煤礦采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的抗變形設(shè)計(jì)

李進(jìn)

摘 要：文章通過對煤礦采空區(qū)地表變形的描述與分析，詳細(xì)地探討了破壞煤礦采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的影響因素，提出了對于采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該采取的一些措施，保證了采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)抗變形設(shè)計(jì)的能力。

關(guān)鍵詞：砌體結(jié)構(gòu)；采空區(qū)；抗變形設(shè)計(jì)；構(gòu)造措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.058

1 引言

煤炭在我國屬于不可替代能源，近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭需求量逐年增加，造成了煤炭資源的過度開采，同時形成了大量的煤礦采空區(qū)。采空區(qū)極易發(fā)生地面沉陷、地表移動沉陷等礦山地質(zhì)災(zāi)害，可對已有的地面建筑物造成變形、開裂，倒塌等嚴(yán)重后果。為保證礦區(qū)的正常生產(chǎn)，及國家推行的綠色、可持續(xù)發(fā)展礦山建設(shè)戰(zhàn)略，研究和探討煤礦采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的抗變形設(shè)計(jì)是十分必要的。

2 煤礦采空區(qū)地表沉陷、移動特征

隨著煤礦的開采，采空區(qū)逐漸形成、擴(kuò)大和發(fā)展，在特定的條件下會導(dǎo)致采空區(qū)上覆巖層與其底板巖層的空間應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，使其地表產(chǎn)生較大裂縫、移動和沉陷等破壞形式。總結(jié)其特征如下：受煤層開采的影響，采空區(qū)上覆巖層發(fā)生斷裂及破碎，從而引起了原有地表標(biāo)高、水平位置及坡度的變化。地表標(biāo)高下沉，可在采空區(qū)上方地表形成一個比采空區(qū)面積更大的沉降區(qū)域盆地，其外邊緣區(qū)，由于地表沉降的不均勻性，產(chǎn)生了水平拉伸變形，當(dāng)變形超過地表的承受能力時，地表產(chǎn)生裂縫、臺階或塌陷坑。

3 采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的破壞特征

采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的變形及破壞，是因?yàn)榈乇淼某料菁耙苿悠茐牧似鲶w結(jié)構(gòu)從基礎(chǔ)到上部結(jié)構(gòu)原有的受力體系平衡狀態(tài)，使得砌體結(jié)構(gòu)與地基土之間產(chǎn)生了新的受力體系。在新受力體系平衡狀態(tài)產(chǎn)生的過程中，砌體結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生附加應(yīng)力，這會導(dǎo)致砌體結(jié)構(gòu)的各組成部分發(fā)生不同程度的損壞，從而危及整個砌體結(jié)構(gòu)的安全，嚴(yán)重時會引起砌體結(jié)構(gòu)的倒塌。根據(jù)地表沉陷及變形的不同特征，對砌體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞也不一樣，具體主要有以下幾種破壞特征：

（1）采空區(qū)地表的不均勻沉降，會導(dǎo)致部分地表發(fā)生傾斜、扭轉(zhuǎn)，這樣會使其上的砌體結(jié)構(gòu)同時發(fā)生傾斜變形或扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的重心發(fā)生變化，產(chǎn)生了附加傾覆彎矩及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的附加應(yīng)力。由此，砌體結(jié)構(gòu)可發(fā)生傾斜倒塌或出現(xiàn)縱橫向裂縫及變形，砌體結(jié)構(gòu)將被破壞。

（2）采空區(qū)地表發(fā)生水平位移時，會使砌體結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的拉、壓應(yīng)力。從而導(dǎo)致砌體結(jié)構(gòu)墻壁、基礎(chǔ)和門洞口應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂縫及變形，遭到破壞。

（3）采空區(qū)地表的沉陷可分為：均勻下沉和不均勻沉降。其中地表均勻下沉?xí)r，砌體結(jié)構(gòu)隨地表的下沉，整體沉降，不會產(chǎn)生附加應(yīng)力，因而不會對砌體結(jié)構(gòu)造成破壞。當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生不均勻沉降時，砌體結(jié)構(gòu)會隨地表發(fā)生的傾斜、扭轉(zhuǎn)和移動而產(chǎn)生附加應(yīng)力，隨之產(chǎn)生倒塌、傾斜和裂縫等變形特征，遭到破壞。

4 采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的抗變形設(shè)計(jì)

砌體結(jié)構(gòu)有其自身的特點(diǎn)，取材方便，造價低廉、具有良好的耐火性及耐久性、具有良好的保溫、隔熱、隔音性能，節(jié)能效果好、施工簡單，技術(shù)容易掌握并普及，也不需要特殊的設(shè)備。因此，采空區(qū)大面積的砌體結(jié)構(gòu)建筑在民居結(jié)構(gòu)中占主要組成部分。而工程實(shí)踐證明，采空區(qū)的地基基礎(chǔ)條件、地表變形規(guī)律、建筑結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)體系的選定，對工程建筑物的抗變形性能力有著重要的影響。根據(jù)采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的變形及破壞特征，對采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的抗變形及破壞提出幾點(diǎn)可行的設(shè)計(jì)措施。

4.1 采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)

合理的建筑形體及布置在煤礦采空區(qū)的砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是頭等重要的。采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的建筑平、立面設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡單對稱。因?yàn)椴煽諈^(qū)砌體結(jié)構(gòu)破壞表明，簡單對稱的砌體結(jié)構(gòu)在采空區(qū)地表沉陷和移動時較不容易破壞。而且道理也比較簡單、清楚，沿砌體結(jié)構(gòu)縱橫軸對稱布置縱橫墻的結(jié)構(gòu)可有效減輕應(yīng)力重疊、不容易產(chǎn)生較大附加應(yīng)力，從而造成結(jié)構(gòu)開裂破壞。簡單對稱的第二層含義是，要求砌體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心盡量重合，這樣可避免在采空區(qū)地表移動時，使砌體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大扭矩。最后，簡單對稱的砌體結(jié)構(gòu)比較容易計(jì)算其受力、估計(jì)其在地表沉陷和移動時的反應(yīng)，這樣可科學(xué)的采取抗變形構(gòu)造措施、細(xì)部處理及加固改造。

4.2 采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)要通過綜合分析，采用合理、經(jīng)濟(jì)、受力明確、傳力途徑明晰的靜定或超靜定結(jié)構(gòu)體系，且該體系的結(jié)構(gòu)抗變形能力要較符合結(jié)構(gòu)在地表沉陷和移動時的結(jié)構(gòu)實(shí)際表現(xiàn)。無筋砌體本身是脆性材料，粘結(jié)力較差，抵抗拉伸的能力也較差。因而，采空區(qū)的砌體結(jié)構(gòu)，在較小的地表沉陷及移動作用下， 就會產(chǎn)生裂縫，只能利用圈梁、構(gòu)造柱、鋼筋混凝土加強(qiáng)帶等構(gòu)造措施和合適的基礎(chǔ)去保證砌體結(jié)構(gòu)的整體性和可靠性，使砌體在發(fā)生裂縫時，不致崩塌和散落，從而喪失結(jié)構(gòu)承載力。

4.2.1 加強(qiáng)墻體的構(gòu)造措施

（1）圈梁設(shè)計(jì)。在煤礦采空沉陷和地表移動區(qū)，為增強(qiáng)砌體房屋的空間剛度和整體性，為減少和限制砌體裂縫的發(fā)展，增強(qiáng)墻體的抗拉、抗剪能力，必須在砌體結(jié)構(gòu)設(shè)置圈梁。多層砌體結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆鋼筋混凝土圈梁除應(yīng)按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）的要求設(shè)置外，在實(shí)際設(shè)計(jì)時，還應(yīng)按以下要求設(shè)置：內(nèi)橫墻上的圈梁間距宜比抗規(guī)要求的距離適當(dāng)加密；同一標(biāo)高處的圈梁應(yīng)閉合，且應(yīng)在內(nèi)外墻處均設(shè)置；基礎(chǔ)圈梁應(yīng)在內(nèi)外墻設(shè)置，且布置成閉合的矩形狀；當(dāng)圈梁被門、窗洞口截?cái)鄷r，為不減弱洞口處圈梁的抗拉和抗剪能力，需對洞口上方過梁的配筋進(jìn)行加強(qiáng)，其配筋面積為圈梁主筋與過梁所需鋼筋之和。

（2）構(gòu)造柱設(shè)計(jì)。采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)，受地表沉陷及移動的影響，其破壞主要發(fā)生在墻體水平灰縫，構(gòu)造柱的設(shè)置雖然不能阻止裂縫的產(chǎn)生，但是可以有效減少墻體的水平剪力，從而防止墻體水平裂縫向橫向和另一方向發(fā)展。為增強(qiáng)房屋的剛度和整體性，加強(qiáng)墻壁的水平抗剪切能力，必須在房屋墻壁的合適部位設(shè)置構(gòu)造柱，構(gòu)造柱必須與圈梁整體澆筑，其上下端應(yīng)分別錨固在鋼筋混凝土樓、屋蓋處圈梁和基礎(chǔ)圈梁內(nèi)。對于采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)造柱的設(shè)置除應(yīng)按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）的要求設(shè)置外，在實(shí)際施工圖設(shè)計(jì)時，構(gòu)造柱均應(yīng)按比實(shí)際設(shè)防烈度高一度設(shè)防要求進(jìn)行設(shè)置，并在外墻與橫墻相交處均設(shè)置構(gòu)造柱。

（3）洞口底部鋼筋混凝土加強(qiáng)帶的設(shè)置。設(shè)置了圈梁和構(gòu)造柱的采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)，在地表沉陷時，其破壞主要集中在洞口，其原因是開洞引起的應(yīng)力集中，因而在洞口下部設(shè)置鋼筋混凝土加強(qiáng)帶（加強(qiáng)帶鋼筋錨入構(gòu)造柱）課有效減輕墻體的開裂。

（下轉(zhuǎn)第62頁）

（上接第66頁）

4.2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)應(yīng)具有一定的剛度、強(qiáng)度、整體性和適應(yīng)變形的能力，以抵抗地表沉陷和移動時產(chǎn)生的反應(yīng)，使其盡量減少向上部結(jié)構(gòu)傳遞。采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)可設(shè)計(jì)成剛性基礎(chǔ)、柔性基礎(chǔ)及剛?cè)峤Y(jié)合的基礎(chǔ)。

（1）剛性基礎(chǔ)。采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的剛性基礎(chǔ)做法一般有鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)+剛度較大的基礎(chǔ)圈梁（需對稱配筋）、梁、板式筏形基礎(chǔ)、十字形條形基礎(chǔ)等，考慮到經(jīng)濟(jì)性，一般選用第一種形式。

（2）柔性基礎(chǔ)。采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的柔性基礎(chǔ)是在剛性基礎(chǔ)的做法上衍生而來的一種做法。其一是在砌體上部結(jié)構(gòu)和剛性基礎(chǔ)中間設(shè)置一層水平滑動層（石墨、聚氯乙烯板、油氈等制作），另外還有建立雙板式基礎(chǔ)和千斤頂設(shè)置升降點(diǎn)式基礎(chǔ)等。柔性基礎(chǔ)的作用是有效減少地表沉陷和移動產(chǎn)生的反應(yīng)向主體結(jié)構(gòu)傳遞。考慮到經(jīng)濟(jì)性和施工的難易程度基礎(chǔ)，柔性基礎(chǔ)很少采用。

5 結(jié)束語

煤礦采空區(qū)地面沉陷、移動造成的地面建筑物破壞、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，作為相關(guān)的煤礦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，在今后的實(shí)際工作中，不能僅停留于定量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析上，而應(yīng)該綜合考慮多方面的影響因素，例如，通過對礦區(qū)采空區(qū)建筑物變形和開裂的長期觀測，總結(jié)其規(guī)律及特征，為礦區(qū)新建和加固已有建筑物提供必要的科學(xué)依據(jù)。這樣將會更有效的保證采空區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，最終促進(jìn)我國礦區(qū)建設(shè)的綠色、可持續(xù)性發(fā)展。

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