構(gòu)造措施對(duì)采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)抗變形的影響分析

張 健，王佳玲，李志明，邱世華，周金順，俞然剛

(中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266555)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(gè)壓煤量的59%[1]。隨著煤炭開采的進(jìn)程和煤炭地位的不可替代性，迫使進(jìn)行“三下”壓煤的開采，采煤沉陷地質(zhì)災(zāi)害對(duì)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(qiáng)度低，屬脆性材料，抗變形能力相對(duì)較差[2]，地表的下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形、扭曲和剪切變形等對(duì)既有砌體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)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(jìn)行采空區(qū)地表變形對(duì)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(hù)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(duì)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)，新建結(jié)構(gòu)以抗變形設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，抗變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)層或雙板基礎(chǔ);④設(shè)置升降點(diǎn)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(duì)各種變形工況下墻體受力的影響，對(duì)采空區(qū)既有砌體結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)和新建結(jié)構(gòu)的抗變形設(shè)計(jì)都有指導(dǎo)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(jì)上，對(duì)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(xì)-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(jì)算模型的參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值見表1。

表1 計(jì)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(shí)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(shí)地表達(dá)到充分采動(dòng)，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(dòng)和變形在時(shí)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(dòng)時(shí)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(dòng)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(gè)地表變形預(yù)估值均超過上組臨界變形值，則認(rèn)為砌體結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到損害，不能保持正常使用，需要進(jìn)行變形分析，并進(jìn)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(biāo)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(duì)應(yīng)，取正常狀態(tài)、傾斜狀態(tài)、縱向水平變形、橫向水平變形、負(fù)曲率變形(中間下沉)和正曲率變形(兩端下沉)六種工況進(jìn)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(fù)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(duì)受地表變形作用的砌體房屋進(jìn)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(duì)應(yīng)6個(gè)荷載步，進(jìn)行彈性靜力計(jì)算可得各個(gè)工況下墻體的拉壓應(yīng)力最值,如表2～5所示。

無構(gòu)造柱墻體的自重拉應(yīng)力、負(fù)曲率拉應(yīng)力和正曲率拉應(yīng)力隨著圈梁截面高度的減小而增大，自重壓應(yīng)力、傾斜拉壓應(yīng)力、兩水平方向的拉壓應(yīng)力、負(fù)曲率壓應(yīng)力和正曲率壓應(yīng)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(shí)墻體的自重拉應(yīng)力、負(fù)曲率拉應(yīng)力和正曲率拉應(yīng)力隨著圈梁截面高度的減小而增大，自重壓應(yīng)力、傾斜壓應(yīng)力、兩水平方向的拉壓應(yīng)力、負(fù)曲率壓應(yīng)力和正曲率壓應(yīng)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(yīng)力、傾斜壓應(yīng)力、縱向水平變形拉應(yīng)力、橫向水平變形拉壓應(yīng)力和兩曲率變形拉壓應(yīng)力隨著柱寬的減小而增大，自重拉應(yīng)力、傾斜拉應(yīng)力、縱向水平變形壓應(yīng)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(duì)墻體拉壓應(yīng)力大小的影響很明顯，但柱截面寬度變化對(duì)墻體拉壓應(yīng)力大小的影響較小。

表2 無構(gòu)造柱墻體拉壓應(yīng)力最大值/MPa

表3 240×240構(gòu)造柱墻體拉壓應(yīng)力最大值/MPa

表5 240mm×200mm圈梁墻體拉壓應(yīng)力最大值/MPa

圖7 柱寬對(duì)墻體受力的影響

圈梁截面為240mm×200mm時(shí)墻體的自重壓應(yīng)力、傾斜壓應(yīng)力、縱向水平變形拉應(yīng)力、橫向水平變形拉壓應(yīng)力和兩曲率變形拉壓應(yīng)力隨著柱寬的減小而增大，自重拉應(yīng)力、傾斜拉應(yīng)力、縱向水平變形壓應(yīng)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(duì)墻體拉壓應(yīng)力大小的降低很明顯，最高可達(dá)到68.95%，但柱截面寬度變化對(duì)墻體拉壓應(yīng)力大小的影響較小。

3.2 結(jié)論

墻體的最大主應(yīng)力和最小應(yīng)力在一定程度上反映了特定工況對(duì)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(yīng)力增加，壓應(yīng)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(yīng)力增加，也限制了上部墻荷載的向下傳遞使壓應(yīng)力減小，但有無構(gòu)造柱對(duì)墻體應(yīng)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(yīng)力的拉壓應(yīng)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(duì)墻體拉壓應(yīng)力最值大小的影響較大，圈梁的設(shè)置與否對(duì)墻體拉壓應(yīng)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(duì)墻體拉壓應(yīng)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(duì)墻體拉壓應(yīng)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(qiáng)，還分擔(dān)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(shí)柱截面變化對(duì)墻體拉壓應(yīng)力大小的變化速率小于不設(shè)置圈梁時(shí)柱截面變化對(duì)墻體拉壓應(yīng)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(shí)圈梁截面的變化與不設(shè)置柱時(shí)圈梁截面的變化對(duì)墻體拉壓應(yīng)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)砌體結(jié)構(gòu)的整體性，對(duì)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(duì)墻體的應(yīng)力大小影響較小。構(gòu)造柱主要也是增強(qiáng)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(dāng)承擔(dān)一小部分作用，對(duì)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(huì)引起整個(gè)結(jié)構(gòu)傳力體系混亂。

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