老采空區(qū)上方建筑場(chǎng)地地基穩(wěn)定性分析

張興輝

【摘 要】由于煤炭資源的大力開采，使我國中西部地區(qū)形成了大規(guī)模、大范圍的采空區(qū)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口的快速增長(zhǎng)，現(xiàn)有城鎮(zhèn)滿足不了人們的需求，一些工業(yè)廠房和住宅樓不得不建在老采空區(qū)上方。在建筑荷載作用下，老采空區(qū)易引起“活化”，地表會(huì)再次發(fā)生不均勻沉降，建筑物將遭受地表殘余變形的影響，甚至遭到嚴(yán)重破壞。

【關(guān)鍵詞】荷載；活化；地表殘余變形

【Abstract】Due to heavy coal mining，goafs of large-scale and wide range have formed in the central and western regions in our country.With the rapid development of national economy and the rapid growth of population，the existing towns can't satisfy peoples needs.As a result，some industrial buildings and residential building have to be built above old goafs. Under the construction load，“activation” is easy to be caused in the old goafs. Thus，uneven settlements will occur again to the earth surface.The buildings will suffer the influence of the earth surface residual deformation，and even severe damages.

【Key words】Load；Activation；The earth surface residual deformation

煤層采出后，采空區(qū)上覆巖層自下而上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，經(jīng)多年的壓實(shí)，在無外在因素作用下，采空區(qū)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)在其上方新建建筑物時(shí)，建筑荷載傳遞至冒落裂隙帶，引起的采空區(qū)殘余變形將破壞建筑場(chǎng)地地基的穩(wěn)定性，危機(jī)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，開展對(duì)老采空區(qū)上方建筑場(chǎng)地地基穩(wěn)定性分析工作具有非常重要的意義[1]。

1 項(xiàng)目概況

建筑場(chǎng)地?cái)M征地97.7畝，東西長(zhǎng)約400m，南部寬約238m，為不規(guī)則多邊形，位于新密市白寨鎮(zhèn)。該區(qū)位于華溝井田的外圍，屬三李勘探區(qū)的南部外圍區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造為南升北降的高角度高莊正斷層，斷層面傾向20°，傾角80°，斷層落差約30m。據(jù)地質(zhì)資料顯示，擬建場(chǎng)地下方以高莊斷層為界，分布有兩個(gè)二1煤層工作面，其中工作面1的開采結(jié)束時(shí)間已達(dá)13年，工作面2的開采結(jié)束時(shí)間已達(dá)20年，工作面采煤方法為炮采，頂板管理方法為全部跨落法。二1煤層厚約4m，上覆巖層為砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r等，單軸抗壓強(qiáng)度小于20MPa，開采深度為30～140m。擬建工程為12層的住宅樓。

2 建筑場(chǎng)地采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

騰永海等[2]提出了以建筑物荷載影響深度與采空區(qū)冒落裂隙帶發(fā)育高度是否重疊來判斷采空區(qū)地基的穩(wěn)定性。

2.1 建筑物荷載影響深度

建筑物的建造使地基土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起地基變形，出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降，一般地，當(dāng)采空區(qū)地基中的建筑荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力等于地基自重力10%位置處，可認(rèn)為附加應(yīng)力對(duì)該深度處的地基不產(chǎn)生多大影響。該深度即為建筑荷載影響深度（H影）。

假設(shè)擬建建筑物為條形單體樓，長(zhǎng)60m，寬13m，剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，基底埋深4.5m，建筑物的荷載考慮為18kN/m2（系單層建筑面積荷載大?。?dāng)?shù)鼗郊討?yīng)力相對(duì)于地基自重應(yīng)力10%處深度，即為建筑荷載影響深度，經(jīng)計(jì)算，12層條形建筑物的荷載影響深度（H影）為28.5m，見表1。

2.2 覆巖破壞高度估算

冒落裂隙帶的高度主要與煤層傾角，煤層上覆巖層性質(zhì)、煤層厚度、開采尺寸、頂板管理方法等因素有關(guān)[4]。擬建場(chǎng)地下方二1煤層傾角15°，煤層累計(jì)最大采厚約20.0m，上覆巖層為砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r等，單軸抗壓強(qiáng)度小于20MPa，屬軟巖，采用后退式炮采，頂板全部垮落的管理方法，因此，采用公式

根據(jù)勘查報(bào)告中鉆孔勘查成果，ZK01的冒落裂隙帶高度約28m，ZK02的冒落裂隙帶高度約35m。結(jié)合公式計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)值和實(shí)際鉆孔揭露值確定，擬建場(chǎng)地下方采空區(qū)的冒落裂隙帶最大高度為35m。

2.3 建筑場(chǎng)地地基穩(wěn)定性

煤層開采后，采空區(qū)的冒落裂隙帶不再因建筑荷載擾動(dòng)而重新移動(dòng)時(shí)，最小采深（H臨）應(yīng)該大于冒落裂隙帶高度（H裂）與建筑荷載影響深度（H影）兩者之和[5]，即：

H臨>H裂+ H影

當(dāng)實(shí)際采深大于H臨時(shí)，擬建建筑荷載不會(huì)使冒落裂隙帶重新移動(dòng)，即采空區(qū)地基處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)實(shí)際采深小于H臨時(shí)，覆巖和地表會(huì)再次發(fā)生較大的不均勻移動(dòng)，采空區(qū)“活化”，采空區(qū)地基處于不穩(wěn)定狀態(tài)冒落裂隙帶與建筑物荷載影響深度關(guān)系見圖1。

根據(jù)前面的計(jì)算，H裂=35.0m，擬建12層建筑物的荷載影響深度（H影）為28.5m，兩者之和63.5m。而該建筑場(chǎng)地煤層開采深度為32～140m，依據(jù)以上給出的判斷式，可以得出新建12層住宅樓，其荷載會(huì)破壞采深小于64m煤層采空區(qū)的地基穩(wěn)定性，易導(dǎo)致采空區(qū)“活化”，地表將發(fā)生殘余變形。見圖2。

3 地表殘余變形預(yù)測(cè)

地表殘余變形計(jì)算方法有典型曲線法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法、概率積分法和數(shù)值法等，其中概率積分法具有參數(shù)容易確定、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各礦區(qū)使用比較廣泛，是最常用的方法[4]。本次地表殘余變形即采用這種定量分析方法。

3.1 參數(shù)的選取

結(jié)合擬建場(chǎng)地所在礦區(qū)覆巖巖性、地質(zhì)條件、開采情況等，選取參數(shù)見表2。

3.2 地表殘余變形預(yù)測(cè)結(jié)果

將上述確定的地表殘余變形參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，采用中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的開采沉陷MSPS軟件[6]，預(yù)算采空區(qū)殘余變形，殘余變形值見表3，殘余變形下沉等值線見圖3。

4 建筑場(chǎng)地遭受地面塌陷危險(xiǎn)性

依據(jù)文獻(xiàn)[4]中，長(zhǎng)度或變形縫區(qū)段內(nèi)長(zhǎng)度小于20m的磚混結(jié)構(gòu)建（構(gòu)）筑物損害等級(jí)劃分表， 和文獻(xiàn)[7]，地表傾斜大于10mm/m，地表曲率大于0.6mm/㎡或地表水平變形大于6mm/m的地段為不宜作為建筑場(chǎng)地；地表傾斜為3～10mm/m，地表曲率為0.2～0.6mm/㎡或地表水平變形為2～6mm/m的地段作為建筑場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)評(píng)價(jià)其適宜性。

再依據(jù)文獻(xiàn)[8]中建筑物的地基變形允許值表示，對(duì)于大于24m小于等于60m建筑物高度，其傾斜允許值為3mm/m，基礎(chǔ)平均沉降量允許值為200mm。

依據(jù)以上規(guī)程、規(guī)范，將地面塌陷變形對(duì)建筑場(chǎng)地影響程度分為危險(xiǎn)性大、中等、小等，見表4。

結(jié)合表2、表3，預(yù)測(cè)分析認(rèn)為擬建場(chǎng)地南部厚煤層區(qū)及高莊斷層附近（A區(qū)、B區(qū)）采空區(qū)地表殘余變形強(qiáng)烈，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大，面積約31277m2；評(píng)估區(qū)南部及高莊斷層北部（C區(qū)）地表殘余變形較強(qiáng)烈，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性呈中等，面積約184242m2；評(píng)估區(qū)北部（D區(qū)）地表殘余變形不強(qiáng)烈，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小，面積約32113m2。見圖4。

5 結(jié)論

1）新建建筑物對(duì)地面存在荷載力，當(dāng)荷載傳遞到冒落裂隙帶，會(huì)導(dǎo)致基本穩(wěn)定的采空區(qū)上覆巖層受壓負(fù)荷或受到震動(dòng)，改變其內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，破壞其力學(xué)平衡，使采空區(qū)再次失穩(wěn)活化，引起地表移動(dòng)變形。

2）采空區(qū)開采后殘留較多煤柱，在外在因素影響下可導(dǎo)致煤柱失穩(wěn)破壞，造成地表再次發(fā)生不穩(wěn)定塌陷，對(duì)地表建筑物產(chǎn)生影響。

3）在采空區(qū)上方進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況采取壓力灌溉地基處理措施、建筑物抗變形結(jié)構(gòu)技術(shù)措施及禁采措施，確保建筑場(chǎng)地受采空區(qū)的影響達(dá)到最小。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：田吉捷]