地面荷载对老采空区地表移动和二次变形的影响

地面荷载对老采空区地表移动和二次变形的影响

1采空区的不足地下开采引起的岩石上游流动和破坏改变了上岩土层的工程性质，并在采空区破坏了岩体的工程性质条件。即使在开采结束后经过了长时间自然压实,采空区及其上覆岩体中依然存在大量残留空洞、离层、裂缝和冒落区的欠压密、空隙中饱水等现象(问题)。在这种破损地基条件下兴建大型建筑物时,新增建筑荷载必将改变采空区破裂岩体的应力环境,并可能导致破裂岩体的二次变形,进而影响建筑物安全。2采空区覆岩岩体结构及变形规律实测研究表明,地下开采引起的岩层和地表移动延续时间主要取决于采矿方法、上覆岩层的岩体结构和物理力学性质、开采深度和工作面推进速度。一般规律为:开采深度越大、覆岩越坚硬,地表移动延续时间越长。当采深在100~200m时,地表移动延续时间一般为1~2a。有的可达十余年,但大多数不超过5a。地下长壁开采形成的采空区覆岩破裂情况存在明显的分区性,通常根据覆岩破坏程度和导水性能将其划分为垮落带、断裂带和弯曲带(图1)。根据长壁采空区覆岩破坏特征,采空区及其覆岩的岩体结构可分为四类,如表1所示。在采空区及其覆岩中不同位置的岩体结构有较大的差异,这种采动次生岩体结构的差异对采空区覆岩变形规律有重要影响。开采引起的岩层和地表移动停止后,老采空区破裂岩体处于应力相对平衡状态,在破裂岩体应力松弛和外力作用下,老采空区将产生“活化”,地表产生二次变形。这种地表二次变形主要来自两个方面:一是老采空区残留空洞和破裂岩体由于自身强度的应力松弛或外力扰动造成的压密和结构失稳;二是新建建筑物的荷载及其施工和运行过程中产生的附加荷载对老采空区破裂岩体的扰动影响。下面主要分析地面荷载对老采空区“活化”的影响。3破碎地基、老采空区的活化地面建筑物荷载对采动破碎岩体地基的扰动是浅部采动破碎地基或老采空区活化的重要原因之一。地面建筑物的类型、基础型式、荷载大小不同,其作用于地基上的附加应力的分布形式、地基沉降量、地基扰动深度也不同。3.1基础底部附加压力由于修建建筑物,将在地基中产生附加压力。设基础埋深为d,在基础底面中心点的附加压力为:p0=p−γd(1)p0=p-γd(1)式中p0——基础底面的附加压力,kPa;p——基础底面的接触压力,kPa;γ——基础底面以上地基土的容重,kN/m3。3.2地下通道的额外应力地基中的附加应力计算比较复杂,一般采用根据弹性理论推导出的方法。(1)或小体降质作用下的竖向应力布辛尼斯克(Boussinesq)推导出了半空间弹性体内竖向集中力作用下任意点的竖向应力表达式为:σz=3pz32πR5(2)σz=3pz32πR5(2)式中σz——地基中深度为z、到集中力p作用点的距离为R处的竖向应力。(2)附加应力计算根据(2)式,通过积分求解可导出条形面积受竖向均布荷载作用下地基中任一点深度z处的附加应力为:σz=2π(2n1+4n2+arctg12n)⋅p(3)σz=2π(2n1+4n2+arctg12n)⋅p(3)式中n=z/b,b为条形基础宽度。3.3老采空区活性基岩中附加应力确定的原则不同基础型式和不同荷载作用下的地基扰动深度不同,因附加应力扩散随深度而减小。对于软土地基和采动破碎软弱地基,一般当地基中的附加应力为地基土自重应力的10%时,可认为附加应力对该深度处的地基压缩影响甚微;这个深度称为地基受压层深度。低于受压层以下的土层中附加应力很小,其对地基沉降的影响可忽略不计。考虑到采动破损岩土地基“活化”沉降问题的复杂性,为安全起见,建议采用地基中附加应力等于自重应力的5%作为附加应力对采动破裂岩体“活化”变形影响可忽略不计的标准,来确定老采空区上方建筑物荷载地基扰动深度Dz。Dz的确定可根据不同基础型式地基中竖向应力计算公式采用反分析法估计。下面简要分析集中荷载和线荷载时地基扰动深度的估算方法。设地基土的容重为γ,则深度为z处的地基土自重应力为:σcz=γZ(4)即∶Dz→σz=0.05σcz3p2πD2z=0.05γDzσcz=γΖ(4)即∶Dz→σz=0.05σcz3p2πDz2=0.05γDz则集中荷载作用下地基扰动深度为:Dz=(30p/πγ)13(5)Dz=(30p/πγ)13(5)同理,可推导出线荷载作用下地基扰动深度的估计公式为:Dz=2×10pπγ−−−√(6)Dz=2×10pπγ(6)若考虑基础埋深为d时,则地面建筑荷载对地基的最大扰动深度h为:hmax=d+Dz(7)hmax=d+Dz(7)对于矿区建筑工程中常见的独立基础和条形基础建筑物,可近似视为集中荷载和线荷载按公式(5)~(7)估算其地基扰动深度。在一般工程地质条件下,在建筑物荷载作用下产生的地基沉降应全部发生在地基持力层的扰动深度内。4建筑物荷载作用采动稳定后的垮落带和断裂带处于应力相对平衡状态,在受到建筑荷载作用后可能会破坏其平衡状态,从而引起采动破碎岩体的二次移动(活化),继而导致建筑物地基沉降和变形的加剧。因此,因建筑物荷载作用引起采动破碎岩土体“活化”的临界采深至少为建筑荷载地基最大扰动深度和冒裂带最大高度之和,即:H0≥Hli+hmax(8)Η0≥Ηli+hmax(8)冒落断裂带的高度计算方法已在许多文献中给出。显然,当废弃采空区深度大于该临界采深时,建筑物荷载不会直接导致采空区破碎岩体“活化”和产生二次移动。此时,影响地面建筑物安全的主要因素应是地下采空区破裂岩体的自身稳定性问题。5建筑物荷载的扰动在废弃采空区破损地基上兴建大型建筑物时,新增建筑荷载必将改变采空区破裂岩体的应力环境,并可能导致破裂岩体的二次变形,进而影响建筑物安全。废弃采空上方地表的二次变形主要来自两个方面:一是老采空区残留空洞和破裂岩体由于自身强度的应力松弛或外力扰动造成的压密和结构失稳;二是新建建筑物的荷载及其施工和运行过程中产生的附加荷载对老采空区破裂岩体的扰动影响。地面建筑物荷载对采动破碎岩体地基的扰动是浅部采动破碎地基或老采空区活化的重要原因之一。因建筑物荷载作用引起采动破碎岩土体“活化”的临界采深至