三下采煤防治技術(shù)進(jìn)行了大量研究,離層注漿加固技術(shù)是采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理設(shè)計(jì)的常用方法[3]。在以往文獻(xiàn)中主要側(cè)重于對(duì)采空區(qū)覆巖移動(dòng)規(guī)律的評(píng)價(jià)[4-9],很少?gòu)?a href="http://wda8f421.cn/lunwen/ditanjianzhuluwen/150844.html" target="_blank">地層之間的相關(guān)性角度去分析問(wèn)題。因此,文中借助數(shù)值分析方法,考慮覆巖地質(zhì)特性、注漿區(qū)力學(xué)特性及分布范圍,對(duì)采空區(qū)上覆地層穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià),對(duì)臨近建筑沉降的影響機(jī)制進(jìn)行研究。

2采空區(qū)上方注漿加固體與地基組合作用理論

等效計(jì)算模型:由于采空區(qū)與建筑基礎(chǔ)荷載在地層內(nèi)的影響交叉,需考慮各層的厚度、彈性模量等分層特性的差異性,據(jù)此評(píng)價(jià)建筑地基穩(wěn)定性,確定地基處理和地層注漿方案,使得建筑沉降控制技術(shù)更符合現(xiàn)場(chǎng)。為了能較真實(shí)地反映注漿層、地基的結(jié)構(gòu)特性,文中對(duì)建筑與采空區(qū)間地層進(jìn)行簡(jiǎn)化分層,如圖1所示。其中H1、H2和H3分別為建筑地基層、注漿加固層和煤系地層厚度值。

3有限元模型與結(jié)果分析

3.1模型建立

本文采用有限元分析軟件ABAQUS,建立的采空區(qū)地層模型如圖2所示。該模型由兩部分組成:基礎(chǔ)部分和上部結(jié)構(gòu)部分,其中基礎(chǔ)部分參照?qǐng)D1建模,上部結(jié)構(gòu)選用五層的框架結(jié)構(gòu)。模型坐標(biāo)x、y、z方向分別對(duì)應(yīng)模型的長(zhǎng)寬高,其中地基層和注漿層的總尺寸為100m×100m×50m,采空區(qū)高度為10m,采空區(qū)邊界距模型邊界20m。上部框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)用50m×50m的薄層模擬。地基和注漿層的邊界條件設(shè)為:限制模型四周水平方向的位移,限制采空區(qū)底部豎直方向的位移和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)角。

3.2材料屬性

本文在對(duì)地基層、注漿層和采空區(qū)煤柱進(jìn)行模擬時(shí)采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型;上層框架采用線彈性本構(gòu)模型。根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)勘查報(bào)告,并參考相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果,模型的材料參數(shù)如表1所示:

3.3結(jié)果分析

根據(jù)上表的試驗(yàn)結(jié)果建模并分析。為了進(jìn)一步探明注漿加固的影響規(guī)律,得出更具適用性的結(jié)論,用模量和厚度的變化值表示地層的不同處理效果,通過(guò)改變地基層的彈性模量和加固層厚度,分析不同工況下的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,得出適應(yīng)于類似工程的最佳模量和厚度。根據(jù)表1數(shù)據(jù)建模并計(jì)算分析,在建筑的自重荷載下建筑物和地層整體模型的沉降云圖如圖3所示。由圖3所示結(jié)果分析可知,在建筑自重荷載下,建筑物和地基整體穩(wěn)定,未發(fā)生建筑傾斜、傾覆現(xiàn)象和地基破壞失效區(qū)。根據(jù)云圖色彩區(qū)分,地層變形在地基層和注漿層的分界處有明顯突變,表明采用注漿加固和處理后的地層,承載能力顯著提高,變形明顯減小。

3.4因素分析

3.4.1模量分析首先,保持地基層的彈性模量為10MPa不變,通過(guò)改變采空區(qū)上方注漿加固區(qū)的彈性模量,計(jì)算不同彈性模量下建筑基底中心點(diǎn)的沉降值,計(jì)算結(jié)果如表2所示。為了更為真實(shí)地反映地基的沉降隨建筑物自重的變化規(guī)律,本文將計(jì)算按建筑物自重施加比例考慮,模擬建筑物隨自重荷載的沉降歷程?;字行狞c(diǎn)隨時(shí)間的沉降變化曲線如圖4所示。分析圖4和表2的結(jié)果可得:提高注漿層的彈性模量可以減小建筑物的沉降。注漿層的彈性模量在50MPa至150MPa時(shí),沉降值減小的速度較快。繼續(xù)提升注漿值的彈性模量沉降值變化速度放緩。從曲線的變化趨勢(shì)來(lái)看,圖中五條曲線的變化都近似為直線。因此我們可以判斷本工況下,注漿層的彈性模量變化尚未引起地基的塑性變形,地基無(wú)產(chǎn)生塑性破壞情況。通過(guò)對(duì)地基最終沉降值的結(jié)果分析再結(jié)合經(jīng)濟(jì)適用等因素,建議在此工況下將注漿層的彈性模量控制在150MPa。不失一般性,保持注漿層彈性模量不變,通過(guò)提高地基層的彈性模量計(jì)算不同地基層模量下建筑基底中心點(diǎn)的沉降值。為了最大限度地消除注漿層對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,將注漿層的彈性模量設(shè)為250MPa。計(jì)算結(jié)果如表3所示:基底中心點(diǎn)沉降隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示:分析圖5和表3的結(jié)果可得:提高地基層的彈性模量,同樣可以有效地減小建筑物的沉降值。將地基層的彈性模量從20MPa提升至80MPa時(shí),地基沉降值減小速度較快。繼續(xù)提升地基層的彈性模量,沉降值的變化同樣變緩。同樣變化地基層的彈性模量,地基隨荷載的變化曲線仍然近似為直線。所以改變地基層的彈性模量也未引起地基的塑性變形。綜合分析本工況下地基沉降的結(jié)果,建議將地基層的彈性模量控制在80MPa。但是,對(duì)比上述兩種不同工況下的結(jié)果,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)改變注漿層的彈性模量的變化趨勢(shì)明顯低于改變地基層模量的變化。所以,能夠滿足地基承載力的條件下,改善地基層的彈性模量更加有助于快速減少建筑物的沉降。

3.4.2厚度分析保持地基層的總厚度不變,不斷增加注漿層的厚度,來(lái)模擬不同加固層與地基層厚度對(duì)建筑物的沉降影響。不同注漿層厚度基底沉降結(jié)果如表4所示。不同厚度下,基底中心點(diǎn)沉降隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。由圖6和表4的結(jié)果分析可得:當(dāng)注漿層和地基層的厚度分別為10m和40m的時(shí)候,計(jì)算并未達(dá)到終點(diǎn),并且曲線呈現(xiàn)為非線性的變化趨勢(shì),當(dāng)荷載為0.7倍的建筑物自重時(shí),曲線出現(xiàn)一個(gè)明顯的反彎點(diǎn)可以判斷,此時(shí)地基已經(jīng)發(fā)上塑性變形。計(jì)算結(jié)果并未達(dá)到終點(diǎn)表明地基的整體變形過(guò)大。發(fā)生此現(xiàn)象說(shuō)明:當(dāng)注漿層的厚度過(guò)小時(shí),地基的變形過(guò)大,采空區(qū)上方地層注漿對(duì)提高地層承載力、減小建筑沉降效果不大。當(dāng)不斷提高注漿層厚度時(shí),沉降值不斷減少,當(dāng)注漿層厚度為30m時(shí),再增加注漿區(qū)的厚度,沉降值減少的趨勢(shì)變緩。當(dāng)注漿層厚度達(dá)到40m時(shí),基底沉降速率變化趨于零,此時(shí)的地基層僅為10m??紤]到施工成本、施工效率等原因,建議注漿層厚度控制在30m時(shí)比較合適。

4結(jié)論

(1)采用注漿加固后的地基,在建筑自重荷載下,建筑物和地基整體穩(wěn)定,未發(fā)生建筑傾斜、傾覆現(xiàn)象和地基破壞失效區(qū)問(wèn)題,效果顯著。(2)針對(duì)本工況下,在不考慮上部地基的彈性模量影響時(shí),注漿層的彈性模量在150MPa,在不考慮注漿層彈性模量影響時(shí),地基層的模量在80MPa,能夠滿足地基承載力要求,且經(jīng)濟(jì)合理。(3)在本工況下,保持地基層總厚度不變,增加注漿層的厚度,對(duì)地基的承載能力有顯著提高;考慮到經(jīng)濟(jì)適用性等方面要求,建議將注漿層和地基層厚度控制在30m和20m。(4)無(wú)論是對(duì)采空區(qū)注漿層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)建筑地基進(jìn)行改良,還是增加地基處理層的厚度,均有助于減小建筑物沉降,保證結(jié)構(gòu)安全。改變注漿層的彈性模量的變化趨勢(shì)明顯低于改變地基層模量的變化。所以,能夠滿足地基承載力的條件下,改善地基層的彈性模量更加有助于快速減少建筑物的沉降。根據(jù)本文的研究成果可知,可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)將地基設(shè)計(jì)控制在一個(gè)經(jīng)濟(jì)、適用、合理的范圍之內(nèi)。

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作者:臧建軍 單位:中煤建工集團(tuán)有限公司