采動地表穩定性評價與建筑抗變形工藝

朱廣軼, 孫傳博, 高智廣, 趙柏冬, 劉曉群, 郭 影

(1. 沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽 110044; 2. 鶴崗市國土資源局, 黑龍江 鶴崗 154100)

我國是采礦大國和土地資源緊缺的國家,但僅煤礦區沉陷損毀土地已達110×104hm2以上.這些土地因開采沉陷,致使環境遭到破壞而逐漸成為無人居住區.為了規劃和管理沉陷區,我國政府長期投入了巨額資金.但是由于開采沉陷機理復雜,現行規程[1]仍不完善,導致效果并不理想.例如,規程無地表動態移動和殘余移動變形的預測理論出現了開采沉陷分析不到位、工程管理不到位、施工工藝不完善等問題.因此,開展采區地表穩定性評價和新建抗采動變形建筑施工工藝的研究迫在眉睫,對沉陷區的環境治理和經濟發展具有重大意義.

1 預測方法

為研究開采沉陷對建筑的損害,首先應進行地表移動變形的預測,分為靜態、動態和殘余移動變形預測3種.目前開采沉陷預測研究的力學方法處于定性分析階段,為達到工程要求的定量分析精度,國內外應用最多的是隨機介質理論.其中,靜態分析理論更加成熟.

設地下采礦的開采厚度和寬度均為無限小的單位單元,則地表單元下沉量如式(1),

(1)

地表單元水平移動量如式(2),

(2)

式中:r為主要影響半徑;B為水平移動系數.

基于此,近年朱廣軼團隊進行了積分、求導變換,創立了地表動態分析[2]和殘余移動變形分析[3-5]的理論.之后,又開發了靜態、動態和殘余移動變形預測軟件ZMS 9.0(圖1),該軟件[6]集成了3項國家計算機軟件著作權,獲遼寧省科技進步三等獎,遼寧省自然科學成果一等獎,沈陽市科技進步一等獎.

圖1 ZMS 9.0首界面Fig.1 Interface of ZMS 9.0

(1) 靜態分析[著作權號2005SR01050],煤礦開采可視化軟件系統及地表沉陷分析V1.0.目前的規程認為,連續6個月地表下沉不超過30 mm時地表移動結束,此軟件預測即為此時地表移動變形.

(2) 動態分析[著作權號2012SR147151], 開采與地表移動變形動態預測軟件系統V1.0. 它基于文獻[2]中創建的動態移動變形預測函數編程. 預測開采工作面推進過程中地表移動變形的時空關系, 該函數首次完全擺脫了Knothe時間函數的一、二階導數的曲線形態不正確問題.

(3) 地表殘余移動變形分析[著作權號2015SR040940],地表殘余移動變形和危險運動邊界分析的可視化軟件V1.0.這是根據文獻[3]中建立的老采區走向主斷面地表殘余移動變形影響函數,以及文獻[4]中建立的傾向主斷面地表殘余移動變形函數等開發的軟件.因規程認為“連續6個月地表下沉不超過30 mm時地表移動期結束”,目前的規程沒有地表殘余移動變形的概念和計算理論,如何構建地表殘余移動變形預測理論成為國際上關注的熱點[7].2014年,朱廣軼定義了地表殘余移動變形的概念和程度:殘余移動變形是連續的,分為2個階段,第1階段,連續6個月沉降30 mm以后,地表移動變形的增加量趨于0的過程,殘余變形對建筑物影響不大;第2階段,老采區受外來因素影響使其地表產生較大移動變形的過程.在厚煤層和多煤層開采后,地表殘余變形可達到Ⅳ級.

2 地表穩定性評價

2.1 建筑損害等級

受開采影響,建筑物破壞程度取決于地表變形大小及建筑物抵抗變形的能力.根據目前規程第27條,對于建筑長度或變形縫隔開的建筑長度小于20 m的磚混結構損壞等級見表1,土筑平房的破壞等級見表2.

表1 磚混結構建筑物的破壞(保護)等級Table 1 Damage(protection) grade of brick masonry structure buildings

表2 建筑物(土筑平房)破壞(保護)等級與地表變形的關系Table 2 Relationship between damage(protection) grade and surface deformation of buildings(soil buildings)

2.2 地表建筑規劃

采區地表建什么樣的建筑,要根據其經濟開發價值、技術是否可行2方面考慮.要從動態、靜態和殘余移動變形程度及建筑要求等進行全面分析.

當地表移動變形預測值為Ⅰ級,可設計為一般建筑;當地表移動變形預測值為Ⅱ～Ⅲ級,可設計為抗采動變形建筑;當地表移動變形預測值為Ⅳ級,由于地表變形預測的開采范圍與實際開采范圍可能有一定的不一致,造成傾斜變形過大,這種傾斜變形過大雖然可以糾偏,但存在2次投資問題,一般不被采納;當采區地表的使用價值很高時,可設計為可調整變形建筑,否則,一般作為非建筑物用地使用.

例如,在鶴崗市開采沉陷區規劃研究中,對Ⅲ級地表變形區用作抗采動變形的建筑物的規劃區.當地表移動變形預測值為Ⅳ級,把土地使用價值很高的城市熱點區域規劃為可調整結構的建筑.一般區域作為非建筑用地使用.

綜合多年的科研經驗,提出沉陷區規劃治理的6項基本原則.

(1) 全面規劃原則.根據井田規劃的整體開發方案,首先對規劃治理的環境影響進行評價,既考慮其當前造成的影響,又要考慮其對未來的影響.

(2) 對于多煤層、厚煤層開采存在地表變形級別高的問題,可根據開采規劃、各種地表移動變形時間,進行地表建筑物建設時間規劃,以躲開一定的地表移動變形危害.

(3) 對城市及有密集建筑物的區域,應當采取主動措施減少地表沉陷.建筑物應建設為抗采動變形建筑,還可以對覆巖或采空區進行填充加固.

(4) 修建抗采動變形建筑物不是沉陷治理的唯一目標,應當綜合經濟、環境、社會效益等多種因素,對于能提高使用價值的區域應當優先選用提高區域價值的恢復方法.對于能恢復其原有價值的區域,應當以恢復原有價值為基本要求.

(5) 沉陷地作為農業用地時,為保證土壤肥力,可采用表土保護技術、生物復田技術等.

(6) 地表沉陷是無污染的.然而,在以塌陷區作為排放場放置如工業廢料、生活垃圾,或采用有害成分的煤矸石、粉煤灰等回填塌陷坑時,則會造成沉陷破壞和環境污染.為了防止有害成分對地下水和地表土壤污染,應采取措施消除有害成分或采用隔離措施.

3 建筑抗變形方案

開采沉陷對建筑的損害是由采動地基附加應力引起的.分析地表變形與建筑物變形的時空關系,結合建筑物實用要求,采取相應的抗變形措施,以減少和消除結構的附加應力,這是采區新建抗采動變形建筑物的核心問題.對于已有建筑物下壓煤的開采,應選取特殊開采方案,以減小建筑物變形.從建筑安全、回收資源和經濟合理的角度,可選擇的地下開采方案有全柱開采、協調開采、連續開采、對稱背向開采、干凈回采、擇優開采、條帶開采、充填開采等.

3.1 采場和覆巖加固及其檢測方案

(1) 淺部采區開采后,地表新建建筑物時,存在冒落帶發展到地表的危險,必須對采空區進行注漿加固處理.對于經驗不足的加固處理方案要采用加固檢測手段.沈陽大學朱廣軼在2014年9月申報了國家專利“礦區新建建筑物引起的地表殘余變形預測及防治方法”,闡述了對地基注漿加固與檢測方法.

(2) 離層帶注漿方案是在采動過程中進行的.

3.2 抗采動變形建筑規劃設計方案

(1) 建筑的位置.新建建筑的場地應根據地表移動變形預測結果,盡可能選擇在地表變形較小的地區.不應選擇地表移動變形預測結果中將發生不連續變形的地區,如將會產生塌陷坑、臺階、裂縫的急傾斜煤層露頭附近,古井上方,大斷層和火成巖侵入體的露頭地帶和可能產生滑坡的地帶.處于下沉盆地中央的房屋長軸應垂直于煤層走向,處于下沉盆地邊緣的房屋長軸應平行于煤層走向.

(2) 建筑的高度.地表傾斜變形影響居民的生活舒適度,高聳建筑的地表傾斜變形達到一定程度時會影響其安全,故要考慮建筑物在自重形成的偏心載荷作用下的橫截面強度驗算和地基容許承載力驗算.

(3) 建筑的平、立面形狀[8].建筑剛度不均勻分布導致集中附加應力.例如,應避免采用從墻壁內懸挑出的樓梯,此種樓梯既不利于抵抗采動引起的變形,也不利于抗震.采動區的建筑平面布置應盡量規則簡單,采用對稱布置,以矩形為佳.盡量避免復式、躍層、錯層結構.如需建設長度較大的復雜建筑物,則應采用變形縫把建筑物分割為獨立的多個單體,建筑立面形狀應變化均勻,避免有過大的外挑和內收.例如,本溪市彩屯礦區于20世紀80年代,在以水平變形影響為主的地表成功地建設了一些矩形點式住宅樓.

(4) 地基與基礎.地表殘余變形對地基產生的應力通過基礎依次傳遞至上部結構.所以,建筑的抗變形首先是地基與基礎的抗變形.如果地基或基礎出了事故,上部結構無論如何堅固都無濟于事.抗變形建筑地基土壤的各項指標與承載能力應均勻一致,且新建建筑物應盡可能建于承載能力不高的土壤上,不宜建在承載能力高的硬巖石、大塊碎石類土壤及密實性黏土等地基上.因此提出5點可選措施.

① 在滿足基礎承載力的條件下,盡可能減少基礎埋深,如采用鋼筋混凝土條帶基礎,以減少地基對基礎的作用面積.

② 若建筑地基為出露的基巖或堅硬黏土,則在基礎下墊設軟土層或砂層,基礎兩側的回填土應松散,必要時,在地表壓縮變形區設置變形補償溝吸收地表變形.

③ 在基礎與墻體接觸面設置水平滑動層,以減少基礎向墻體及上部傳遞水平力.

④ 設置橫向基礎聯系梁能夠有效地限制縱墻的橫向平面彎曲,提高基礎圈梁的整體剛度.

⑤ 選擇開采方法、采空區或覆巖離層帶注漿等措施,以減小地表變形.

(5)上部結構

① 剛性措施.主要是圈梁和構造柱、承重墻、門窗過梁和套框、橫向基礎聯系梁等.對于抗變形建筑,設計時必須滿足局部性的剛度要求.縱橫墻的布置應遵循不同層上下對齊,同層內連續對齊的原則,墻體在平面內的布置應盡量對稱,整體分布均勻.對于窗洞、窗間墻,應盡量采用高度、寬度、形狀相同的設計,且洞口位置應上下對齊,間隔均勻.對于承受較大應力的承重型墻體,如砌體結構中的承重墻,應盡量不開洞口,使其橫縱方向貫通.對于砌體結構中的磚墻,其縱橫墻應咬槎連接;否則,地表變形會使縱橫墻體連接處產生應力集中,引起墻體損壞.對于采動區建筑,設計時不許使用磚拱過梁、無筋過梁,一般使用鋼筋混凝土過梁,必要時可采用鋼梁、組合梁等.在應力集中,且強度低的門窗口、洞口等位置應采用局部加強措施,如增設加強鋼筋或閉合鋼筋混凝土套框.樓板一般采用現澆的方式,將鋼筋混凝土樓板與梁體澆成一體.因抗采動建筑的剛性設計要求高于其抗震要求,故建筑物的局部在采用了抗變形設計后,此部位就可以不再考慮同樣類型的抗震措施.

② 柔性措施.一般采用的直接附加于建筑物上的柔性措施有水平滑動層和豎向變形縫.

4 地表穩定性評價與新建建筑物工藝流程

4.1 地表穩定性評價及工藝流程

綜合以上研究和對采區地表穩定性評價與新建建筑各過程、各環節的全面分析,提出了一套嚴密的地表穩定性評價與新建建筑物工藝流程,見圖2.

圖2 工藝可選流程Fig.2 The process optional flow

4.2 建筑抗變形工藝效果

在鶴崗市完成的抗采動變形建筑與非抗采動變形建筑對比圖,見圖3和圖4.

圖3 抗變形建筑Fig.3 Anti-deformation buildings

圖4非抗變形建筑
Fig.4 Non-resistant deformation buildings

5 結 論

針對地表移動變形分析和建筑抗變形工藝的研究熱點問題,通過對若干實際科研過程的總結與優化,對采區地表穩定性評價與新建建筑實施各過程、各環節的全面分析,提出了一整套靜態分析、動態分析和老采區地表殘余移動變形分析方法,地基穩定性評價方法,建筑抗變形方案,嚴密工藝流程和沉陷區規劃治理的6項基本原則.依據該評價技術和施工工藝,沈陽大學巖土工程災害防治研究所在我國東北地區、內蒙古地區和安徽省進行了30余項科研工程的實踐,均獲圓滿成功.