張 健，王佳玲，李志明，邱世華，周金順，俞然剛

(中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266555)

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國統(tǒng)配煤礦“三下”壓煤總量為133.5億t，其中建筑物下壓煤為78.2億t，占整個壓煤量的59%[1]。隨著煤炭開采的進程和煤炭地位的不可替代性，迫使進行“三下”壓煤的開采，采煤沉陷地質(zhì)災害對煤礦生產(chǎn)的影響也越來越大。砌體結(jié)構(gòu)材料本身延性差，剛度大，材料本身的抗拉、抗彎、抗剪強度低，屬脆性材料，抗變形能力相對較差[2]，地表的下沉、傾斜、曲率、水平移動、水平變形、扭曲和剪切變形等對既有砌體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重的破壞，既有砌體結(jié)構(gòu)沉陷和沉陷地區(qū)的資源利用兩方面都迫使我們進行采空區(qū)地表變形對既有砌體結(jié)構(gòu)的影響分析。既有砌體結(jié)構(gòu)下采煤的防護措施主要有兩方面：一方面是采礦措施，包括全柱開采、擇優(yōu)開采、協(xié)調(diào)開采、連續(xù)開采、對稱背向開采、條帶法開采和充填法開采等，目的是盡量減小建筑結(jié)構(gòu)下采空沉陷區(qū)最大地表變形值；另一方面是加強砌體結(jié)構(gòu)的抗變形能力，既有砌體結(jié)構(gòu)以通過結(jié)構(gòu)加固來實現(xiàn)，新建結(jié)構(gòu)以抗變形設(shè)計來實現(xiàn)，抗變形結(jié)構(gòu)設(shè)計措施有：①合理設(shè)置變形縫;②圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置;③設(shè)置水平滑動層或雙板基礎(chǔ);④設(shè)置升降點式基礎(chǔ)，建立自平衡抗大變形體系[3]。設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱等構(gòu)造措施是砌體結(jié)構(gòu)抗變形的主要措施，定量的分析圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置與否及截面尺寸的變化對各種變形工況下墻體受力的影響，對采空區(qū)既有砌體結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計和新建結(jié)構(gòu)的抗變形設(shè)計都有指導意義。因此，解決砌體結(jié)構(gòu)下采煤問題，不論是從理論上、技術(shù)上，還是經(jīng)濟上，對發(fā)展煤炭科技及煤礦生產(chǎn)都有重要意義[4]。

1 擬建礦區(qū)

1.1 工程概況

平頂山某待開采礦區(qū)[5]，表土層厚度平均12m，其下為砂質(zhì)泥巖、石英砂巖、泥巖、粉砂巖等的互層，厚度約501m，頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、細-中粒石英砂巖、粉砂巖等互層，厚度約85m，已知走向主斷面處的平均開采深度H為598m、法向平均煤層厚度m為2.15m、煤層平均傾角α為9°，覆巖巖性類型為中硬，開采方法為走向長壁后退式，全部垮落法管理頂板，礦區(qū)上方為成片砌體結(jié)構(gòu)住宅小區(qū)。

1.2 模型參數(shù)

由附近礦區(qū)的開采數(shù)據(jù)得到，本礦區(qū)概率積分法計算模型的參數(shù)經(jīng)驗值見表1。

表1 計算模型參數(shù)

1.3 地表變形

開采沉陷區(qū)地表變形的分布規(guī)律與許多地質(zhì)條件和采礦因素有關(guān)[6]，如開采厚度(m)、煤層傾角(α)、采區(qū)尺寸(D)、開采深度(H)、頂板管理方法、采煤方法、松散層厚度(h)和上覆巖層性能等。我國實測資料表明，采空區(qū)沿傾向長度和走向長度與平均采深的比值為1.3～1.4時地表達到充分采動，此待開發(fā)礦開采深厚比H/m大于30、地質(zhì)采礦條件正常，無大的地質(zhì)構(gòu)造，并采用正規(guī)循環(huán)采煤作業(yè)、屬于單一煤層開采，地表移動和變形在時間和空間上都具有明顯的連續(xù)特征和一定的分布規(guī)律，則充分采動時礦區(qū)走向主斷面的地表變形最大值可按概率積分法估算[1,7-8]。

主要影響半徑

r=H/tanβ=

最大下沉量值

Wmax=mqcosα=

2.15×1000×0.61×cos9°mm=1295mm

最大傾斜值

最大曲率值

Kmax=±1.52W/r2=

最大水平移動值

Umax=bWmax=

0.3×1295mm=388.50mm

最大水平變形值

ε=±1.52bimax=

1.52×0.3×0.0046=0.0021

在規(guī)程中規(guī)定[9]，我國一般磚石結(jié)構(gòu)建筑物使用的一組臨界變形值為：傾斜i=3mm/m，曲率K=0.2mm/m2，水平變形ε=2mm/m。此待開采區(qū)各個地表變形預估值均超過上組臨界變形值，則認為砌體結(jié)構(gòu)可能會受到損害，不能保持正常使用，需要進行變形分析，并進行維修加固。

2 工況介紹

2.1 房屋簡介

此建筑為6層磚混結(jié)構(gòu)宿舍樓，縱向長為45m，橫向長為14m，層高為3m，內(nèi)外墻厚為240mm，樓板為120mm現(xiàn)澆整體式，在縱橫墻連接處均設(shè)有構(gòu)造柱，截面尺寸有0mm×240mm、180mm×240mm、240mm×240mm、300mm×240mm、360mm×240mm，每一層在樓板標高處均設(shè)有圈梁，截面尺寸有0mm×240mm、100mm×240mm、150mm×240mm、200mm×240mm、250mm×240mm、300mm×240mm，基礎(chǔ)類型為交叉條形基礎(chǔ)，截面尺寸為400mm×400mm。

2.2 變形類型

與采空沉陷區(qū)的地表變形形式相對應，取正常狀態(tài)、傾斜狀態(tài)、縱向水平變形、橫向水平變形、負曲率變形(中間下沉)和正曲率變形(兩端下沉)六種工況進行模擬分析，其位移變形如圖1～6所示。

圖1 正常狀態(tài)位移圖

圖2 傾斜狀態(tài)位移圖

圖3 縱向水平變形位移圖

圖4 橫向水平變形位移圖

圖5 負曲率變形位移圖

圖6 正曲率變形位移圖

3 有限元分析

3.1 數(shù)據(jù)分析

使用大型有限元軟件ANSYS,對受地表變形作用的砌體房屋進行模擬分析[10],圈梁、構(gòu)造柱和基礎(chǔ)選用beam188單元類型，墻體選用shell63單元類型。6種工況對應6個荷載步，進行彈性靜力計算可得各個工況下墻體的拉壓應力最值,如表2～5所示。

無構(gòu)造柱墻體的自重拉應力、負曲率拉應力和正曲率拉應力隨著圈梁截面高度的減小而增大，自重壓應力、傾斜拉壓應力、兩水平方向的拉壓應力、負曲率壓應力和正曲率壓應力隨著圈梁截面高度的減小而減小。雖然具有規(guī)律，但圈梁高度為300mm和沒有圈梁的差值最大為0.89MPa，相差很小。

構(gòu)造柱截面為240mm×240mm時墻體的自重拉應力、負曲率拉應力和正曲率拉應力隨著圈梁截面高度的減小而增大，自重壓應力、傾斜壓應力、兩水平方向的拉壓應力、負曲率壓應力和正曲率壓應力隨著圈梁截面高度的減小而減小。雖然具有規(guī)律，但圈梁高度為300mm和沒有圈梁的差值最大為0.48MPa，相差也很小。

無圈梁墻體的自重壓應力、傾斜壓應力、縱向水平變形拉應力、橫向水平變形拉壓應力和兩曲率變形拉壓應力隨著柱寬的減小而增大，自重拉應力、傾斜拉應力、縱向水平變形壓應力隨著柱寬的減小而減小，具有規(guī)律，由圖7可以看出，在發(fā)生變形的情況下，有無構(gòu)造柱對墻體拉壓應力大小的影響很明顯，但柱截面寬度變化對墻體拉壓應力大小的影響較小。

表2 無構(gòu)造柱墻體拉壓應力最大值/MPa

表3 240×240構(gòu)造柱墻體拉壓應力最大值/MPa

表5 240mm×200mm圈梁墻體拉壓應力最大值/MPa

圖7 柱寬對墻體受力的影響

圈梁截面為240mm×200mm時墻體的自重壓應力、傾斜壓應力、縱向水平變形拉應力、橫向水平變形拉壓應力和兩曲率變形拉壓應力隨著柱寬的減小而增大，自重拉應力、傾斜拉應力、縱向水平變形壓應力隨著柱寬的減小而減小，具有規(guī)律。同樣，在發(fā)生變形的情況下，設(shè)置構(gòu)造柱對墻體拉壓應力大小的降低很明顯，最高可達到68.95%，但柱截面寬度變化對墻體拉壓應力大小的影響較小。

3.2 結(jié)論

墻體的最大主應力和最小應力在一定程度上反映了特定工況對砌體結(jié)構(gòu)房屋墻體的破壞程度，通過以上分析，可以得到如下結(jié)論：

1)僅在重力荷載代表值的作用下，設(shè)置構(gòu)造柱比不設(shè)置構(gòu)造柱墻體的拉應力增加，壓應力減小，原因是構(gòu)造柱的存在限制了墻體的水平變形使拉應力增加，也限制了上部墻荷載的向下傳遞使壓應力減小，但有無構(gòu)造柱對墻體應力的改變很小。

2)僅在重力荷載代表值的作用下，設(shè)置圈梁比不設(shè)置圈梁墻體的應力的拉壓應力都減小，原因是圈梁和構(gòu)造柱相互連接，將墻體分成了墻段。

3)構(gòu)造柱的設(shè)置與否對墻體拉壓應力最值大小的影響較大，圈梁的設(shè)置與否對墻體拉壓應力最值大小的影響較小。

4)僅在重力荷載代表值的作用下，構(gòu)造柱和圈梁的截面大小對墻體拉壓應力大小的影響很小，所以截面大小一般只滿足構(gòu)造要求就可以。

5)與圈梁截面尺寸變化相比，構(gòu)造柱截面尺寸變化對墻體拉壓應力大小的影響較大，說明構(gòu)造柱不僅使結(jié)構(gòu)整體性增強，還分擔了一部分荷載。

6)圈梁的設(shè)置使結(jié)構(gòu)形成整體，設(shè)置圈梁時柱截面變化對墻體拉壓應力大小的變化速率小于不設(shè)置圈梁時柱截面變化對墻體拉壓應力大小的變化速率。

7)由于構(gòu)造柱的約束作用，設(shè)置構(gòu)造柱時圈梁截面的變化與不設(shè)置柱時圈梁截面的變化對墻體拉壓應力大小的影響更小。

4 結(jié)語

通過有限元分析可以看出，采空區(qū)地表變形對砌體結(jié)構(gòu)墻體的破壞效果很明顯，需要采取一定的措施予以防止破壞，采礦措施和加強上部結(jié)構(gòu)措施這兩方面常常聯(lián)合使用。圈梁的設(shè)置主要是增強砌體結(jié)構(gòu)的整體性，對防止各種變形和溫度等引起的墻體裂縫和提高抗震性能很明顯，對墻體的應力大小影響較小。構(gòu)造柱主要也是增強砌體結(jié)構(gòu)的整體性，限制裂縫和提高抗震性能，在墻體不滿足受力的情況下也可以適當承擔一小部分作用，對墻體的受力影響效果要大于圈梁，但也不能一味的靠增大截面來減小墻體受力，不然會引起整個結(jié)構(gòu)傳力體系混亂。

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