采空区地层处理对建筑沉降的影响

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摘要：煤炭资源开采引发的地表变形问题是环境岩土工程领域的重要研究课题。基于有限元分析软件ABAQUS，通过数值模拟方法并结合实际工程工况，分析了采空区岩体注浆加固与上方建筑地基处理组合方式下的承载力和变形机制。结果表明，注浆加固区与上方地基层的弹性模量在150MPa（不考虑上部地基弹性模量的影响）和80MPa（不考虑注浆层弹性模量的影响）较为经济适用；加固区与上方地基层厚度分别为30m和20m时较为经济适用。研究结果可为临近建筑安全设计提供理论支撑，亦可为确定经济合理的地基处理设计方案提供参考。

关键词：采空区；离层注浆；地表变形；数值分析

1概述

煤炭开采破坏了原有地应力平衡状态，易引起地表沉陷、临近建（构）筑物结构过大变形等一系列环境岩土问题。开展对采空区影响范围内地质环境综合治理[1]研究日益受到研究者的重视[2]。自上世纪五十年代，国内外学者就对三下采煤防治技术进行了大量研究，离层注浆加固技术是采空区地质灾害治理设计的常用方法[3]。在以往文献中主要侧重于对采空区覆岩移动规律的评价[4-9]，很少从地层之间的相关性角度去分析问题。因此，文中借助数值分析方法，考虑覆岩地质特性、注浆区力学特性及分布范围，对采空区上覆地层稳定性作出评价，对临近建筑沉降的影响机制进行研究。

2采空区上方注浆加固体与地基组合作用理论

等效计算模型：由于采空区与建筑基础荷载在地层内的影响交叉，需考虑各层的厚度、弹性模量等分层特性的差异性，据此评价建筑地基稳定性，确定地基处理和地层注浆方案，使得建筑沉降控制技术更符合现场。为了能较真实地反映注浆层、地基的结构特性，文中对建筑与采空区间地层进行简化分层，如图1所示。其中H1、H2和H3分别为建筑地基层、注浆加固层和煤系地层厚度值。

3有限元模型与结果分析

3.1模型建立

本文采用有限元分析软件ABAQUS，建立的采空区地层模型如图2所示。该模型由两部分组成：基础部分和上部结构部分，其中基础部分参照图1建模，上部结构选用五层的框架结构。模型坐标x、y、z方向分别对应模型的长宽高，其中地基层和注浆层的总尺寸为100m×100m×50m，采空区高度为10m，采空区边界距模型边界20m。上部框架结构基础用50m×50m的薄层模拟。地基和注浆层的边界条件设为：限制模型四周水平方向的位移，限制采空区底部竖直方向的位移和三个方向的转角。

3.2材料属性

本文在对地基层、注浆层和采空区煤柱进行模拟时采用摩尔-库伦本构模型；上层框架采用线弹性本构模型。根据实际工程地质勘查报告，并参考相关文献的试验结果，模型的材料参数如表1所示：

3.3结果分析

根据上表的试验结果建模并分析。为了进一步探明注浆加固的影响规律，得出更具适用性的结论，用模量和厚度的变化值表示地层的不同处理效果，通过改变地基层的弹性模量和加固层厚度，分析不同工况下的数值模拟计算结果，得出适应于类似工程的最佳模量和厚度。根据表1数据建模并计算分析，在建筑的自重荷载下建筑物和地层整体模型的沉降云图如图3所示。由图3所示结果分析可知，在建筑自重荷载下，建筑物和地基整体稳定，未发生建筑倾斜、倾覆现象和地基破坏失效区。根据云图色彩区分，地层变形在地基层和注浆层的分界处有明显突变，表明采用注浆加固和处理后的地层，承载能力显著提高，变形明显减小。

3.4因素分析

3.4.1模量分析首先，保持地基层的弹性模量为10MPa不变，通过改变采空区上方注浆加固区的弹性模量，计算不同弹性模量下建筑基底中心点的沉降值，计算结果如表2所示。为了更为真实地反映地基的沉降随建筑物自重的变化规律，本文将计算按建筑物自重施加比例考虑，模拟建筑物随自重荷载的沉降历程。基底中心点随时间的沉降变化曲线如图4所示。分析图4和表2的结果可得：提高注浆层的弹性模量可以减小建筑物的沉降。注浆层的弹性模量在50MPa至150MPa时，沉降值减小的速度较快。继续提升注浆值的弹性模量沉降值变化速度放缓。从曲线的变化趋势来看，图中五条曲线的变化都近似为直线。因此我们可以判断本工况下，注浆层的弹性模量变化尚未引起地基的塑性变形，地基无产生塑性破坏情况。通过对地基最终沉降值的结果分析再结合经济适用等因素，建议在此工况下将注浆层的弹性模量控制在150MPa。不失一般性，保持注浆层弹性模量不变，通过提高地基层的弹性模量计算不同地基层模量下建筑基底中心点的沉降值。为了最大限度地消除注浆层对计算结果的影响，将注浆层的弹性模量设为250MPa。计算结果如表3所示：基底中心点沉降随时间的变化曲线如图5所示：分析图5和表3的结果可得：提高地基层的弹性模量，同样可以有效地减小建筑物的沉降值。将地基层的弹性模量从20MPa提升至80MPa时，地基沉降值减小速度较快。继续提升地基层的弹性模量，沉降值的变化同样变缓。同样变化地基层的弹性模量，地基随荷载的变化曲线仍然近似为直线。所以改变地基层的弹性模量也未引起地基的塑性变形。综合分析本工况下地基沉降的结果，建议将地基层的弹性模量控制在80MPa。但是，对比上述两种不同工况下的结果，我们会发现改变注浆层的弹性模量的变化趋势明显低于改变地基层模量的变化。所以，能够满足地基承载力的条件下，改善地基层的弹性模量更加有助于快速减少建筑物的沉降。

3.4.2厚度分析保持地基层的总厚度不变，不断增加注浆层的厚度，来模拟不同加固层与地基层厚度对建筑物的沉降影响。不同注浆层厚度基底沉降结果如表4所示。不同厚度下，基底中心点沉降随时间的变化曲线如图6所示。由图6和表4的结果分析可得：当注浆层和地基层的厚度分别为10m和40m的时候，计算并未达到终点，并且曲线呈现为非线性的变化趋势，当荷载为0.7倍的建筑物自重时，曲线出现一个明显的反弯点可以判断，此时地基已经发上塑性变形。计算结果并未达到终点表明地基的整体变形过大。发生此现象说明：当注浆层的厚度过小时，地基的变形过大，采空区上方地层注浆对提高地层承载力、减小建筑沉降效果不大。当不断提高注浆层厚度时，沉降值不断减少，当注浆层厚度为30m时，再增加注浆区的厚度，沉降值减少的趋势变缓。当注浆层厚度达到40m时，基底沉降速率变化趋于零，此时的地基层仅为10m。考虑到施工成本、施工效率等原因，建议注浆层厚度控制在30m时比较合适。

4结论

（1）采用注浆加固后的地基，在建筑自重荷载下，建筑物和地基整体稳定，未发生建筑倾斜、倾覆现象和地基破坏失效区问题，效果显著。（2）针对本工况下，在不考虑上部地基的弹性模量影响时，注浆层的弹性模量在150MPa，在不考虑注浆层弹性模量影响时，地基层的模量在80MPa，能够满足地基承载力要求，且经济合理。（3）在本工况下，保持地基层总厚度不变，增加注浆层的厚度，对地基的承载能力有显著提高；考虑到经济适用性等方面要求，建议将注浆层和地基层厚度控制在30m和20m。（4）无论是对采空区注浆层进行优化设计，对建筑地基进行改良，还是增加地基处理层的厚度，均有助于减小建筑物沉降，保证结构安全。改变注浆层的弹性模量的变化趋势明显低于改变地基层模量的变化。所以，能够满足地基承载力的条件下，改善地基层的弹性模量更加有助于快速减少建筑物的沉降。根据本文的研究成果可知，可通过优化设计将地基设计控制在一个经济、适用、合理的范围之内。

参考文献：

[1]陈绍杰，尹大伟，曹俸玮，等.煤矿综合减沉技术及其发展前景[J].中国矿业，2015，24（12）：104-108.

[2]邵爱军.煤矿采空区勘探与治理[M].地质出版社，2017.

[3]程敦伍.采空区注浆处治技术及其应用[M].清华大学出版社，2012.

[4]陈向红，徐东晓，刘红华.松散层注浆采煤覆岩移动的弹性地基模型[J].黑龙江科技大学学报，2016，26（2）：214-218.

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[7]陈向红，马青青.不同注浆钻孔布置下煤层顶板的加固效果[J].黑龙江科技大学学报，2017，27（1）：69-72.

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作者：臧建军 单位：中煤建工集团有限公司