扰动土性状研究及在环境治理工程中的应用.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 0 4 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N O ．6 N O V ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 6 0 6 3 1 0 4 扰动土性状研究及在环境治理工程中的应用 于广云，夏军武，盛平，王立波 中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要地下采煤等地下开采活动造成的地面沉陷破坏日益加剧，尤其是地表下沉对建筑物、桥 梁、公路、铁路等设施造成的影响不容忽视本文采用扰动土的观点，将采动区地表土体视为受开 采扰动土体，采用数值模拟、现场取样等手段，研究了土体在受地下开采扰动影响下的应力路径、 物理性质的变化及抗剪强度指标的变化规律．研究表明，地下开采对土体含水量、土体孔隙比等 地表土物理力学性质有较大影响．最后给出了一个用扰动土理论指导进行地基加固的工程实例． 关键词采动区；扰动土体；铁路桥；环境工程 中图分类号T D3 2 7文献标识码A R e s e a r c ho nD i s t u r b e dS o i la n dI t sA p p l i c a t i o n ●1 一 ●1 1 一 ●’ i n 乜n v l r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g Y UG u a n g y u n ，X I AJ u n ～W U ，S H E N GP i n g ，W A N GL i b o S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t U n d e r g r o u n dm i n i n gl e a d st om i n i n gs u b s i d e n c e ． I ti sd i s a d V a n t a g e o u st ot h eb u l d i n g s ， b r i d g e s ，h i g h w a y sa n dr a i l w a y s ．B a s e do nt h ed i s t u r b e ds o i lt h e o r y ，w et h i n kt h et o p s o i li nm i n i n g a r e a sa st h ed i s t u r b e ds o i lb yu n d e r g r o u n dm i n i n g ．B yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n ds a m p l e s e x p e r i m e n t s ，t h es t r e s sp a t h so ft h ed i s t u r b e ds o i la n dt h ec h a n g i n go ft h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n d t h em e c h a n i c sp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d ．I ti n d i c a t e st h a tt h eu n d e r g r o u n dm i n i n ge f f e c t so nt h e p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ed i s t u r b e ds o i l ，s u c ha sm o i s t u r ec o n t e n t ，f r a c t i o nv o i de t a 1 ．F i n a l l y ，a ne n g i n e e r i n ge x a m p l eu s i n gt h ed i s t u r b e ds o i lt h e o r yt or e i n f o r c et h ef o u n d a t i o nw a s p r e s e n t e d ． K e yw o r d s m i n i n gs u b s i d e n c ea r e a s ；d i s t u r b e ds o i l ；r a i l w a yb r i d g e ；e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g 各种岩土工程活动对土体都会造成一定程度 的扰动．随着科学技术的发展，人们对各种工程活 动对土体扰动影响的认识正在不断的深入．易宏伟 等对盾构施工对软黏土的扰动机理进行了分析，并 用现场测试的比贯人阻力和孔隙水压力来验证，得 出用这两个参数来研究施工工程的土体扰动是可 行、有效的[ 妇；徐建平等认为，土体受施工扰动的特 性主要表现为应力状态和应力路径的改变、工程性 质的变异，对基坑开挖、桩基施工、强夯及盾构隧道 掘进等典型施工作用下，周围土体所产生的扰动影 响进行了系统研究[ 2 3 ；张梦喜结合兰州地区黄土的 特点，较系统研究了受基坑开挖、打桩、强夯等扰动 影响引起的黄土工程特性的变化[ 3 ] ．目前对扰动土 体的研究主要集中在施工活动对土体的扰动影响 上，如基坑开挖，盾构施工等对土体的扰动．波兰学 者L i t w i n o w i c z 曾对采动区受横向作用的土体强度 变化作了一定的理论研究[ 4 ] ． 长期以来，人们利用传统的土力学理论与方 法，以天然状态的原状土为研究对象，进行有关物 理力学特性的研究，并将其结果直接用于受开采扰 动影响的土体强度、变形与稳定性问题，显然这并 不符合由地下开采所引起的周围土体的应力状态 收稿日期2 0 0 3 1 0 一1 0 作者简介于广云 1 9 6 4 一 ，男，江苏省徐州市人，中国矿业大学副教授，工学硕士，从事环境岩土工程方面的研究 万方数据 6 3 2中国矿业大学学报第3 3 卷 改变、结构变化、土体变形、失稳与破坏的发展过 程，给工程建设带来了一定安全隐患[ 3 ] ．因此有必 要针对开采扰动土体的特点，对其所受应力状态、 物理力学特性等作深入研究． ； 1受开采扰动土体的应力状态变化 1 ．1 地表土体的变形机理 地表土体是一相对概念．对于基础工程而言， 基础埋深一般不超过1 0 0m ．因此在此将距地表 1 0 0m 范围内的土体称为地表土体．地表土体往往 受地下多个工作面开采的影响，其受力情况十分复 杂．不失一般性，为定性研究土体在受单个工作面 影响下的受力特性，对采动地表土体进行了二维弹 塑性有限元分析．分析所采用的模型长20 0 0m ， 高度7 0 0m ，煤层厚度5m ，煤层埋深5 0 0m ，开采 的煤层长度5 0 0m ，采用全部垮落法管理顶板． 岩层的冒落、开裂、弯曲和下沉使上部土体也 随之产生变形和移动，改变了其初始应力状态，主 应力产生重新分布．最大、最小主应力分布如图1 所示．颜色由浅至深表示应力数值由小到大． 根据不同应力状态，将地表土体分为双向拉应 力区和压应力区 1 双向拉应力区 在模型顶部两侧出现双向拉应力区，即最大主 应力和最小主应力均为拉应力．这一区域地表土层 开采长度／m 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 芷．0 ．5 蛊一1 ．0 倒 州．1 ．5 ．2 ．0 a 压应力区 a 最大丰应力 ”最小丰应力 图1 最大、最小主应力图 F i g ．1 T h em a x i m a la n dm i n i m a lp r i n c i p a ls t r e s s e s 为下沉盆地的正曲率区，位于沉陷盆地边缘，受拉 应力作用，土体开裂；岩层中拉应力区分布在煤层 顶板上部． 2 压应力区 在模型顶部的正中出现压应力区，即最大主应 力和最小主应力均为压应力，这一区域地表土层为 负曲率区．位于下沉盆地的正中，土体受挤压作用． 1 ．2 土体应力路径 土体应力路径的改变直接导致了采动区地表 土体的物理力学性质的变化，因此研究采动区地表 土体的应力路径对于研究地下开采对地表土体物 理力学性质的影响具有重要的意义． 由有限元分析可以看出，在采动区地表受压 区，当工作面开采长度达1 0 0m 前，盯。，氏方向变化 不大，之后，盯。呈微弱变化，盯。呈较快增长趋势．图 2 给出了位于受压区正中和双向受拉区节点的应 力路径． 山 茎 ＼ R 毯 W 开采长度／m b 拉应力区 图2 地表压应力和拉应力区节点应力路径 F i g ．2M a j o ra n dm i n o rp r i n c i p a ls t r e s s e si nc o m p r e s sa n dt e n s i l es t r e s sf i e l do fs u r f a c es o i l 2 受开采扰动土体物理性质变化 土的物理性质指标反映土的工程性质特征，具 有重要的实用价值．在此，采用现场钻取土样，研究 开采扰动对土的物理性质的影响．试验土样取自某 矿区采动区，共取3 批土样．3 批土样的取土地点 相距在1 0 0m 之内，忽略土体物理性质在水平方 向上的变异性．各土样均为黏性土．取土时间及与 工作面相对位置见表1 ．土样1 为原状土，土样2 和土样3 是受开采扰动的土样． 表1取土时间及与工作面相对位置 T a b l e1 S a m p l i n gl o c a t i o n sa n ds a m p l i n gt i m e 2 ．1 含水量变化 各批土样含水量随深度变化如图3 ．由图3 可 以看出，由于开采扰动的影响，土体的含水量发生 了明显的变化．土体含水量基本上经历了一个先增 加后减小的变化．但由于各层位的土性不同，各个 万方数据 第6 期于广云等扰动土性状研究及在环境治理工程中的应用6 3 3 层位土的含水量变化幅度并不一致． - 6 - 8 鑫m 账J 2 _ 1 4 一1 6 “永／％ 1 02 03 04 05 0 图3 扰动土体含水量变化 F i g ．3 M o i s t u r ec o n t e n tc h a n g eo fd i s t u r b e ds o i l 2 ．2 孔隙比变化 图4 给出了各批土样的孔隙比随深度的变化 规律，从中反映出扰动土体的孔隙比变化同样是一 个先增加后减小的过程．土体在开采扰动中期的孔 隙比大于开采前的孔隙比，但在开采扰动后期的孔 隙比又降至受开采扰动前． 孔隙比 0 40 60 R1D12I4 ．6 ．8 g 一1 0 嫠一1 2 ．1 4 ．1 6 图4 扰动土体孔隙比变化 F i g ．4 F r a c t i o nv o i dc h a n g eo fd i s t u r b e ds o i l 2 ．3 液性指数变化 液性指数又称稠度，是反映土的软硬程度的重 要指标．由图5 可看出，3 次土样的液性指数依次 递减，反映出土样的软硬程度也是依次递增，即土 样1 最软，土样3 最硬． g ＼ 越 赚 图5 扰动土体液性指数变化 F i g ．5L i q u i d i t yi n d e xc h a n g eo fd i s t u r b e ds o i l 3 受开采扰动土体力学性质变化 土体受开采扰动的影响，其物理性质发生了明 显变化，其力学性质势必也会改变．根据结构性黏 土的理论，由于孔隙比的变化，破坏了土体中原有 的结构，导致其黏聚力、内摩擦角等力学性质的改 变．通过对以上3 批土样进行直剪试验，研究了开 采扰动对土体剪切指标的影响． 从图6 ，7 可见，土体的剪切指标即内摩擦角和 凝聚力均是先减小后增大这样一个变化过程．也可 认为土体强度经历了一个先减小后增大的过程． 内摩擦角／ 。 051 01 52 02 53 03 54 0 图6 内摩擦角≠变化 F i g ．6 C h a n g eo ff r i c t i o na n g l e 一6 8 三．1 0 趟 醛．1 2 ．1 4 ．1 6 凝聚力／l 【P a 01 02 03 04 05 06 07 0 图7 凝聚力C 的变化 F i g ．7C h a n g eo fc o h e s i o n 4 工程实例 4 ．1工程概况和工程地质状况I - 5 ] 某矿区专用铁路桥是1 9 9 7 年3 月投入使用 的，桥总长7 2 ．2m ，总宽1 8 ．1m ，由1 8 个钢筋混凝 土箱形框架组成，每个框架纵向长1 2m ，框架横向 宽6r e a 1 0 。 ，框架总高8m 或9m ，箱型框架之 间设5 0m m 沉降缝．箱体平面布置图及立面图分 别见图8 和图9 ．该桥位于该矿首采区，该矿于 2 0 0 3 年1 月开始开采桥体正下方的煤层，煤层总 厚度为8 ．5I D - ，分为两层开采，第一层开采厚度为 5m ，第二层开采厚度为3 ．5m ，预计地表总下沉量 为8 ．2 4 8n l ，沉陷过程是不均匀的．为保证桥体在 开采下沉过程不中断铁路运输，必须结合地基土受 采动影响的特性，研究桥体结构的受力和变形状 态，确定最有效的加固改造方案． 图8 箱体平面布置图 F i g ．8 P l a nc o n f i g u r a t i o no ft h eb r i d g e 石 堪 邶 m 出 啪 g ＼瑙醛 万方数据 6 3 4中国矿业大学学报第3 3 卷 暑 寸o - l f I I l ⋯。I I l 匡 。0 r ／ 、 卮。。。11 0 0 0 o ．【10 0 0 010 6 ∞ √ o Jk 一‘ 一．o ． - 1 0 0 0 a ￡j ．‘．’1 7 ．3 3 ．呼一 垣3 3 I 1 2 0 0 0 1 2 0 0 01 3 0 0 0 【 ● ．5 05 05 0 图9 箱体立面图 F i g ．9 S i d ev i e wo ft h eb r i d g e 根据对桥下地基的钻孔勘察，各地层的含水量 达到或接近饱和状态，地层层位稳定，无不良地质 现象．地下水类型为潜水，微具承压性．地下水对各 种水泥混凝土均无侵蚀性．桥下地基工程地质勘察 结果见表2 ． 表2 桥下工程地质状况 T a b l e2 G e o l o g i c a lC o n d i t i o nu n d e rt h eB r i d g e 层数 l 2 3 4 5 名称厚度／m承载力／k P a 压缩模量／M P a 黏土 砂黏土 黏砂土 黏土 砂黏土 8 ．2 7 ．9 7 ．9 1 0 ．9 4 ．2 地基处理 根据以上的研究成果，地基土在受地下开采扰 动过程中，物理力学性质均发生了不同程度的改 变，其中土体的f ，≯值在采动过程中有降低的过 程，尽管在采动后期f ，声值会恢复性增长，但土体 强度降低会严重影响上部结构的安全．为了保证上 部结构在整个受采动影响期间能够安全、稳定，必 须对桥下地基进行加固处理． 高压旋喷桩在箱型框架桥内施工方便，底板钻 孔直径小 ≯7 5 ～1 0 0r a m ，对底板承载能力影响较 小．旋喷桩承载能力大，施工工艺简单．因此，决定 采用高压旋喷桩复合地基方案加固桥基．在每个箱 型框架桥下进行高压旋喷施工，使每个箱型框架桥 下的土和旋喷桩组成复合地基，保证每个箱型框架 桥都可以独立变形．根据该桥的工程地质情况，决 定采用中等直径的高压旋喷桩进行桥基加固，选第 五层砂黏土作为持力层，加固深度为1 0m ，旋喷桩 有效直径0 ．7 5m ． 4 ．3 桥体的健康监测 为了实时掌握桥体在下沉过程中的受力状况， 对可能发生的工程事故进行有效的监控，我们设计 了一套桥体工作状态的监测系统．该监测系统由桥 体的应变监测系统构成．测点选在应力分布较大 处，4 号箱形结构顶面布置4 个测点，每个测点贴2 片应变片．测点采用半桥连接方式．其余6 ，1 0 ，1 2 号箱形结构点布置和联机与接桥方式与4 号箱形 结构相同．2 0 0 3 年3 月3 日至2 0 0 3 年4 月8 日的 监测结果见图1 0 ． 测点1 测点2 ，； o 蚕； 3 日7 日1 1 日1 5 日1 9 日2 3 H2 7 日3 1 E l4 日8 日 2 0 0 3 年3 B 2 0 0 4 年4 f J 日期 图1 0 各测点应变观测值 F i g ．1 0 M e a s u r e ds t r a i nc h a n g e sa td i f f e r e n tl o c a t i o n s 由图1 0 可以看出，处于同一测点的两应变片 的应变变化规律基本一致，在开始阶段呈不断增 大，以后则呈波浪形变化，由此可以认为同一箱体 在下沉过程中还是比较均匀的；由于桥梁的下沉不 是绝对均匀的，所以在变化幅度上有一些变化，表 明箱体在下沉过程中在某一侧有比较大的沉降．但 各点出现的最大应变均未超过极限值，表明桥体的 运行状况良好．经过近一年的观测，该桥已平均下 沉4 以上，未发生任何影响铁路运输的工程事故． 5 结语 地下开采活动对地表土物理力学性质的影响 主要表现在1 土体含水量、孔隙比均为先增加后 减小；土体塑性指数逐次递减．2 土体抗剪强度指 标C ，乒的值均为先减小后增大． 通过以上的工程实例，采用扰动土的有关理 论，对采动区的桥梁地基加固是可行的，可以有效 的保证采动区桥梁平稳、安全下沉，不影响桥梁正 常使用． 开采扰动对土体影响的因素非常多，本文只是 从土体的应力路径、有关的物理力学性质变化进行 了初步的探讨．对于开采扰动对土体强度影响及地 基承载力影响的定量研究有待进一步深化． 参考文献 [ 1 ] 易宏伟，孙钧．盾构施工对软黏土的扰动机理分析 [ J ] ．同济大学学报，2 0 0 0 ，2 8 3 2 7 7 2 8 1 ． Y iHW ，S u nJ ．M e c h a n i s ma n a l y s i so fd i s t u r b a n c e c a u s e db ys h i e l dt u n n e l l i n go ns o f tc l a y s [ J ] ．Jo f T o n g j iU n i v e r s i t y ，2 0 0 0 ，2 8 3 2 7 7 2 8 1 ． 下转第6 5 0 页 万方数据 6 5 0中国矿业大学学报 第3 3 卷 E 7 - 1 R a oMH ，H eZJ ，Y a n gGL ，e ta 1 ．O p t i c a l d e t e r m i n a t i o nm e t h o d so fS 0 2c o n c e n t r a t i o ni na i r [ J ] ． T e c h n i q u e sa n dE q u i p m e n t f o rE n v i r o n m e n t a l P o l l u t i o nC o n t r o l ，2 0 0 4 ，5 2 8 6 8 9 ． 尚丽平．紫外荧光法测定烟气中S O 浓度的研究E J ] ． 传感技术学报，2 0 0 1 ， 2 1 6 2 1 6 5 ． S h a n g LP ． S t u d y o nu l t r a v i o l e tf l u o r e s c e n t m e a s u r e m e n tf o rt h ec o n c e n t r a t i o no fs u l p h u rd i o x i d e i n f l u e g a s [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a l o fS e n s o r sa n d A c t u a t o r s ，2 0 0 1 。 2 1 6 2 1 6 5 ． [ 8 ]易江．我国二氧化硫和烟尘测试技术的进展[ J ] ． 现代科学仪器，1 9 9 8 6 6 - 1 5 ． Y iJ ．T h ed e v e l o p m e n to f t e s t i n gt e c h n o l o g yf o r s u l p h u rd i o x i d ea n ds t a c kd u s ti nC h i n a [ J 1 ．M o d e r n S c i e n t i f i cI n s t r u m e n t s ，1 9 9 8 6 6 - 1 5 ． [ 9 3 王岭，李书荣，张文辉．活性炭检测分析的实践与讨 论口] ．林产化工通讯，2 0 0 2 ，3 6 1 9 - 1 2 ． W a n gL ，L iSR ，Z h a n gW H ．P r a c t i c ea n dd i s c u s s i o n o ne x a m i n a t i o no fa c t i v a t e dc a r b o n [ J ] ．F o r e s t r y C h e m i c a lE n g i n e e r i n gM e s s a g e ，2 0 0 2 ，3 6 1 9 - 1 2 ． 责任编辑李成俊 上接第6 3 4 页 [ 2 3 [ 3 ] [ 4 3 徐建平，潘树林．典型施工作用下的土体性质变异研 究[ J ] ．华中科技大学学报 城市科学版 ，2 0 0 2 ，1 9 1 2 5 2 9 ． X uJP ，P a nSL ．R e s e a r c ho nt h ev a r i a n c e so f c h a r a c t e r i s t i c so fs o i lb yt y p i c a lc o n s t r u c t i o n s [ J ] ．Jo f H u a z h o n gU n i v e r s i t yo fS c i ＆T e c h U r b a nS c i e n c e E d i t i o n ，2 0 0 2 ，1 9 1 2 5 2 9 ． 张梦喜．受施工扰动土体的工程性质研究[ D ] ．同济 大学，1 9 9 9 ． L i t w i n o w i c zL ，T h ei n f l u e n c eo fh o r i z o n t a le x p a n s i o n o ns o i l s t r e n g t h i n m i n i n ga r e a s [ A ] ．G e d d e sJ ． G r o u n dm o v e m e n t [ c ] ．L o n d o n P e n t e c hP r e s s ， l9 8 4 ．3 9 7 4 0 3 ． [ 5 ] 于广云，夏军武，王东权．采动区铁路桥沉陷加固治理 [ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 4 ，3 3 1 5 9 6 1 ． Y uGY ，X i aJW ，W a n gDQ ．R e i n f o r c e m e n to f r a i l w a yb r i d g eo v e rm i n i n gs u b s i d e n c ea r e a s [ J ] ． J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ，3 3 1 5 9 6 1 ． 责任编辑陈其泰 万方数据