地面荷載對(duì)老采空區(qū)地表移動(dòng)和二次變形的影響

地面荷載對(duì)老采空區(qū)地表移動(dòng)和二次變形的影響

1采空區(qū)的不足地下開采引起的巖石上游流動(dòng)和破壞改變了上巖土層的工程性質(zhì)，并在采空區(qū)破壞了巖體的工程性質(zhì)條件。即使在開采結(jié)束后經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間自然壓實(shí),采空區(qū)及其上覆巖體中依然存在大量殘留空洞、離層、裂縫和冒落區(qū)的欠壓密、空隙中飽水等現(xiàn)象(問題)。在這種破損地基條件下興建大型建筑物時(shí),新增建筑荷載必將改變采空區(qū)破裂巖體的應(yīng)力環(huán)境,并可能導(dǎo)致破裂巖體的二次變形,進(jìn)而影響建筑物安全。2采空區(qū)覆巖巖體結(jié)構(gòu)及變形規(guī)律實(shí)測(cè)研究表明,地下開采引起的巖層和地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間主要取決于采礦方法、上覆巖層的巖體結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)、開采深度和工作面推進(jìn)速度。一般規(guī)律為:開采深度越大、覆巖越堅(jiān)硬,地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)采深在100~200m時(shí),地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間一般為1~2a。有的可達(dá)十余年,但大多數(shù)不超過5a。地下長(zhǎng)壁開采形成的采空區(qū)覆巖破裂情況存在明顯的分區(qū)性,通常根據(jù)覆巖破壞程度和導(dǎo)水性能將其劃分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶(圖1)。根據(jù)長(zhǎng)壁采空區(qū)覆巖破壞特征,采空區(qū)及其覆巖的巖體結(jié)構(gòu)可分為四類,如表1所示。在采空區(qū)及其覆巖中不同位置的巖體結(jié)構(gòu)有較大的差異,這種采動(dòng)次生巖體結(jié)構(gòu)的差異對(duì)采空區(qū)覆巖變形規(guī)律有重要影響。開采引起的巖層和地表移動(dòng)停止后,老采空區(qū)破裂巖體處于應(yīng)力相對(duì)平衡狀態(tài),在破裂巖體應(yīng)力松弛和外力作用下,老采空區(qū)將產(chǎn)生“活化”,地表產(chǎn)生二次變形。這種地表二次變形主要來自兩個(gè)方面:一是老采空區(qū)殘留空洞和破裂巖體由于自身強(qiáng)度的應(yīng)力松弛或外力擾動(dòng)造成的壓密和結(jié)構(gòu)失穩(wěn);二是新建建筑物的荷載及其施工和運(yùn)行過程中產(chǎn)生的附加荷載對(duì)老采空區(qū)破裂巖體的擾動(dòng)影響。下面主要分析地面荷載對(duì)老采空區(qū)“活化”的影響。3破碎地基、老采空區(qū)的活化地面建筑物荷載對(duì)采動(dòng)破碎巖體地基的擾動(dòng)是淺部采動(dòng)破碎地基或老采空區(qū)活化的重要原因之一。地面建筑物的類型、基礎(chǔ)型式、荷載大小不同,其作用于地基上的附加應(yīng)力的分布形式、地基沉降量、地基擾動(dòng)深度也不同。3.1基礎(chǔ)底部附加壓力由于修建建筑物,將在地基中產(chǎn)生附加壓力。設(shè)基礎(chǔ)埋深為d,在基礎(chǔ)底面中心點(diǎn)的附加壓力為:p0=p?γd(1)p0=p-γd(1)式中p0——基礎(chǔ)底面的附加壓力,kPa;p——基礎(chǔ)底面的接觸壓力,kPa;γ——基礎(chǔ)底面以上地基土的容重,kN/m3。3.2地下通道的額外應(yīng)力地基中的附加應(yīng)力計(jì)算比較復(fù)雜,一般采用根據(jù)彈性理論推導(dǎo)出的方法。(1)或小體降質(zhì)作用下的豎向應(yīng)力布辛尼斯克(Boussinesq)推導(dǎo)出了半空間彈性體內(nèi)豎向集中力作用下任意點(diǎn)的豎向應(yīng)力表達(dá)式為:σz=3pz32πR5(2)σz=3pz32πR5(2)式中σz——地基中深度為z、到集中力p作用點(diǎn)的距離為R處的豎向應(yīng)力。(2)附加應(yīng)力計(jì)算根據(jù)(2)式,通過積分求解可導(dǎo)出條形面積受豎向均布荷載作用下地基中任一點(diǎn)深度z處的附加應(yīng)力為:σz=2π(2n1+4n2+arctg12n)?p(3)σz=2π(2n1+4n2+arctg12n)?p(3)式中n=z/b,b為條形基礎(chǔ)寬度。3.3老采空區(qū)活性基巖中附加應(yīng)力確定的原則不同基礎(chǔ)型式和不同荷載作用下的地基擾動(dòng)深度不同,因附加應(yīng)力擴(kuò)散隨深度而減小。對(duì)于軟土地基和采動(dòng)破碎軟弱地基,一般當(dāng)?shù)鼗械母郊討?yīng)力為地基土自重應(yīng)力的10%時(shí),可認(rèn)為附加應(yīng)力對(duì)該深度處的地基壓縮影響甚微;這個(gè)深度稱為地基受壓層深度。低于受壓層以下的土層中附加應(yīng)力很小,其對(duì)地基沉降的影響可忽略不計(jì)?？紤]到采動(dòng)破損巖土地基“活化”沉降問題的復(fù)雜性,為安全起見,建議采用地基中附加應(yīng)力等于自重應(yīng)力的5%作為附加應(yīng)力對(duì)采動(dòng)破裂巖體“活化”變形影響可忽略不計(jì)的標(biāo)準(zhǔn),來確定老采空區(qū)上方建筑物荷載地基擾動(dòng)深度Dz。Dz的確定可根據(jù)不同基礎(chǔ)型式地基中豎向應(yīng)力計(jì)算公式采用反分析法估計(jì)。下面簡(jiǎn)要分析集中荷載和線荷載時(shí)地基擾動(dòng)深度的估算方法。設(shè)地基土的容重為γ,則深度為z處的地基土自重應(yīng)力為:σcz=γZ(4)即∶Dz→σz=0.05σcz3p2πD2z=0.05γDzσcz=γΖ(4)即∶Dz→σz=0.05σcz3p2πDz2=0.05γDz則集中荷載作用下地基擾動(dòng)深度為:Dz=(30p/πγ)13(5)Dz=(30p/πγ)13(5)同理,可推導(dǎo)出線荷載作用下地基擾動(dòng)深度的估計(jì)公式為:Dz=2×10pπγ???√(6)Dz=2×10pπγ(6)若考慮基礎(chǔ)埋深為d時(shí),則地面建筑荷載對(duì)地基的最大擾動(dòng)深度h為:hmax=d+Dz(7)hmax=d+Dz(7)對(duì)于礦區(qū)建筑工程中常見的獨(dú)立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)建筑物,可近似視為集中荷載和線荷載按公式(5)~(7)估算其地基擾動(dòng)深度。在一般工程地質(zhì)條件下,在建筑物荷載作用下產(chǎn)生的地基沉降應(yīng)全部發(fā)生在地基持力層的擾動(dòng)深度內(nèi)。4建筑物荷載作用采動(dòng)穩(wěn)定后的垮落帶和斷裂帶處于應(yīng)力相對(duì)平衡狀態(tài),在受到建筑荷載作用后可能會(huì)破壞其平衡狀態(tài),從而引起采動(dòng)破碎巖體的二次移動(dòng)(活化),繼而導(dǎo)致建筑物地基沉降和變形的加劇。因此,因建筑物荷載作用引起采動(dòng)破碎巖土體“活化”的臨界采深至少為建筑荷載地基最大擾動(dòng)深度和冒裂帶最大高度之和,即:H0≥Hli+hmax(8)Η0≥Ηli+hmax(8)冒落斷裂帶的高度計(jì)算方法已在許多文獻(xiàn)中給出。顯然,當(dāng)廢棄采空區(qū)深度大于該臨界采深時(shí),建筑物荷載不會(huì)直接導(dǎo)致采空區(qū)破碎巖體“活化”和產(chǎn)生二次移動(dòng)。此時(shí),影響地面建筑物安全的主要因素應(yīng)是地下采空區(qū)破裂巖體的自身穩(wěn)定性問題。5建筑物荷載的擾動(dòng)在廢棄采空區(qū)破損地基上興建大型建筑物時(shí),新增建筑荷載必將改變采空區(qū)破裂巖體的應(yīng)力環(huán)境,并可能導(dǎo)致破裂巖體的二次變形,進(jìn)而影響建筑物安全。廢棄采空上方地表的二次變形主要來自兩個(gè)方面:一是老采空區(qū)殘留空洞和破裂巖體由于自身強(qiáng)度的應(yīng)力松弛或外力擾動(dòng)造成的壓密和結(jié)構(gòu)失穩(wěn);二是新建建筑物的荷載及其施工和運(yùn)行過程中產(chǎn)生的附加荷載對(duì)老采空區(qū)破裂巖體的擾動(dòng)影響。地面建筑物荷載對(duì)采動(dòng)破碎巖體地基的擾動(dòng)是淺部采動(dòng)破碎地基或老采空區(qū)活化的重要原因之一。因建筑物荷載作用引起采動(dòng)破碎巖土體“活化”的臨界采深至