劉文博

(山西安煤礦業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司,山西 太原 030006)

煤炭資源大規(guī)模開發(fā)利用的同時(shí),也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響,形成了大量的采煤沉陷區(qū)[1]. 同時(shí),隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,中東部平原采煤沉陷區(qū)快速增加與城市發(fā)展建設(shè)用地逐漸減少的矛盾日益突出,對(duì)采煤沉陷區(qū)進(jìn)行建設(shè)利用已成為我國(guó)中東部城市拓展發(fā)展空間、加快經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的有效途徑[2-3].

當(dāng)封閉后的老采空區(qū)地表新建建筑物時(shí),在建筑荷載作用下,原本處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的采空區(qū)覆巖有可能重新出現(xiàn)活化運(yùn)動(dòng),地表移動(dòng)變形往往表現(xiàn)為突發(fā)性和不均勻性,對(duì)建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽略的影響[4-6]. 目前對(duì)于地基附加應(yīng)力的計(jì)算一般以布辛奈斯克解為根據(jù),該解是以荷載作用在半空間彈性體表面為條件推得的,故適用于一般天然淺基的變形計(jì)算,不適用于深基礎(chǔ)。同時(shí),該方法求解時(shí)假定基礎(chǔ)土層為各向同性的連續(xù)體,忽略了各地層間力學(xué)特性差異對(duì)應(yīng)力傳遞的影響,也忽略了老采空區(qū)覆巖應(yīng)力重新分布對(duì)附加應(yīng)力傳遞的影響。因此,布辛奈斯克解在工程中的計(jì)算結(jié)果往往和實(shí)際相差較大,特別是中軟、硬地層較多且交替分布時(shí),該方法的適用性大大降低。針對(duì)以上問(wèn)題,基于UDEC模擬軟件建立數(shù)值模型,研究建筑荷載在淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)地層中的傳遞規(guī)律,進(jìn)而分析地層力學(xué)特性差異對(duì)建筑物地基附加應(yīng)力分布形態(tài)的影響,以期為采空區(qū)治理及生態(tài)復(fù)墾提供依據(jù)。

1 數(shù)值模型

1.1 模型生成

為研究建筑荷載在不同巖性地層中的傳遞規(guī)律,建立數(shù)值模型見圖1. 模型長(zhǎng)度和高度均為100 m,覆巖分為5組,建筑荷載范圍為30 m,荷載大小為0.33 MPa(30層樓高),加載位置為地表中心處。為排除其他因素對(duì)模擬的影響,將每層地層厚度均設(shè)為20 m,不考慮開采因素的影響。

圖1 建筑荷載傳遞數(shù)值模型

1.2 模擬方案

模擬設(shè)置3組方案:方案1中模型均為土層,作為對(duì)照組,見圖2(a);方案2中建筑荷載直接作用在土層上,土層下部分別為軟巖、硬巖、軟巖、軟巖,見圖2(b);方案3中建筑荷載直接作用在土層上,土層下部分別為硬巖、軟巖、軟巖、軟巖,見圖2(c). 以土層模型中建筑荷載的0.4倍等值線(圖2(a)中虛線)作為標(biāo)準(zhǔn),研究建筑荷載在不同地層力學(xué)特性中的傳遞規(guī)律。其中,軟巖參數(shù)考慮普氏系數(shù)為土層的2倍,硬巖普氏系數(shù)為土層的10、20、30倍,具體巖層參數(shù)見表1.

表1 建筑荷載傳遞模型力學(xué)參數(shù)

圖2 相鄰巖層巖性不同時(shí)建筑荷載的傳遞規(guī)律

2 地層巖性

相鄰地層力學(xué)特性不同時(shí)建筑荷載的傳遞規(guī)律見圖2. 當(dāng)模型中地層力學(xué)特性相同時(shí)(圖2(a)),建筑荷載在覆巖中的分布形態(tài)為均勻泡狀,與布辛奈斯克解所獲得的結(jié)果較為相似。由于地層力學(xué)特性不同,地層對(duì)建筑荷載的折減作用也不同。當(dāng)建筑荷載由軟巖傳遞至硬巖時(shí),由于硬巖力學(xué)參數(shù)較大,對(duì)建筑荷載的折減作用大于軟巖,因此應(yīng)力泡影響深度顯著減小,見圖2(b). 當(dāng)建筑荷載由硬巖傳遞至軟巖時(shí),在傳遞的初始階段即受到了較大的折減作用,繼續(xù)向下傳遞至軟巖時(shí),進(jìn)一步受到軟巖的折減作用,因此建筑荷載由硬巖向軟巖傳遞時(shí)應(yīng)力泡影響深度相對(duì)軟巖向硬巖傳遞時(shí)進(jìn)一步減小,應(yīng)力泡在水平方向的影響范圍也顯著減小,見圖2(c).

3 地層力學(xué)差異

為研究相鄰地層力學(xué)特性對(duì)建筑荷載傳遞的影響,考慮普氏系數(shù),將方案2和方案3中硬巖普氏系數(shù)分別設(shè)置為軟巖的5倍、10倍和15倍,分析相鄰地層力學(xué)特性差異增加時(shí),建筑物應(yīng)力泡的形態(tài)變化規(guī)律。

如圖3所示,初始模型應(yīng)力泡影響深度為54 m,形狀較規(guī)則(圖3(a));當(dāng)硬巖普氏系數(shù)為軟巖的5倍時(shí),建筑荷載在覆巖中的影響深度顯著減小,影響深度為47 m(圖3(b));隨著硬巖和軟巖屬性差異增加,當(dāng)硬巖普氏系數(shù)為軟巖的10倍時(shí),建筑荷載在縱向上的影響范圍進(jìn)一步減小,影響深度為42 m(圖3(c));當(dāng)硬巖普氏系數(shù)為軟巖的15倍時(shí),由于硬巖承載作用顯著提升,對(duì)建筑荷載的折減作用增加,建筑荷載的影響深度進(jìn)一步減小至39 m(圖3(d)). 當(dāng)建筑荷載由軟巖向硬巖傳遞時(shí),建筑荷載在水平方向的影響范圍無(wú)明顯變化;當(dāng)建筑荷載傳遞至硬巖時(shí),由于硬巖屬性較強(qiáng),對(duì)應(yīng)力傳遞的折減作用大,從而導(dǎo)致建筑荷載影響深度減小,但在水平方向影響范圍增加。

圖3 建筑荷載由軟巖向硬巖的傳遞規(guī)律

如圖4所示,當(dāng)硬巖普氏系數(shù)為軟巖的5倍時(shí),由于硬巖對(duì)建筑荷載傳遞的折減作用較強(qiáng),因此建筑荷載在硬巖中的傳遞深度相對(duì)初始模型(土層)較小,影響深度為43 m(圖4(b));當(dāng)硬巖普氏系數(shù)為軟巖的10倍時(shí),建筑荷載在縱向上的影響范圍進(jìn)一步減小,影響深度為36 m(圖4(c));當(dāng)硬巖普氏系數(shù)為軟巖的15倍時(shí),由于硬巖承載作用顯著提升,對(duì)建筑荷載的折減作用增加,建筑荷載的影響深度進(jìn)一步減小至30 m(圖4(d)). 當(dāng)建筑荷載由硬巖向軟巖傳遞時(shí),由于硬巖強(qiáng)度較大,受硬巖折減作用,建筑荷載在硬巖中的影響深度顯著減小。

圖4 建筑荷載由硬巖向軟巖的傳遞規(guī)律

將方案中建筑荷載影響深度繪圖,見圖5. 當(dāng)覆巖中存在相對(duì)較硬的巖層時(shí),不論荷載在兩類巖層的傳遞順序如何,建筑荷載影響深度均減小,且隨著巖性差異增加減幅逐漸減小;當(dāng)硬巖與軟巖屬性差異相同時(shí),由于硬巖對(duì)建筑荷載折減作用較強(qiáng),建筑荷載在穿過(guò)硬巖時(shí)已經(jīng)遠(yuǎn)小于基底應(yīng)力,因此建筑荷載由硬巖向軟巖傳遞時(shí),其影響深度整體小于應(yīng)力由軟巖向硬巖的方案。

圖5 地層巖性差異對(duì)建筑荷載傳遞深度的影響

建筑荷載在地層中傳遞時(shí),相鄰地層的強(qiáng)度差異對(duì)應(yīng)力泡形態(tài)影響顯著。由于建筑荷載受硬巖折減作用,當(dāng)?shù)貙又匈x存相對(duì)較硬的巖層時(shí),應(yīng)力傳遞深度一般小于布辛奈斯克解所求的影響深度。此外,應(yīng)力泡形態(tài)受老采空區(qū)覆巖應(yīng)力分布特征影響,當(dāng)應(yīng)力泡發(fā)育至地層內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域時(shí),應(yīng)力泡會(huì)向應(yīng)力集中區(qū)偏轉(zhuǎn)(圖2,3,4). 因此,覆巖不同區(qū)域穩(wěn)定性不同,應(yīng)力分布狀態(tài)不同,應(yīng)力泡的形態(tài)特征也不同,進(jìn)而導(dǎo)致了不同區(qū)域覆巖變形差異,最終影響地表的移動(dòng)變形。

4 結(jié) 論

基于UDEC模擬軟件建立數(shù)值模型,分析了不同巖層巖性及強(qiáng)度差異條件下,建筑荷載的傳遞深度,主要結(jié)論如下:

1) 建筑荷載在覆巖中的分布形態(tài)為均勻泡狀,建筑荷載由硬巖向軟巖傳遞時(shí)應(yīng)力泡影響深度相對(duì)軟巖向硬巖傳遞時(shí)減小,應(yīng)力泡在水平方向的影響范圍也顯著減小。

2) 當(dāng)建筑荷載由軟巖向硬巖傳遞時(shí),建筑荷載在水平方向的影響范圍無(wú)明顯變化。當(dāng)建筑荷載由硬巖向軟巖傳遞時(shí),建筑荷載在硬巖中的影響深度顯著減小。

3) 不論荷載在兩類巖層的傳遞順序如何,建筑荷載影響深度均減小,且隨著巖性差異增加減幅逐漸減小;覆巖不同區(qū)域穩(wěn)定性不同,應(yīng)力分布狀態(tài)不同,進(jìn)而導(dǎo)致了不同區(qū)域覆巖變形差異,最終影響地表的移動(dòng)變形。