老采空区地基变形对地面建筑影响的数值分析.pdf

第 25 卷 第 4期 2008 年 12 月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 2. 中国矿业大学 岩土工程新技术发展有限公司, 江苏 徐州 221008; 3. 山西交科公路勘察设计院 阳泉分院, 山西 阳泉 045006 摘要 为了分析和评价老采空区地基的残余变形及其对地面建筑物的影响, 采用数值模拟的方 法研究了老采空区地基的稳定性. 针对岩石和土层的组合地基, 利用主采煤层底板等高线图和钻 探资料, 应用趋势面分析的方法, 基于 FLAC 3D建立了三维多层状地质体模型, 结合概率积分法 计算成果, 反演拟合了地质体的力学参数, 模拟计算了在地面建筑荷载作用下采空区地基的沉降 变形及垂向应力分布. 通过注浆治理前后和建筑物建成前后老采空区地基变形差异的对比分析, 确定了老采空区地基的稳定性和地面建筑的安全性, 同时也提出了一种基于 FLAC 3D的采空区 地基稳定性计算分析的方法和程序. 认为三维数值模拟能较好地解决采空区地基变形计算和稳 定性分析的问题. 关键词 稳定性; 采空区; 地基; 沉降; 数值模拟 中图分类号 TD 325 文献标识码 A Numerical Analysis of Effect of Abandoned Goaf Foundation Deation on Ground Buildings WANG Jilin1, DING Chenjian2, ZHANG Yun3, WU Shenglin1 1. College of Resources and Earth Science, China University of Mining 2. Geotechnical Engineering 3. Yangquan Branch, Shanxi Jiaoke Institute of Highway Investigation and Design, Yangquan, Shanxi 045006, China Abstract For analyzing and uating the residual deation of abandoned goaf foundation and its effect on ground buildings, the stability of abandoned goaf foundation was numerically analyzed. Aiming at the combined foundation of rock and soil, the 3D multilayer geologic body model based on FLAC3Dwas built by using the trend surface analysis, floor contour map, and drilling data. Combined with the of probabilityintegral, the mechanical parameters of the geologic body were solved by inversion analysis. T he subsidence deation of aban doned goaf foundation under the ground building loads and vertical stress were calculated by numerical simulation. By comparing deation in foundation of abandoned goaf before and af ter grouting, we confirmed the foundation stability of abandoned goaf and the security of the ground building. In the mean time, a new and program for calculating foundation sta bility of the goaf based on FLAC3Dwas put forward to solve the problem of calculating the foundation deation and analyzing the stability of abandoned goaf. Key words stability; mine goaf; foundation; subsidence; numerical simulation 第 4 期汪吉林等 老采空区地基变形对地面建筑影响的数值分析 随着经济建设的发展, 在老采空区上方新建工 程建筑已成为不可避免的趋势, 研究建筑工程对老 采空区稳定性的影响以及其自身安全的重要意义 也与日俱增. 已有研究者通过分析建筑物荷载的影 响深度与采空区冒落裂缝带发育高度来确定老采 空区的稳定性以及建筑物的安全性[ 12]. 随着计算 机技术的发展, 通过有限元模拟的方法分析老采空 区地基及其上建筑物的变形得到了推广应用 [ 36] . 也有学者利用离散单元方法模拟分析岩层移动[ 7]. 近年来发展起来的快速拉格朗日分析 FLAC 采 用显式有限差分法求解, 并采用了离散元的动态松 弛解法, 使适用于非线性大变形问题, 故成为岩土 工程中一种重要的研究工具[ 8]. FLAC 在采空区沉 陷计算中也得到成功的应用, 与概率积分法相比具 有一定的优越性 [ 910] . 目前三维的快速拉格朗日分析 FLAC3D 已成 为主流算法, 三维的数值模拟更符合实际情况, 而 要取得可靠的计算结果, 关键在于 建立符合实 际地质体形态的模型; 获取符合实际的地质体 力学参数. 本文拟结合实例分析, 提出一套基于 FLAC3D的三维采空区地基变形计算的数值模拟方 法和分析程序. 1 工程地质概况 山西省阳泉市馨安家园小区新建 6 栋 10 21 层住宅楼, 经勘察查明建筑场地分布有 13 煤和 15煤的老采空区, 约在上世纪 60 年代开采, 13 煤采空区埋藏深度 8 25 m, 厚度小于 1 m, 分布 不规则; 15 煤采空区的埋藏深度 35 46 m, 厚 6. 14 9. 79 m, 分布于场地南端, 见图 1. 图 1 馨安家园小区平面图及地表残余沉降预计 Fig. 1 The ground plan of Xin an settlement and the residual subsidence forecasted 研究区范围内地层表现为单斜构造, 走向 NE, 倾向 NW, 地层倾角有一定变化, 大部分地段 为 4∀ 6∀, 东南角可达 10 ∀ 14∀. 研究区内含水层 主要为 K1 砂岩和 K2 灰岩, 但采矿活动破坏了原 有天然的地下水系统, 造成地下水位下降, 勘探深 度范围内未见地下水. 研究区内的上部地层为冲洪积成因的第四纪 全新世粉土、 卵石层及粉质黏土层, 第四系厚 7 16 m. 下伏基岩为石炭系太原组的岩石组合. 2 三维计算模型的建立 研究区勘探深度范围内为多层厚度不同、 性质 各异、 略有褶皱的地层, 为了简化计算, 将研究区的 岩层按岩性和完整程度划分为砂岩、 泥岩、 灰岩、 煤 岩、 破碎岩 采空区堆积岩体 和松散岩 第四系松 散层 等 6 个岩组类型, 自上而下共划分出 10 个工 程地质岩组. 根据 15煤底板等高线图, 利用趋势面拟合的 方法得到其高程的 2 次拟合方程, 以此作为工程地 质岩组底板的空间曲面方程. 同样, 对第四系底界 也进行趋势面拟合得到 2 次拟合方程 表 1 . 表 1 15煤底板和第四系底界趋势面参数拟合 Table 1 The fitting parameters of trend surface analysis for the bottom of No. 15 coal seam and of Quaternary System 趋势面 类型 待定系数 F 检验 F 1, n- 1- k 15煤底板 b0640. 1302, b1 - 0. 01386 b2 - 0. 12011, b3 0. 00018 b4 0. 000106, b5 0. 000032 F 91. 5 F 4. 39 0. 05 第四系底界 b0 675. 8818, b1 - 0. 07181 b2 0. 06679, b3 0. 00024 b4 0. 00029, b5 - 0. 00020 F 5. 70 F 3. 97 0. 05 趋势面 类型 幂次样本数 拟合度 N c/ 显著性 15煤底板 21298. 7FF显著 第四系底界21380. 3FF显著 通过 FLAC3D中内嵌的 Fish 语言编程实现对 单元体层位的识别, 最后得到近似于实际的三维地 质体模型 图 2 . 477 采矿与安全工程学报第 25 卷 图 2 地质体的三维几何模型及剖面图 Fig. 2 The 3D geometrical model of the geologic body and cutaway view of it 在岩组划分中, 考虑到 13 煤采空区较薄, 且 已垮塌压密, 故将其与顶板泥岩合并为泥岩岩组. 15煤采空区厚度大, 对地面变形影响大, 故划分 为破碎岩组. 模型的空间范围为铅直方向上自 600 水平以上, 水平方向为长 宽 150 m 150 m 包 含 1 6楼体 , 共划分出 35 100 个单元, 38 440 个节点. 3 地质体的力学参数 一般通过室内试验得到岩 土 体的力学指标, 但由于岩 土 体的各向异性, 原位的岩 土 体力学 性质不能用岩 土 块的力学试验值表征. 在岩土工 程计算中, 力学参数的赋值一般采用工程类比法给 出经验值、 或将室内试验值予以折减、 或采用反演 拟合法获得, 本文采用反演拟合法. 具体思路是 首先采用概率积分法计算采空区 的残余沉降量 图 1 , 然后综合岩石试验、 原位测 试等成果以及类似工程的经验, 将地质模型中各类 岩组赋予适当的物理力学性质参数, 进行反复试 算、 调整, 直到计算结果与概率积分法计算结果能 较好的吻合, 可认为材料参数基本符合实际. 根据以上思路, 经过反复试算后, 将各类型岩 组赋予表 2 所示的参数值. 表 2 地质模型各岩组的物理力学参数 Table 2 Stratum physical and mechanical parameters of the geologic model 体积模量/ GPa 剪切模量/ GPa 黏聚力/ MPa 试验值拟合值 内摩擦角/ ∀ 试验值拟合值 抗拉强度/ MPa 试验值拟合值 剪胀角/ ∀ 密度/ kg ∃ m- 3 灰岩岩组26. 7012. 30 105. 00039327. 0 12. 06. 000102 800 泥岩岩组20. 803. 523 122. 00035 36252. 5 4. 51. 20042 650 砂岩岩组31. 3011. 205 154. 50031 40305. 0 10. 05. 00082 700 煤岩岩组21. 403. 151. 500221. 00021 400 松散岩组0. 210. 020. 036200. 00101 800 破碎岩组 未处理0. 250. 030. 042180. 00201 900 破碎岩组 注浆加固2. 500. 431. 200200. 02002 050 建筑物基础31. 3011. 202. 000251. 20042 000 经模拟计算, 得到最大沉降为 13. 3 mm 图 3, 4 , 与概率积分计算得到的最大残余沉降 18 mm 基本接近, 故认为拟合计算结果较符合实际, 表 2 中所列数值即为研究区岩体 或岩组 的实际属性 值. 反演拟合法得到的地质体力学参数较室内实验 数据折减、 经验法估算等方法更为合理、 可靠. 图 3 研究区地表残余沉降的拟合 Fig. 3 Fitting of the residual subsidence in study area 图 4 采空区未处理时的地基沉降变形 Fig. 4 Subsidence deation of the foundation as the goaf unsettled 4 计算结果及分析 4. 1 计算结果 根据反演拟合得到的各岩组物理力学参数值, 在此基础上对表征采空区的松散岩组物理力学指 标给予 强化 对于采空区加固后的 地基, 建筑物建成前后, 其荷载对浅部第四系土层 影响较大, 而对于深部的采空区岩石地基的影响可 忽略不计; ∋ 在地面荷载作用下, 采空区上方地基 中的垂向应力分布较均匀且数值不大, 原 15煤采 空区部位的垂向应力约 0. 75 MPa. 通过对比分析, 认为采空区经注浆加固后, 基 底的沉降变形和垂向应力的分布均匀, 且地基的沉 降变形量和原采空区部位的垂向应力值均很小, 地 面荷载不会影响到采空区的稳定性, 同样的, 老采 空区的存在也不会影响建筑物的安全. 如采用地面荷载作用下地基附加应力对采空 区稳定性影响的解析算法, 由于解析算法是以弹性 半无限空间为计算依据, 因此, 在土层厚度不大、 岩 石与土层的组合地基中, 不便采用解析算法, 而数 值模拟 特别是三维数值模拟 能较好地解决采空 区地基稳定性计算分析的问题. 此外, 三维数值模拟可以显示任意切面、 任意 点的位移、 应力和应变等矢量, 数据精确, 结果直 观, 本文限于篇幅仅列出部分图形和数据. 研究区 1 , 3 楼 2007 年 11 月- 2008 年 1 月 的实际沉降监测如图 8 所示. 图 8 1楼和 3楼的沉降监测曲线 Fig. 8 Subsidence monitoring curve of No. 1 No. 3 buildings 1楼建筑物角点的沉降量为 0. 3 1. 1 mm, 而 3 楼建筑物角点的沉降量为 1. 5 8. 5 mm, 根 据勘察资料, 1楼地基为强度较高的卵石层, 而 3楼地基为强度较低的一般黏性土, 监测结果验 证了采空区加固后的地表沉降主要来自第四系土 层固结变形的研究结论. 5 结 论 1 利用趋势面拟合的方法建立地层界面的空 间曲面方程, 通过 FLAC 3D中内嵌的 Fish 语言编程 实现对单元体层位的识别, 可得到近似于实际的三 维地质体模型. 2 以概率积分法计算的采空区残余沉降量为 基础, 在 FLAC3D中反演拟合地质体材料的力学参 数, 较为合理、 可靠. 3 三维数值模拟揭示了采空区地基加固前 后、 建筑物建成前后地基沉降变形的变化, 以及地 基中垂向应力的分布, 便于对比分析, 并可明确地 面荷载不会影响到采空区的稳定性, 采空区加固后 的地表沉降主要来自第四系土层的固结变形. 4 基于 FLAC3D的三维数值模拟能较好地解 决岩石、 土层组合地基的采空区稳定性计算分析的 479 采矿与安全工程学报第 25 卷 问题, 数据精确, 结果直观, 较之于其他算法具有更 大的优越性. 参考文献 [ 1] 滕永海, 张俊英. 老采空区地基稳定性评价[ J] . 煤炭 学报, 1997, 225 504508. 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