采空区场地高层建筑地基稳定性评价

Industrial Construction Vol.39,Supplement ,2009 工业建筑　2009年第39卷增刊采空区场地高层建筑地基稳定性评价朱元武1　刘春香2　贺金强1(11中国矿业大学岩土工程新技术发展有限公司,江苏徐州　221008;21中国矿业大学资源与地球科学学院硕,江苏徐州　221008)摘　要:在采空区地表新建建筑物,关系到建筑物的长期安全性,应慎重对待。

根据收集的地质资料,利用概率积分法计算了采空区现状条件下已经发生的沉降,并对采空区未来建筑物荷载作用下的残余沉降进行了预测。

分析了老采空区“活化”的可能性,并对地基的稳定性以及作为建筑场地的适宜性进行了评价。

关键词:概率积分法;残余沉降;地基稳定性STABIL IT Y EVAL UATION OF FOUN DATION FOR TALL BUI LDING S IN G OB SITESZhu Yuanwu 1　Liu Chunxiang 2　He Jinqiang 1(11G eotechnical Engineering Development C o 1,Ltd ,China University of Mining &T echnology ,Xuzhou 221008,China ;21S chool of Resources and G eoscience ,China University of Mining &T echnology ,Xuzhou ,China )Abstract :It is a long 2term security of the buildings while constructing the buildings in the surface of a gob site 1So it should be treated caref ully 1Based on the collection of geological data ,using the method of probability integration ,the settlement of the gob site was calculated 1Besides ,the residual settlement was forecasted due to the load of future buildings the site 1The possibility of activating old gobs was analyzed ,the stability of foundation as well as the suitability of the site were evaluated 1K eyw ords :probability integration ;residual settlement ;stability of foundation收稿日期:2008-09-02 采煤沉陷问题已经成为影响我国煤炭开采为主的资源型城市经济发展和社会稳定的重大问题。

目前,我国各大矿区的采煤沉陷区治理工程已经全面启动,但在采煤沉陷区的拆迁新建选址工作中,出现了建设用地紧张、选址困难的突出问题,多数地方已经无地可选。

因此,合理开发利用采煤沉陷区土地,是确保国家采煤沉陷区综合治理政策尽快得到落实的迫切要求。

在一般地基条件下,要求建筑地基需要同时满足下列二个技术条件:一是地基变形条件,指地基的沉降量、沉降差、倾斜与局部倾斜不应超过国家G B 50007-2002《建筑地基基础设计规范》规定的地基变形允许值;二是地基强度条件,在建筑物荷载作用下,应确保地基不发生剪切或滑动破坏。

但在采煤沉陷区上兴建建筑物,其地基稳定性还要受到其他众多因素的影响:1)采煤沉陷区地基下方存在老采空区裂缝带等不良的岩土结构。

与一般建筑场地的优良地基相比,老采空区裂缝带破裂岩体形成的地基下卧层对采煤沉陷区地基稳定性具有重要影响。

2)采煤沉陷区地基稳定时间受采煤沉陷稳定时间的影响。

3)采煤沉陷区地基的沉降受采煤沉陷区残余沉降的影响。

4)采煤沉陷区地基所处的应力环境更加复杂。

采煤沉陷区建筑地基除受建筑物自身荷载产生的附加应力场作用外,还受到地表残余移动变形形成的附加应力场的影响。

所以,采煤沉陷区地基应满足更加严格的强度条件。

因此,必须对采煤沉陷区建筑物地基的稳定性进行充分分析,以保证采煤沉陷区地面兴建建筑物的安全可靠。

1　采空区地基处理及建筑物保护技术措施在采空区地表新建建筑物时,通常要对其采空区的稳定性进行评价,计算地表残余沉降变形。

当地表残余沉降变形比较均匀、变化平缓,且数值较小时,建筑物只要采取适当的抗变形结构保护措施就可以确保建筑物的安全,可不必对采空区进行处理;837对于采深较小(如小于150m)的部分开采后形成的采空区,由于其地表较长时间处于不稳定状态,或在外在因素的影响下使地表产生较大沉降、抽冒,在这类地表新建建筑物,一般应对地下采空区采取处理技术措施,确保采空区不再发生较大的沉降量,建筑物采取适当的抗变形结构保护措施抵抗采空区处理后的残余变形;对于采深较小的长壁开采后形成的采空区,如果残留煤柱较多,地表残余沉降变形值较大,也应对采空区进行处理并采取抗变形结构保护措施;对于采深较大的部分开采后形成的采空区,考虑其一般不会产生剧烈沉降,如采用采空区处理措施,势必增大建筑成本,抵抗今后可能的地表残余沉陷变形,可只采取建筑物抗变形措施。

2　采空区稳定性分析实例拟建建筑物场地位于山西采煤场地上方,住宅楼长37～59m,宽17～24m,1～3号楼层高10～15层,4～6号楼层高21层,经勘察发现该场地多处发现煤层及采空区,所以需要对采空区的稳定性做出评价,以便评价建筑场地的适宜性。

211　地层结构研究区出露的地层有:奥陶系(O)、石炭系(C)、二叠系(P)和第四系(Q)。

煤系地层总厚度220～260m。

212　地表沉陷现状估算根据矿区的地表移动实测成果资料,结合研究区的地质采矿条件,研究区开采引起的地表移动和变形特征符合地表移动的一般规律,在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[3]中,推荐采用概率积分模型进行采空区地表沉降的数值计算,故本次研究采用概率积分模型进行计算分析。

结合矿区已有的采空区地面观测成果,通过工程类比的方法,分析研究区场地的开采范围、终采时间、现阶段采空区岩体的密实度等因素,综合给出以下计算参数,见表1。

表1　地表移动变形计算参数煤层下沉系数q水平移动系数b主要影响角正切tanβ拐点偏移距s/H煤层倾角α开采影响传播角θ/(°) 13号、15号煤0172～0184012931540108(走向)0106(倾斜)5°～12°67～73 由于13号、15号煤采空区分布的形态不规则,为了方便计算,采用顺煤层走向划分成若干矩形工作面,用多个矩形工作面组合代替不规则形态的工作面。

通过地表移动变形预计,截止到目前为止,研究区地表已形成的移动变形情况见图1所示。

图1　研究区地表已发生的移动变形示意图　mm 由于15号煤厚度大,因此,最大地面下沉发生在拟建场地南端1号、2号楼之间地段。

从现状计算的结果可以看出:在已经过去的地表沉陷变形活跃期,研究区内的地表沉陷变形指标值均较大幅度的超过了规定的建筑物保护煤柱的允许地表变形值。

在现状条件下,已发生的地面变形只是反映研究区的地面沉降历史,真正需要研究的问题是研究区的未来地面变形情况。

213　残余沉降变形预计对于研究区而言,截止到现今已发生的地表变形越大,则其残余变形将相对越小,地表移动期也就越短,对于场地的稳定性是有利的。

研究区的建设是现今以后的工程,因此,在现状条件下,对其今后的残余沉降的预计具有更重要的实际意义。

根据前面预计参数,对研究区今后地表残余移动变形情况进行了预计,主要针对建筑物敏感的沉降和倾斜,预计了残余下沉等值线,详见图2。

根据预计的地面变形结果,研究区在未来因采空区继续压实过程中的地面沉降量约为10～20mm,13号煤的采空区沉降量相对较小,15号煤的采空区沉降量相对较大。

未来的地面倾斜主要集中在15号煤的采空区的北缘,对1号、2号、3号楼影响较大,若不处理可能会对拟建建筑物造成拉伸破坏。

937图2　研究区地表的残余沉降预计　mm/m214　研究区场地稳定性分析在现状条件下,研究区内的13号煤、15号煤已经终采多年,地表移动变形的活跃期早已结束,衰退期也应基本结束,场地稳定性影响因素主要为残余的地表移动变形和老采空区“活化”。

老采空区“活化”是指废弃采空区垮落堆积物及其上覆岩土体在外界因素影响下,物理力学性质发生变化,导致地表残余变形发生异常变化。

对“三带”特征进行分析可以看出,老采空区的“活化”,主要体现在冒落带岩层空隙的压密和弯曲下沉带离层裂缝的闭合,是采空区场地内外因素综合影响的结果。

内部因素如开采深度和煤层厚度、覆岩岩组的组合情况等,外界因素一般指地下水及其水位大幅度升降、地震作用、地面动荷载、地表建筑物荷载和地面堆载、爆炸荷载、邻区开采影响等。

主要可从以下几个方面分析:1)采空区破碎岩体在地下水和空气作用下发生风化和强度衰减,在上覆岩体荷载下将会产生再压实。

对研究区场地而言,随着采矿活动的持续、城市规模的扩大,而且该区是一个缺水城市,地下水位的变化趋势应是继续下降,即使采取人工保护措施,也只能遏制地下水位下降的幅度或保持不变。

因此,地下水的变化不会影响到老采空区“活化”。

2)由于外力作用,造成采场上覆岩体结构再次失稳变形,这些外力主要包括:地震力、区域地质构造活动引起的构造应力、爆破震动等。

该区抗震设防烈度为7度,地震影响达到破坏程度的可能性较低,而且研究区处于市区,周边已不存在采矿活动,因此,研究区因外力作用导致采空区“活化”的几率不大。

3)当建筑物建在采空区影响范围以内时,可按《工程地质手册》[4]公式6-4-9验算地基的稳定性,设拟建建筑物基底单位压力为p0,当巷道顶板的埋藏深度增大到一定的深度时,顶板岩层恰好保持自然平衡(即作用在采空段顶板上的压力Q=0),此时的H称为临界深度H0,则:H0=Bγ+B2γ2+4BγP0tan<tan2(45o-<2)2γtan<tan2(45o-<2)式中:H0为临界深度,m;B为巷道宽度,m,按3m 进行计算;γ为地层平均密度,平均取25kN/m3;P0为建筑物基底单位压力,按21层估算为420kPa;<为摩擦角,取平均值30o。

评价标准:当H<H0时,地基不稳定;当H0< H<115H0时,地基稳定性差,当H>115H0时,地基稳定。