采空區上覆地層處理對建筑沉降的影響研究

臧建軍

摘 ?要：煤炭資源開采引發的地表變形問題是環境巖土工程領域的重要研究課題。基于有限元分析軟件ABAQUS，通過數值模擬方法并結合實際工程工況，分析了采空區巖體注漿加固與上方建筑地基處理組合方式下的承載力和變形機制。結果表明，注漿加固區與上方地基層的彈性模量在150MPa（不考慮上部地基彈性模量的影響）和80MPa（不考慮注漿層彈性模量的影響）較為經濟適用;加固區與上方地基層厚度分別為30m和20m時較為經濟適用。研究結果可為臨近建筑安全設計提供理論支撐，亦可為確定經濟合理的地基處理設計方案提供參考。

關鍵詞：采空區;離層注漿;地表變形;數值分析

中圖分類號：TD823 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）24-0025-04

Abstract： The surface deformation caused by coal mining is an important research topic in the field of environmental geotechnical engineering. Based on the finite element analysis software ABAQUS and combine practically engineering， the numerical simulation method is used to analyze the reinforcement effect of separated layer grouting in goaf and the development law of ground deformation under the combination of different overlying strata. The results show that the elastic modulus of grouting reinforced area and upper ground base is more economical and applicable in 150MPa （without considering the influence of elastic modulus of upper foundation） and 80MPa （without considering the influence of elastic modulus of grouting layer）， and it is more economical and suitable when the thickness of reinforced area and upper ground base is 30m and 20m respectively. The research results can provide technical support for the ground construction， thus providing reference for the economic and reasonable foundation treatment scheme.

Keywords： goaf; separated layer grouting; surface deformation; numerical analysis

1 概述

煤炭開采破壞了原有地應力平衡狀態，易引起地表沉陷、臨近建（構）筑物結構過大變形等一系列環境巖土問題。開展對采空區影響范圍內地質環境綜合治理[1]研究日益受到研究者的重視[2]。

自上世紀五十年代，國內外學者就對三下采煤防治技術進行了大量研究，離層注漿加固技術是采空區地質災害治理設計的常用方法[3]。在以往文獻中主要側重于對采空區覆巖移動規律的評價[4-9]，很少從地層之間的相關性角度去分析問題。因此，文中借助數值分析方法，考慮覆巖地質特性、注漿區力學特性及分布范圍，對采空區上覆地層穩定性作出評價，對臨近建筑沉降的影響機制進行研究。

2 采空區上方注漿加固體與地基組合作用理論

等效計算模型：

由于采空區與建筑基礎荷載在地層內的影響交叉，需考慮各層的厚度、彈性模量等分層特性的差異性，據此評價建筑地基穩定性，確定地基處理和地層注漿方案，使得建筑沉降控制技術更符合現場。

為了能較真實地反映注漿層、地基的結構特性，文中對建筑與采空區間地層進行簡化分層，如圖1所示。其中H1、H2和H3分別為建筑地基層、注漿加固層和煤系地層厚度值。

3 有限元模型與結果分析

3.1 模型建立

本文采用有限元分析軟件ABAQUS，建立的采空區地層模型如圖2所示。該模型由兩部分組成：基礎部分和上部結構部分，其中基礎部分參照圖1建模，上部結構選用五層的框架結構。模型坐標x、y、z方向分別對應模型的長寬高，其中地基層和注漿層的總尺寸為100m×100m×50m，采空區高度為10m，采空區邊界距模型邊界20m。上部框架結構基礎用50m×50m的薄層模擬。

地基和注漿層的邊界條件設為：限制模型四周水平方向的位移，限制采空區底部豎直方向的位移和三個方向的轉角。

3.2 材料屬性

本文在對地基層、注漿層和采空區煤柱進行模擬時采用摩爾-庫倫本構模型;上層框架采用線彈性本構模型。根據實際工程地質勘查報告，并參考相關文獻的試驗結果，模型的材料參數如表1所示：

3.3 結果分析

根據上表的試驗結果建模并分析。為了進一步探明注漿加固的影響規律，得出更具適用性的結論，用模量和厚度的變化值表示地層的不同處理效果，通過改變地基層的彈性模量和加固層厚度，分析不同工況下的數值模擬計算結果，得出適應于類似工程的最佳模量和厚度。

根據表1數據建模并計算分析，在建筑的自重荷載下建筑物和地層整體模型的沉降云圖如圖3所示。

由圖3所示結果分析可知，在建筑自重荷載下，建筑物和地基整體穩定，未發生建筑傾斜、傾覆現象和地基破壞失效區。根據云圖色彩區分，地層變形在地基層和注漿層的分界處有明顯突變，表明采用注漿加固和處理后的地層，承載能力顯著提高，變形明顯減小。

3.4 因素分析

3.4.1 模量分析

首先，保持地基層的彈性模量為10MPa不變，通過改變采空區上方注漿加固區的彈性模量，計算不同彈性模量下建筑基底中心點的沉降值，計算結果如表2所示。

為了更為真實地反映地基的沉降隨建筑物自重的變化規律，本文將計算按建筑物自重施加比例考慮，模擬建筑物隨自重荷載的沉降歷程。基底中心點隨時間的沉降變化曲線如圖4所示。

分析圖4和表2的結果可得：提高注漿層的彈性模量可以減小建筑物的沉降。

注漿層的彈性模量在50MPa至150MPa時，沉降值減小的速度較快。繼續提升注漿值的彈性模量沉降值變化速度放緩。從曲線的變化趨勢來看，圖中五條曲線的變化都近似為直線。因此我們可以判斷本工況下，注漿層的彈性模量變化尚未引起地基的塑性變形，地基無產生塑性破壞情況。通過對地基最終沉降值的結果分析再結合經濟適用等因素，建議在此工況下將注漿層的彈性模量控制在150MPa。

不失一般性，保持注漿層彈性模量不變，通過提高地基層的彈性模量計算不同地基層模量下建筑基底中心點的沉降值。為了最大限度地消除注漿層對計算結果的影響，將注漿層的彈性模量設為250MPa。計算結果如表3所示：

基底中心點沉降隨時間的變化曲線如圖5所示：

分析圖5和表3的結果可得：提高地基層的彈性模量，同樣可以有效地減小建筑物的沉降值。將地基層的彈性模量從20MPa提升至80MPa時，地基沉降值減小速度較快。繼續提升地基層的彈性模量，沉降值的變化同樣變緩。同樣變化地基層的彈性模量，地基隨荷載的變化曲線仍然近似為直線。所以改變地基層的彈性模量也未引起地基的塑性變形。綜合分析本工況下地基沉降的結果，建議將地基層的彈性模量控制在80MPa。

但是，對比上述兩種不同工況下的結果，我們會發現改變注漿層的彈性模量的變化趨勢明顯低于改變地基層模量的變化。所以，能夠滿足地基承載力的條件下，改善地基層的彈性模量更加有助于快速減少建筑物的沉降。

3.4.2 厚度分析

保持地基層的總厚度不變，不斷增加注漿層的厚度，來模擬不同加固層與地基層厚度對建筑物的沉降影響。不同注漿層厚度基底沉降結果如表4所示。

不同厚度下，基底中心點沉降隨時間的變化曲線如圖6所示。

由圖6和表4的結果分析可得：當注漿層和地基層的厚度分別為10m和40m的時候，計算并未達到終點，并且曲線呈現為非線性的變化趨勢，當荷載為0.7倍的建筑物自重時，曲線出現一個明顯的反彎點可以判斷，此時地基已經發上塑性變形。計算結果并未達到終點表明地基的整體變形過大。發生此現象說明：當注漿層的厚度過小時，地基的變形過大，采空區上方地層注漿對提高地層承載力、減小建筑沉降效果不大。當不斷提高注漿層厚度時，沉降值不斷減少，當注漿層厚度為30m時，再增加注漿區的厚度，沉降值減少的趨勢變緩。當注漿層厚度達到40m時，基底沉降速率變化趨于零，此時的地基層僅為10m。考慮到施工成本、施工效率等原因，建議注漿層厚度控制在30m時比較合適。

4 結論

（1）采用注漿加固后的地基，在建筑自重荷載下，建筑物和地基整體穩定，未發生建筑傾斜、傾覆現象和地基破壞失效區問題，效果顯著。

（2）針對本工況下，在不考慮上部地基的彈性模量影響時，注漿層的彈性模量在150MPa，在不考慮注漿層彈性模量影響時，地基層的模量在80MPa，能夠滿足地基承載力要求，且經濟合理。

（3）在本工況下，保持地基層總厚度不變，增加注漿層的厚度，對地基的承載能力有顯著提高;考慮到經濟適用性等方面要求，建議將注漿層和地基層厚度控制在30m和20m。

（4）無論是對采空區注漿層進行優化設計，對建筑地基進行改良，還是增加地基處理層的厚度，均有助于減小建筑物沉降，保證結構安全。改變注漿層的彈性模量的變化趨勢明顯低于改變地基層模量的變化。所以，能夠滿足地基承載力的條件下，改善地基層的彈性模量更加有助于快速減少建筑物的沉降。

根據本文的研究成果可知，可通過優化設計將地基設計控制在一個經濟、適用、合理的范圍之內。

參考文獻：

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