郭 松

南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院,江西 南昌 330099

煤炭資源長期高強度開采遺留的大面積采空塌陷區(qū)域作為典型的不良地基條件,不僅極大地限制了場地的建設利用,而且在各種內(nèi)外荷載因素的協(xié)同作用下,采空區(qū)場地可能會發(fā)生顯著的移動與變形,導致其上方建(構)筑物產(chǎn)生變形與破壞。論文綜合采用理論分析、數(shù)值模擬、數(shù)理建模及現(xiàn)場調(diào)研等多種研究方法,揭示了短壁工作面采空區(qū)破裂巖體變形機理及地表殘余移動變形規(guī)律。基于采空區(qū)場地群樁基礎附加應力擾動深度創(chuàng)新性地構建了短壁工作面采空塌陷場地高架道路建設適宜性綜合評價體系,主要內(nèi)容如下。

(1) 在分析短壁工作面采空區(qū)場地穩(wěn)定性影響因素與采空區(qū)上方高架道路樁基結(jié)構特征的基礎上,采用決策與評價試驗法(DEMATEL)對16項采空塌陷場地建設適宜性影響因素進行關聯(lián)分析,結(jié)果表明采空塌陷的原因度指標主要是采動程度、覆巖巖性、開采厚度及采空區(qū)與擬建工程相對位置?；诖?提出以采空區(qū)場地穩(wěn)定性S及擬建建(構)筑物地基穩(wěn)定性的量化指標C為自變量,構建適宜度函數(shù)F=S×C以定量表征采空塌陷場地建設適宜性。

(2) 基于短壁窄工作面破裂覆巖空間結(jié)構特征,建立了短壁窄工作面自然平衡應力拱力學模型,推導了短壁工作面應力拱的撓度方程和彎矩方程,揭示了短壁工作面覆巖移動時空演化特征、自然平衡應力拱發(fā)育規(guī)律與控制機理,為短壁采空塌陷場地殘余變形精準預計提供理論基礎。

(3) 構建了基于兩側(cè)為實體煤層的短壁工作面殘余變形的概率積分法預計模型。將采空區(qū)場地殘余變形量等效為短壁工作面采空區(qū)煤壁屈服剝離后與開采現(xiàn)狀變形量的差值,以采空區(qū)場地移動變形差作為殘余變形的估計量。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對采空區(qū)巖層移動及地表變形進行模擬研究,與概率積分法預計結(jié)果的對比分析結(jié)果表明:采用等效估算的方法預計的殘余移動變形與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,證明了所提方法的可行性和有效性。

(4) 依據(jù)地基反力系數(shù)的m法對群樁基礎的水平受荷和沉降變形進行理論分析,采用Midas GTS有限元軟件建立群樁基礎的有限元數(shù)值模型,分別在采空區(qū)外邊界,采空區(qū)中部和采空區(qū)內(nèi)邊界施加不同的地表水平位移,分析不同樁位和不同豎向應力加載條件下群樁基礎受水平位移的內(nèi)力、剪力彎矩和位移變化。以5倍上部結(jié)構荷載(5P)的影響深度HDz-5P作為計算群樁基礎荷載擾動深度的參考,并以Logistic函數(shù)模型對群樁基礎穩(wěn)定性進行量化表達。

(5) 對采空塌陷場地穩(wěn)定性影響因素進行主成分層次聚類降維處理,基于趨優(yōu)度與時間度確定采空區(qū)場地穩(wěn)定性的時間權向量,以時序加權平均算子耦合模糊熵的二次加權方法構建短壁采空塌陷場地穩(wěn)定性動態(tài)評價模型。采用適宜度作為表征采空塌陷場地建設適宜性的量化指標,基于適宜度函數(shù)提出采空區(qū)場地建設適宜性分級量化區(qū)間。

(6) 以山東省濟寧市某礦短壁采空區(qū)場地快速路高架橋梁建設為工程背景,提出群樁基礎建設適宜性動態(tài)綜合評價的方法與流程。預測試驗區(qū)覆巖自然平衡應力拱結(jié)構最大發(fā)育高度為13.5 m,采用概率積分法預計的地表最大殘余下沉值為62 mm,最大殘余傾斜值為0.39 mm/m,最大殘余曲率值為0.002 mm/m2;試驗區(qū)群樁基礎建設適宜度區(qū)間為(0.65,0.85),能夠滿足高架道路建設要求。