浅层地下水地基加固方案的选择

浅层地下水地基加固方案的选择

目前，在复杂条件（如采动变形、扰动结构和建筑物负荷作用）的共同作用下，建筑物的基本稳定性研究较少，远远不够于设计要求。采用强夯加固地基,施工方便,加固效果好,经济效益显著,但由于地质条件复杂,强夯可能导致断层的活化,断层活化与采空区沉陷共同作用,将导致严重的地表变形,不利于地面建筑物的施工。根据实际工程地质条件,为满足实际工程要求,选择了两种地基加固方式,表土的换填垫层法和断层注浆法。现分别研究其地基加固效果,最终确定适宜的地基加固方式。1下伏石炭系和奥陶纪构造及构造某矿区位于太行隆起东翼,多为新华夏系构造体系,南北构造带及华夏式构造居次要地位。该区褶皱不发育,规模小而平缓,断裂十分发育,地层平缓呈单斜。矿区地表广泛被新生代沉积物覆盖,丘陵区主要为第三系固结卵砾石,低洼处主要为第四系粘土和卵砾石,总厚度70～130m;下伏石炭系和奥陶系地层。石炭系地层为含煤碎屑沉积岩,底部为山西式铁矿和页岩,该系区内残留厚度几米至几百米;岩浆岩为一埋深较大的隐伏岩体,岩性为闪长岩-二长岩-正长岩系列。区内断裂构造发育,走向延长千米以上的断层有14条。大致可分为北北东向、北东向和北西向三组,以北北东向断裂最为发育。北东向和北西向两组仅居附从地位。其中F1断层:纵贯矿区西部,全长10余公里。走向北北东,倾向北西西,倾角60°左右,断层西侧下降,东侧上升,属高角度正断层。本文只研究距离新建建筑物最近的F1断层。2模拟分析的rp2值2.1非均质性参数的引入RFPA2D是一个能模拟岩石从裂纹萌生、扩展直至断裂全过程的数值分析系统,该系统基于连续介质力学和损伤介质力学原理,具有应力分析和破坏分析两方面功能。其显著特点是将岩石类材料的不均匀性参数引入到计算单元中,充分考虑了岩石介质的非均匀性,其优越性在于可以考虑岩层中存在的不连续面,如节理、裂隙以及断层的影响;同时,假定各岩层细观单元为均质、各向同性线弹脆性体,为了充分考虑岩石类材料的非均匀性,假定各岩层细观单元的物理力学性质参数均服从韦伯(Weibull)分布,从而使每一岩层具有相似的物理力学性质。因此,本文将开挖过程岩体介质概化为:由具有开挖孔洞的分层所组成的非线性空间体,各分层具有相似物理学性质,非均质各向同性。用均质度系数m来表征材料的均匀程度,m越大,岩石越均质;反之,则越不均质。本文m值均为1.5。2.2数值模拟结果和分析2.2.1有限元网格模型根据实际工程地质资料,简化的二维研究模型如图1所示,模型沿走向长度为260m,高为160m,划分成260×160共41600个有限元网格。模型的顶部沿走向180～240m处外加建筑物荷载,F1断层倾角为64°。边界条件为:两端水平约束,可垂直移动,底端固定。开挖的煤层分为上下两层,先从上至下依次开挖,煤层自左侧30m处开挖,步距为每步15m,上下两煤层开挖距断层约为20m,利用表1参数来模拟在不同的加载条件下,为满足地基稳定性,选择合理的基础形式和地基加固方式。2.2.2建筑物荷载的地表沉降量根据工程经验,采用条形基础时,办公楼楼层荷载按每层18kN/m2计算,即18kPa的柔性荷载直接施加在地基上,然后每步增加18kPa的建筑物荷载,共增加6步,来模拟建筑物新增荷载对围岩破坏和地表沉降的影响。采用条形基础且未加固地基时最终的围岩破坏剪应力分布图及其地表沉降量见图2。从图中可以看出当加6层建筑物荷载后,表土已出现不同程度的破坏且断层已发生活化现象。地表沉降量图中step14代表开挖完成后地表沉降量,step15为第一次加荷18kPa时地表沉降量,step20为6层建筑物荷载完全加在模型上时的地表最终沉降量。当建筑物高度小于100m时,对于中低压缩性土,沉降量应小于300mm;对于高压缩性土,沉降量应小于400mm。step20沉降曲线最大值已经超过600mm,因此,该方案行不通。众所周知,加大建筑物基础面积可以减小施加在地基上的荷载,因此考虑采用筏板基础运用于本工程中。根据工程经验,采用筏板基础时,办公楼楼层荷载按每层12kN/m2计算。如图3所示。从图中可以看出当加6层建筑物荷载后,表土有少许的破坏,断层仍然发生活化现象。step20沉降曲线最大值仍然大于400mm,因此,此方案仍行不通。2.2.3地面采空场地基土置换由于表土沉降量过大,采用地基处理是治本的措施,在选择地基处理方案时应优先考虑浅层的地基处理,如尚不能满足要求,再考虑深层处理或采用桩基、深基。当在建筑范围内上层软弱土较薄,则可采用全部置换处理,因此采用换填垫层法,利用矿区煤矸石进行地基土置换,在建筑物基础范围内,换填3m厚的煤矸石,参数设置如表2所示。首先还是考虑采用经济实用的条形基础,如图4所示。从图中可以看出当施加6层建筑物荷载后,只有断层发生活化现象,表土基本没有发生破坏,但step20沉降曲线最大值仍然大于400mm,不能满足要求,因此再次考虑筏板基础的使用。图5为采用筏板基础且加固地基时,最终的围岩破坏剪应力分布图及其地表沉降量。从图中可以看出当加6层建筑物荷载后,也只有断层发生活化现象,step20沉降曲线最大值小于400mm。因此采用筏板基础和填换垫层法的结合可以有效减小地基沉降量,满足工程要求。2.2.4注浆加固研究由于采用筏形基础且填换垫层后,断层仍然出现活化的现象,为了防止因断层活化而导致浅层地下水通过断层裂隙流向采空区所造成的浅层地下水流失对生态环境的影响,选择断层的注浆加固处理来避免建筑物荷载对断层活化的影响。注浆材料参数如表2所示。断层加固后围岩的剪应力分布图及其地表沉降量见图6。由图可见,断层没有发生活化的现象。断层加固前后,建筑物下表土的最终沉降量平均值分别为325mm和323mm,沉降量的最大值都出现模型沿走向210m处附近,即出现在建筑物地基中部,也就是说断层加固后地表的沉降量有一定的减小。3地下水断层加固措施1)对于承载能力相对较弱的表土,改变基础选型、选择合理的地基加固方式,可以有效的减小地基沉降量。2)为了防止浅