李鳳明,李樹志,白國良

(煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院,河北唐山 063012)

應(yīng)用基礎(chǔ)

建筑物荷載對老采空區(qū)地基穩(wěn)定性影響研究

李鳳明,李樹志,白國良

(煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院,河北唐山 063012)

地表建筑物是老采空區(qū)地基穩(wěn)定性的主要擾動因素之一,地表建筑對地基穩(wěn)定性的影響程度主要取決于地表建筑的荷載大小以及地表建筑物的位置,采用數(shù)值模擬的方法進行了多方案研究,獲得的成果為老采空區(qū)地基的穩(wěn)定性評價提供參考。

老采空區(qū);建筑物荷載;穩(wěn)定性

老采空區(qū)在相對穩(wěn)定時期進行地表建筑物的建設(shè)是老采空區(qū)地基穩(wěn)定性的主要擾動因素之一,地表建筑對地基穩(wěn)定性的影響程度主要取決于地表建筑的荷載大小以及地表建筑物的位置,在采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價當(dāng)中,僅局限于對建筑物荷載影響深度與采空區(qū)三帶距離之間的比較[1-3]。通過數(shù)值模擬的方法探討建筑物荷載作用在不同位置對地基穩(wěn)定性的影響,對采空區(qū)的地基穩(wěn)定性評價是一個重要補充。

1 數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)

煤層上覆圍巖由于下部采空形成新的臨空面,在重力作用下,導(dǎo)致巖石內(nèi)部的裂縫不斷發(fā)展,直至巖體破壞。大量的工程實踐表明,巖體的失穩(wěn),既不是其中某個單元的破壞,也不是所有的單元同時進入破壞狀態(tài),而是在整個研究區(qū)域內(nèi)形成貫通破裂面,并沿此面發(fā)生滑移,從而使巖體中一系列相鄰單元的相繼破壞,煤巖體從局部破壞發(fā)展到整體破壞的整個過程中,巖體介質(zhì)屈服面不斷發(fā)展,應(yīng)力不斷調(diào)整和重分布,其中伴隨著裂隙的發(fā)生、發(fā)展。這一過程可用巖土介質(zhì)彈塑性力學(xué)原理解釋,因此,對于建筑物荷載作用下地基二次失穩(wěn)機理分析主要以彈塑性理論為基礎(chǔ),采用數(shù)值模擬的方法進行研究。

在數(shù)值模擬中采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則作為屈服準(zhǔn)則,表達式為:

與莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則相聯(lián)系的流動法則為:

明確了以上的判斷準(zhǔn)則,即可采用彈塑性理論進行研究。

2 數(shù)值模擬方案

建筑物對老采空區(qū)上覆巖體穩(wěn)定性的影響主要包括 2種因素:一為建筑物自身荷載;其次為建筑物與采空區(qū)之間的相對位置。因此,選取建筑物荷載和相對位置作為考察對象設(shè)計 3種模擬方案: A,B,C分別對應(yīng)于低、中、高 3類荷載,在一定荷載作用下分為不同的位置,分別設(shè)置在采空區(qū)上方的內(nèi)邊緣 (開切眼內(nèi)側(cè))、中間區(qū) (采空區(qū)中部)以及外邊緣 (終采線外側(cè)),具體見表 1。模型示意圖及地表無荷載采空區(qū)上方巖層破壞區(qū)域如圖1,圖 2所示。

表1 數(shù)值模擬方案

圖1 模型及荷載作用位置

圖 2 地表無荷載采空區(qū)上方巖層破壞區(qū)域

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 加載后應(yīng)力演化分析

圖 3～圖 5為不同加載位置第一主應(yīng)力變化曲線,可以看出加載位置不同,造成荷載作用下第一主應(yīng)力變化曲線不同,在內(nèi)邊緣施加荷載 (圖 3),在距地表 47m處至開挖煤層,這部分上覆巖層所受應(yīng)力以拉應(yīng)力為主,110m至地面上覆圍巖以及工作面底板圍巖所受應(yīng)力為壓應(yīng)力;荷載作用于采空區(qū)中部 (圖 4),在距地表約 57m時,上覆圍巖所受應(yīng)力發(fā)生了轉(zhuǎn)化,由原來的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力,底板應(yīng)力仍為壓應(yīng)力;當(dāng)荷載作用于外邊緣時(圖 5),大部分圍巖所受應(yīng)力為壓應(yīng)力,只有在煤層所在位置的 10m范圍內(nèi),巖層所受應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力。從圖 6看出,相同荷載作用下,在作用位置處,與原始開挖狀態(tài)相比第一主應(yīng)力加大,荷載只在作用區(qū)域有影響,對其他區(qū)域影響則很小。

通過圍巖所受應(yīng)力與巖石的抗拉抗壓強度的比較,可進一步判別巖層的穩(wěn)定性。

圖 3 內(nèi)邊緣不同荷載作用下第一主應(yīng)力變化曲線

圖 4 中部不同荷載作用下第一主應(yīng)力變化曲線

圖 5 外邊緣不同荷載作用下第一主應(yīng)力變化曲線

圖 6 0.072MPa作用于不同位置第一主應(yīng)力變化曲線

3.2 加載后圍巖變形規(guī)律分析

通過數(shù)值模擬,得到不同位置,不同荷載作用下巖石變形規(guī)律 (見表 2)。地表沉降量中間區(qū)荷載作用下較大,外邊緣作用區(qū)次之,內(nèi)邊緣作用區(qū)最小,而地表水平移動量則內(nèi)邊緣作用區(qū)最大,外邊緣作用區(qū)次之,而中間作用區(qū)最小,從以上規(guī)律可以看出,當(dāng)荷載作用于內(nèi)邊緣時,穩(wěn)定性最差,外邊緣次之,作用于中間區(qū)域則相對穩(wěn)定。這是因為采空區(qū)邊緣地帶存在未壓實的空洞造成的,在采空區(qū)中間區(qū)域,自然壓實程度較好,充填也比較充分,其殘余下沉值較小。因此,建筑物的附加荷載作用對采空區(qū)邊緣地帶的巖層移動影響較大,對采空區(qū)中間區(qū)域的影響較小。

表2 加載后圍巖變形量

4 結(jié)論

(1)作用位置的不同,加載后地表變形值不同,從模擬結(jié)果來看,作用荷載相同時,作用于內(nèi)邊緣時,地表變形值最大,其次為外邊緣位置,變形值相對較小的為作用于中間區(qū)域。因此可以推斷作用于采空區(qū)內(nèi)邊緣的殘余變形最大,中間區(qū)最小,外邊緣介于兩者之間。

(2)采空區(qū)上覆圍巖形成了典型的馬鞍型破壞區(qū)域,并在地表形成了沉降盆地。隨著建筑物荷載的增加,地表變形就越大,建筑物荷載影響區(qū)域也越大。

[1]騰永海,張俊英.老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價 [J].煤炭學(xué)報, 1997(5):504-507.

[2]張長敏,祁麗華,慎乃齊 .采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性評價研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版),2006,21(4).

[3]曹君陟,劉立民,黃修東 .采空區(qū)地基穩(wěn)定性有限元模擬[J].煤礦開采,2005,10(4):3-5.

[責(zé)任編輯:王興庫]

Research on Influence of BuildingsLoad on Basement Stability over Gob

L I Feng-ming,L I Shu-zhi,BA I Guo-liang

(Tangshan Research Institute,China Coal Research Institute,Tangshan 063012,China)

Surface building is one of themain disturbing factorsof basement stabilityover abandoned gob.The influence degree of surface buildings on basement stability ismainly dependent on load value and building location.This paper applied numerical simulation to researching several projects.Resultsmay provide reference for basement stability evaluation of basement over abandoned gob.

abandoned gob;building load;stability

TD823.83

A

1006-6225(2010)03-0005-02

2009-11-16

李鳳明 (1962-),男,遼寧錦州人,研究員,博士生導(dǎo)師,從事采煤沉陷及其綜合治理、特殊采煤、巖土工程等研究工作。