采空區(qū)地層處理對建筑沉降的影響
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摘要：煤炭資源開采引發(fā)的地表變形問題是環(huán)境巖土工程領(lǐng)域的重要研究課題。基于有限元分析軟件ABAQUS，通過數(shù)值模擬方法并結(jié)合實際工程工況，分析了采空區(qū)巖體注漿加固與上方建筑地基處理組合方式下的承載力和變形機(jī)制。結(jié)果表明，注漿加固區(qū)與上方地基層的彈性模量在150MPa（不考慮上部地基彈性模量的影響）和80MPa（不考慮注漿層彈性模量的影響）較為經(jīng)濟(jì)適用；加固區(qū)與上方地基層厚度分別為30m和20m時較為經(jīng)濟(jì)適用。研究結(jié)果可為臨近建筑安全設(shè)計提供理論支撐，亦可為確定經(jīng)濟(jì)合理的地基處理設(shè)計方案提供參考。
關(guān)鍵詞：采空區(qū)；離層注漿；地表變形；數(shù)值分析
1概述
煤炭開采破壞了原有地應(yīng)力平衡狀態(tài)，易引起地表沉陷、臨近建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)過大變形等一系列環(huán)境巖土問題。開展對采空區(qū)影響范圍內(nèi)地質(zhì)環(huán)境綜合治理[1]研究日益受到研究者的重視[2]。自上世紀(jì)五十年代，國內(nèi)外學(xué)者就對三下采煤防治技術(shù)進(jìn)行了大量研究，離層注漿加固技術(shù)是采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理設(shè)計的常用方法[3]。在以往文獻(xiàn)中主要側(cè)重于對采空區(qū)覆巖移動規(guī)律的評價[4-9]，很少從地層之間的相關(guān)性角度去分析問題。因此，文中借助數(shù)值分析方法，考慮覆巖地質(zhì)特性、注漿區(qū)力學(xué)特性及分布范圍，對采空區(qū)上覆地層穩(wěn)定性作出評價，對臨近建筑沉降的影響機(jī)制進(jìn)行研究。
2采空區(qū)上方注漿加固體與地基組合作用理論
等效計算模型：由于采空區(qū)與建筑基礎(chǔ)荷載在地層內(nèi)的影響交叉，需考慮各層的厚度、彈性模量等分層特性的差異性，據(jù)此評價建筑地基穩(wěn)定性，確定地基處理和地層注漿方案，使得建筑沉降控制技術(shù)更符合現(xiàn)場。為了能較真實地反映注漿層、地基的結(jié)構(gòu)特性，文中對建筑與采空區(qū)間地層進(jìn)行簡化分層，如圖1所示。其中H1、H2和H3分別為建筑地基層、注漿加固層和煤系地層厚度值。
3有限元模型與結(jié)果分析
3.1模型建立
本文采用有限元分析軟件ABAQUS，建立的采空區(qū)地層模型如圖2所示。該模型由兩部分組成：基礎(chǔ)部分和上部結(jié)構(gòu)部分，其中基礎(chǔ)部分參照圖1建模，上部結(jié)構(gòu)選用五層的框架結(jié)構(gòu)。模型坐標(biāo)x、y、z方向分別對應(yīng)模型的長寬高，其中地基層和注漿層的總尺寸為100m×100m×50m，采空區(qū)高度為10m，采空區(qū)邊界距模型邊界20m。上部框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)用50m×50m的薄層模擬。地基和注漿層的邊界條件設(shè)為：限制模型四周水平方向的位移，限制采空區(qū)底部豎直方向的位移和三個方向的轉(zhuǎn)角。
3.2材料屬性
本文在對地基層、注漿層和采空區(qū)煤柱進(jìn)行模擬時采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型；上層框架采用線彈性本構(gòu)模型。根據(jù)實際工程地質(zhì)勘查報告，并參考相關(guān)文獻(xiàn)的試驗結(jié)果，模型的材料參數(shù)如表1所示：
3.3結(jié)果分析
根據(jù)上表的試驗結(jié)果建模并分析。為了進(jìn)一步探明注漿加固的影響規(guī)律，得出更具適用性的結(jié)論，用模量和厚度的變化值表示地層的不同處理效果，通過改變地基層的彈性模量和加固層厚度，分析不同工況下的數(shù)值模擬計算結(jié)果，得出適應(yīng)于類似工程的最佳模量和厚度。根據(jù)表1數(shù)據(jù)建模并計算分析，在建筑的自重荷載下建筑物和地層整體模型的沉降云圖如圖3所示。由圖3所示結(jié)果分析可知，在建筑自重荷載下，建筑物和地基整體穩(wěn)定，未發(fā)生建筑傾斜、傾覆現(xiàn)象和地基破壞失效區(qū)。根據(jù)云圖色彩區(qū)分，地層變形在地基層和注漿層的分界處有明顯突變，表明采用注漿加固和處理后的地層，承載能力顯著提高，變形明顯減小。
3.4因素分析
3.4.1模量分析首先，保持地基層的彈性模量為10MPa不變，通過改變采空區(qū)上方注漿加固區(qū)的彈性模量，計算不同彈性模量下建筑基底中心點(diǎn)的沉降值，計算結(jié)果如表2所示。為了更為真實地反映地基的沉降隨建筑物自重的變化規(guī)律，本文將計算按建筑物自重施加比例考慮，模擬建筑物隨自重荷載的沉降歷程?；字行狞c(diǎn)隨時間的沉降變化曲線如圖4所示。分析圖4和表2的結(jié)果可得：提高注漿層的彈性模量可以減小建筑物的沉降。注漿層的彈性模量在50MPa至150MPa時，沉降值減小的速度較快。繼續(xù)提升注漿值的彈性模量沉降值變化速度放緩。從曲線的變化趨勢來看，圖中五條曲線的變化都近似為直線。因此我們可以判斷本工況下，注漿層的彈性模量變化尚未引起地基的塑性變形，地基無產(chǎn)生塑性破壞情況。通過對地基最終沉降值的結(jié)果分析再結(jié)合經(jīng)濟(jì)適用等因素，建議在此工況下將注漿層的彈性模量控制在150MPa。不失一般性，保持注漿層彈性模量不變，通過提高地基層的彈性模量計算不同地基層模量下建筑基底中心點(diǎn)的沉降值。為了最大限度地消除注漿層對計算結(jié)果的影響，將注漿層的彈性模量設(shè)為250MPa。計算結(jié)果如表3所示：基底中心點(diǎn)沉降隨時間的變化曲線如圖5所示：分析圖5和表3的結(jié)果可得：提高地基層的彈性模量，同樣可以有效地減小建筑物的沉降值。將地基層的彈性模量從20MPa提升至80MPa時，地基沉降值減小速度較快。繼續(xù)提升地基層的彈性模量，沉降值的變化同樣變緩。同樣變化地基層的彈性模量，地基隨荷載的變化曲線仍然近似為直線。所以改變地基層的彈性模量也未引起地基的塑性變形。綜合分析本工況下地基沉降的結(jié)果，建議將地基層的彈性模量控制在80MPa。但是，對比上述兩種不同工況下的結(jié)果，我們會發(fā)現(xiàn)改變注漿層的彈性模量的變化趨勢明顯低于改變地基層模量的變化。所以，能夠滿足地基承載力的條件下，改善地基層的彈性模量更加有助于快速減少建筑物的沉降。
3.4.2厚度分析保持地基層的總厚度不變，不斷增加注漿層的厚度，來模擬不同加固層與地基層厚度對建筑物的沉降影響。不同注漿層厚度基底沉降結(jié)果如表4所示。不同厚度下，基底中心點(diǎn)沉降隨時間的變化曲線如圖6所示。由圖6和表4的結(jié)果分析可得：當(dāng)注漿層和地基層的厚度分別為10m和40m的時候，計算并未達(dá)到終點(diǎn)，并且曲線呈現(xiàn)為非線性的變化趨勢，當(dāng)荷載為0.7倍的建筑物自重時，曲線出現(xiàn)一個明顯的反彎點(diǎn)可以判斷，此時地基已經(jīng)發(fā)上塑性變形。計算結(jié)果并未達(dá)到終點(diǎn)表明地基的整體變形過大。發(fā)生此現(xiàn)象說明：當(dāng)注漿層的厚度過小時，地基的變形過大，采空區(qū)上方地層注漿對提高地層承載力、減小建筑沉降效果不大。當(dāng)不斷提高注漿層厚度時，沉降值不斷減少，當(dāng)注漿層厚度為30m時，再增加注漿區(qū)的厚度，沉降值減少的趨勢變緩。當(dāng)注漿層厚度達(dá)到40m時，基底沉降速率變化趨于零，此時的地基層僅為10m?？紤]到施工成本、施工效率等原因，建議注漿層厚度控制在30m時比較合適。
4結(jié)論
（1）采用注漿加固后的地基，在建筑自重荷載下，建筑物和地基整體穩(wěn)定，未發(fā)生建筑傾斜、傾覆現(xiàn)象和地基破壞失效區(qū)問題，效果顯著。（2）針對本工況下，在不考慮上部地基的彈性模量影響時，注漿層的彈性模量在150MPa，在不考慮注漿層彈性模量影響時，地基層的模量在80MPa，能夠滿足地基承載力要求，且經(jīng)濟(jì)合理。（3）在本工況下，保持地基層總厚度不變，增加注漿層的厚度，對地基的承載能力有顯著提高；考慮到經(jīng)濟(jì)適用性等方面要求，建議將注漿層和地基層厚度控制在30m和20m。（4）無論是對采空區(qū)注漿層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對建筑地基進(jìn)行改良，還是增加地基處理層的厚度，均有助于減小建筑物沉降，保證結(jié)構(gòu)安全。改變注漿層的彈性模量的變化趨勢明顯低于改變地基層模量的變化。所以，能夠滿足地基承載力的條件下，改善地基層的彈性模量更加有助于快速減少建筑物的沉降。根據(jù)本文的研究成果可知，可通過優(yōu)化設(shè)計將地基設(shè)計控制在一個經(jīng)濟(jì)、適用、合理的范圍之內(nèi)。
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作者：臧建軍 單位：中煤建工集團(tuán)有限公司