新建建筑荷载下采空区地基稳定性评价与分析

周桂林

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

新建建筑荷载下采空区地基稳定性评价与分析

周桂林

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

为评价采空区上方新建建筑物地基稳定性，以焦作市某矿区场地为实例，根据收集到的资料，采取实测钻探资料与理论公式相结合的方式来确定采空区覆岩破坏高度；针对不稳定的采空区地基，基于附加应力法,采用σz(附加应力)=0.10σcz(自重应力)的判别方法,来确定建筑物荷载的影响深度,并与σz=0.08σcz和σz=0.05σcz的判别标准相对应的建筑物荷载影响深度进行对比分析；同时,结合Hmin≥HL+HDz+D稳定评价方法,评价新建建筑荷载下采空区地基稳定性并确定建筑物层数。分析结果表明：在相同的判别标准下，随着楼层荷载的增大，荷载的影响深度也随之非线性增大；在不同的判别标准,相同楼层荷载下,当判别系数减小时，对应的荷载影响深度增加，安全系数增大，建筑物安全等级就越高。

采空区；覆岩破坏高度；附加应力法；荷载影响深度；地基稳定性

随着经济建设的快速发展和城镇化建设的不断深入,城市土地资源扩张,导致可供的建设用地减少,因此,合理利用采空区上方土地,可以有效地缓和城市对于土地的需求量。地下煤层被开采以后,开采区域周围围岩的原始应力遭到破坏，在经历一定时间的自然压实后基本处于稳定,形成了相对的应力平衡状态。当在采空区上方建起建筑物后,有可能使原本处于相对平衡状态的岩体发生二次移动和变形,引起新建建筑物发生倾斜、开裂、甚至倒塌[1]。因此,开展对采空区上方新建建筑物地基稳定性的研究工作,对于确保新建建筑物的正常使用具有重要意义。

目前国内外针对采空区地基稳定性问题开展了大量的研究工作.如滕永海等[2]提出以建筑物荷载引起的地基附加应力影响深度是否与垮落断裂带发育高度重叠来判断采空区地基稳定性；李培现等[3]研究了应用FLAC进行老采空区地基稳定性评价的过程与方法。钱自卫[4]等通过建立采空区场地工程地质模型应用有限元数值计算方法,对建筑物地基稳定性进行评价。李凤明等[5]采用数值模拟方法对建筑荷载下采空区地基稳定性的影响进行了多方案研究。丁陈建等[6]应用人工神经网络对采空区稳定性进行预测评价,收敛效果良好,预测评价结果正确。本文将基于附加应力分析法的基础上,针对焦作市某矿区实例,来评价采空区新建建筑荷载下地基稳定性。

1 采煤区概况

该矿区位于焦作市西部,共含煤七层,其中二1煤为主要可采煤层,一5煤为局部可采煤层,其余均不采。主采煤层二1(大煤),采深130～200 m,煤层采厚0.67～8.50 m,平均厚5.5 m,倾角120,目前二1煤已经大面积开采,仅留有煤柱。一5煤煤层厚0～1.4 m,平均厚0.78 m,因为评价区内当初勘察查明水平不够,一5煤未进行开采。该拟建建筑区域内全为第四系覆盖区,根据原矿井资料及钻探资料显示主要地层自上而下分别为：

第四系：以黄土层为主,含砾石及不规则状钙质结核,夹砂层、砾石层；底部为弱胶结砾岩层。下伏地层呈不整合接触。厚度为32.3～53.2 m,平均厚度为42.45 m。

第三系：以砖红色粘土及砂质粘土岩为主,含砾石及不规则状钙质结核；底部为砾石层。厚度11.60～21.50 m,平均厚度16.65 m。

二叠系下统下石盒子组：以灰色、深灰色粉砂质泥岩、泥岩为主,夹黄绿色中、细粒砂岩。厚度1.98～21.57 m,平均厚度6.97 m。

二叠系下统山西组：本组为主要含煤层,也是本区的主要含煤层。下部由粉砂质泥岩、砂岩和煤层组成。厚度70.50～91.46 m,平均厚度80.00 m。

2 采空区覆岩破坏高度

一般来说,煤层被开采出以后,上覆岩层自上而下形成垮落带、断裂带、弯曲带[7](如图1)垮落带岩体呈散体和破裂结构,岩块之间存在较大的空隙，且连通性较好；断裂带岩层产生离层、断裂，岩体块度较大；弯曲带岩体为保留较为完整的层状构造。因此，垮落裂隙带虽然经过多年的自然压实，但仍无法避免的存在一定的离层和裂隙,其抗压、抗拉和抗剪强度显然小于原始的岩体强度,如果建筑物荷载传递到垮落断裂带,会使采空区发生“活化”，则必定会加大建筑物的不均匀沉降,造成建筑物破坏[8]。

图1 采空区覆岩移动分区

2.1 垮落带发育高度计算

垮落带高度计算公式如下：

(1)

式中：a，b分别为与岩性有关的参数,见表1；∑M—为煤层的累计开采厚度。

根据区域下方采煤情况,单层煤开采，煤层采厚按5.5 m计算,岩性考虑坚硬性岩层,则二1煤层开采后垮落带发育高度为：Hm=19.96 m.

表1 计算参数

2.2 断裂带发育高度计算

参照规范[9],选取计算公式如下：

(2)

式中：b为与岩性有关的参数,对于中硬性岩层取20,对于坚硬岩层取30。

根据评价区下方煤层开采情况,单层煤开采,煤层采厚按5.5m计算,岩性考虑坚硬性岩层,则二1煤层开采后断裂带的发育高度为：HD=80.3m

2.3 覆岩破坏高度的实际勘查

根据《采空区探测报告》,在评价区域内进行了4个采空区勘察钻孔钻探情况，“三带”目前的实际情况如表2。

表2 探测孔三带范围及划分依据

2.4 覆岩破坏高度的确定

根据评价区4个钻探孔情况,选取二1煤采空区断裂带发育高度,具体数据见表3。

表3 二1煤采空区垮落断裂带的发育高度

3 建筑物的荷载影响深度计算

3.1 影响深度的计算方法

建筑物的修建使地基土中原有的应力状态发生改变，进而引发地基变形和基础沉降。建筑物所产生的附加应力从荷载作用处向下随着深度增加逐渐减小。一般当地表建筑物在地表中产生的附加应力等于相应深度处地基自重应力的20%时，即可认为地表建筑物对该深度处地基产生的影响可忽略不计，当其下方有不稳定性因素存在时,如采空区断裂带、垮落带时，则计算附加应力直至地基自重应力10%位置处即σz(附加应力)=0.10σcz(自重应力),方可认为附加应力对该深度处的地基产生不大的影响，该深度即为建筑物的荷载影响深度HDz，将其同σz=0.08σcz和σz= 0.05σcz所对应的荷载影响深度进行对比分析，研究不同判别标准下，建筑物荷载与影响深度之间的关系，来评价建筑物地基稳定性并确定合适的建筑物楼层数。

地基中岩土层的自重应力为：

σcz=γ1h1+γ2h2+...γnhn

(3)

式中：γ1、γ2、....、γn——地基中自上而下各层土或岩石的容度，kN/m3；

h1、h2、...hn——为地基中自上而下各土层或岩石的厚度，m；

σcz——为地表下任意深度处的竖向自重应力，MPa；

3.2 地基附加应力计算

由于建筑物的平面形状为矩形,本文选取计算矩形荷载作用下的地基附加应力,公式如下：

σz=KzP0

(4)

P0——地表荷载作用于基础底面的平均附加应力(MPa),P0=P-γ0D,P为作用于基础底面处竖向荷载(MPa),γ0为基础底面标高以上土层的重度(kN/m3),D为基础底面埋深(m)。

3.3 荷载影响深度的计算结果分析

分别考虑了5层、6层、8层、10层、12层楼的附加荷载影响深度(见表4)，建筑物宽度按10 m计算，建筑物长度40 m，基础埋深3 m，建筑荷载考虑20 kPa(单层建筑面积)。考虑不同判别标准即σz= 0.10σcz、σz= 0.08σcz和σz= 0.05σcz进行对比分析。

表4 建筑物荷载影响深度计算

将上面计算的结果绘制成图，如图2所示：

图2 荷载附加应力随深度变化关系

通过图2可知，不同判别标准下不同楼层荷载对应的荷载影响深度如表5所示：

表5 不同判别标准下荷载影响深度

由表5可知，在相同的判别标准下，随着建筑物荷载的增大，荷载的影响深度也随之非线性增大；当在不同的判别标准,相同楼层建筑荷载下,当判别系数减小时，对应的荷载影响深度增加，安全系数增大，建筑物安全等级就越高；当判别系数减半，在相同建筑荷载下，荷载影响深度仅是非线性增加，并未随之增加相同的倍数。

4 地基稳定性评价

煤层被开采后，上覆岩层形成垮落带、断裂带和弯曲带，以建筑物荷载影响深度是否达到断裂带发育高度为判断采空区地基稳定性的标准，即煤层最小采深应大于垮落断裂带发育高度、基础埋深和建筑物荷载影响深度三者之和。即：

Hmin≥HC≥HL+HDz+D

(5)

式中：Hmin—最小采深，m；HC—临界采深，m；HDz—荷载影响深度，m；HL—垮落断裂带发育高度，m；D—基础埋深，m。

根据以上计算结果：当σz=0.10σcz，建筑荷载为12层楼时，荷载影响深度为25.2 m。该区域二1煤层最小采深为130 m，垮落断裂带发育高度为100.26 m，基础埋深3 m，当在此处施加12层楼荷载时，临界采深为128.46 m，小于煤层最小采深，故在此处建造12层及以下楼层建筑荷载，采空区不会发生“活化”；当σz=0.08σcz，建筑荷载分别为10层楼12层楼时，荷载影响深度分别为24.8 m和27.2 m，10层楼和12层楼对应的临界采深分别为128.06和130.46 m，12层楼对应的临界采深大于煤层最小采深，故在此处不适宜建造12层楼建筑物荷载；当σz=0.05σcz，建筑荷载分别为6层楼、8层楼、10层楼、12层楼时，建筑物荷载影响深度分别为24.2 m、27.3 m、29.6 m、32.8 m，对应的临界采深分别为127.46 m、130.56 m、132.86 m和136.06 m；8层、10层和12层楼建筑荷载对应的临界采深均大于煤层最小采深，故在此处建造8层、10层和12层楼会使采空区发生“活化”，6层楼的临界采深小于煤层最小采深，故可在此建造6层及以下楼层建筑荷载。

5 结论

(1) 采取实测钻探资料与理论公式相结合的方式，能够更加准确的确定采空区垮落断裂带高度。

(2) 针对不稳定的采空区地基，基于附加应力法,采用σz(附加应力)=0.10σcz(自重应力)的判别方法,来确定建筑物荷载的影响深度，并与σz=0.08σcz和σz=0.05σcz相对应的建筑物荷载影响深度进行对比分析。计算结果表明：在相同的判别标准下，随着建筑物荷载的增大，荷载的影响深度也随之非线性增大；当在不同的判别标准,相同楼层建筑荷载下,当判别系数减小时，对应的荷载影响深度增加，安全系数增大，建筑物安全等级就越高。

(3) 采取Hmin≥HL+HDz+D稳定评价方法，来评价新建建筑荷载下采空区地基稳定性，判断采空区是否发生“活化”并确定建筑物层数。

[1] 王磊, 郭广礼, 查剑锋,等. 老采空区地表残余沉降预计与应用[J]. 采矿与安全工程学报, 2011, 28(2):283-287.

[2] 滕永海, 张俊英. 老采空区地基稳定性评价[J]. 煤炭学报, 1997(5):504-508.

[3] 李培现, 谭志祥, 王磊,等. FLAC在老采空区地基稳定性评价中的应用研究[J]. 煤矿安全, 2009, 40(10):11-14.

[4] 钱自卫, 吴慧蕾, 姜振泉. 老采空区高层建筑物地基稳定性综合评价[J]. 湖南科技大学学报自然科学版, 2011, 26(1):58-62.

[5] 李凤明, 李树志, 白国良. 建筑物荷载对老采空区地基稳定性影响研究[J]. 煤矿开采, 2010, 15(3):5-6.

[6] 丁陈建, 汪吉林. 神经网络法的采空区地基稳定性评价[J]. 采矿与安全工程学报, 2009, 26(2):208-211.

[7] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路、及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M]. 北京：煤炭工业出版社， 2000: 226-235.

[8] 张俊英. 地表新增荷载对采空区上方覆岩的影响规律[J]. 煤炭学报, 2008, 33(2):166-170.

[9] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 煤矿采空区岩土工程勘察规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2014.

Evaluation and Analysis of the stability of mined out area under new building load

ZHOU Gui-lin

(Schoolofcivilengineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo, 454000,China)

In order to evaluate the stability of the new buildings above the mined area, a site in Jiaozuo is taken as an example, according to the collected data, the actual drilling data and the theoretical formula are combined to determine the height of goaf overburden failure. For the unstable goaf foundation, on the basis of additional stress method, the identification method of σz(self weight stress)=0.10σcz(additional stress) is used to determine the influence depth of building load, and the comparative analysis is carried out for the corresponding influence depth of building load under the criterionσz= 0.08σczandσz=0.05σcz. At the same time, combined with the Hmin≥HL+HDz+D stability evaluation method, the stability of the goaf foundation under the new building load is evaluated and the number of building floors is determined. The analysis results show that: under the same criterion, with the increase of floor load, the load influence depth also increases nonlinearly; under different criterion and the same floor load, when the discriminant coefficient decreases, the influence depth of the corresponding load increases, the safety factor increases, and the safety level of the building also gets higher.

Mined out area; Overburden failure height; Additional stress method; Load influence depth；Foundation stability

2017-01-25

周桂林(1991-)，男，河南信阳人，河南理工大学土木工程学院在读硕士研究生，研究方向：岩土工程。E-mail:1115199358@qq.com

TD29

A

1672-7169(2017)02-0023-05