采动区建筑物地基反力分布规律.pdf

第3 3 卷第2 期 中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 3N o ．2 2 0 0 4 年3 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y M a r ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 20 2 1 9 0 5 采动区建筑物地基反力分布规律 邓喀中，谭志祥，郭文兵，张宏贞 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要基于相似模拟试验、现场实测、数值模拟及理论分析，系统研究了采动区建筑物砘基反力 分布规律，获得了地基反力与建筑物所处的位置、刚度、长度、地基系数、开采厚度的关系1 位于 最大曲率点附近时，地基反力最大，位于最大下沉和倾斜点附近时，地基反力较小；2 地基越软 弱、建筑物长度越短，地基反力越小；3 采动区建筑物地基反力大小是有限的，这些认识和结论为 采动区建筑物保护和设计提供了理论基础． 关键词地基反力；抗变形建筑；建筑物设计；采动区建筑物 中图分类号；T D3 2 5文献标识码A R e a c t i n gF o r c eD i s t r i b u t i o nL a w o fB u i l d i n gF o u n d a t i o ni nM i n i n gA r e a D E N GK a z h o n g ，T A NZ h i g x i a n g ，G U OW e n b i n g ，Z H A N GH o n g z h e n S c h o o lo fE n v i r o n m e n ta n dS p a t i a li n f o r m a t i c s ．C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 。C h i n a A b s t r a c t B a s e do ns i m i l a r i t ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，f i e l dm e a s u r e m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d t h e o r e t i c a la n a l y g i s ，t h es y s t e m a t i cs t u d yc o n c e r n i n gr e a c t i n gf o r c ed i s t r i b u t i o nl a wo fb u i l d i n g f o u n d a t i o ni nm i n i n ga r e aw a sc o n d u c t e d ．T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o u n d a t i o nr e a c t i n gf o r c ea n d t h el o c a t i o n ，s t i f f n e s s ，l e n g t h ，f o u n d a t i o nc o e f f i c i e n ta n dm i n i n gt h i c k n e s sh a sb e e no b s e r v e da s f o l l o w s 1 t h ef o u n d a t i o nr e a c t i n gf o r c ei sm a x i m a lw h e nt h eb u i l d i n gi sn e a rt h ep o i n to fm a x i m a l c u r v a t u r e ．b u ti ti sr a t h e rs m a l lw h e nt h eb u i l d i n gi sn e a rt h ep o i n to fm a x i m a ls u b s i d e n c ea n d m a x i m a lt i l t ；2 t h es o f t e rt h ef o u n d a t i o ni sa n dt h es h o r t e rt h eb u i l d i n gi s ，t h es m a l l e rt h er e a c t i n g f o r c eo ff o u n d a t i o nw i l lb e ；a n d3 t h er e a c t i n gf o r c eo fb u i l d i n gf o u n d a t i o ni nm i n i n ga r e ai sf i n i t e ． A 1 lt h e s eo b s e r v a t i o n sa n dc o n c l u s i o n sp r o v i d eat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rb u i l d i n gp r o t e c t i o na n d d e s i g ni nm i n i n ga r e a ． K e yw o l d s f o u n d a t i o nr e ”t h 嗨f o r c e ；d e f o r m a t i o n r e s i s t a n tb u i l d i n g ；b u i l d i n gd e s i g n ；b u d d i n gi n m i n i n ga f 。e 3 采动区建筑物保护设计的关键是采动区建筑 物地基反力大小的确定，只有知道采动区建筑物地 基反力，才能计算采动区建筑物的附加内力，从而 合理进行采动区建筑物韵加固设计，减轻采动对建 筑物的损害，达到既经济又合理保护建筑物的目 的．对于采动区建筑物地基反力国内外研究相对较 少，故本文拟对采动区建筑物地基反力分布规律进 行研究，以期得到一些有益的结论． 1采动区建筑物地基反力研究现状 在进行采动区建筑物设计时，为了简化计算， 国内外目前认为采动区建筑物地基反力与建筑物 中心对称分布n 。2 ] ，位于正曲率区的建筑物，建筑物 中心地基反力最大，位于负曲率区的建筑物，建筑 物两端地基反力最大，根据这一假定，文献[ 2 ] 给出 了地基反力计算式 收■且期t2 0 0 3 1 0 1 0 基盒项目；国家自奔譬科学基金项目 5 9 8 7 4 0 2 9 I 教育部骨干教师基金项目 作者筒介。邓喀中 1 9 5 7 - ， 男．四川省蟹中县人．中国矿业大学教授，博士生导师，工学博士，从事开采沉陷及三下采煤方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 n 一爿 L 。一x x ， 1 厶0 式中m 为地基最大反力；厶为纵墙 计算墙 的长 度，c r i l ；z 为距纵墙左端的距离，c m ． 根据推导可得正曲率作用状态下地基反力分 布为 临界状态。。一 磐 L 0 。 。， 2 上』O 全部嵌入状态口。 6 r n ，∥zo q 、r 。r o _ z z ， 3 』。0 ．3 ，一“ 悬空状态口。一生里署地 厶一 z ， 4 L O 式中卢。一1 2 ， 一F ，／F o ，一为横墙底面积的一 半，凡为纵墙底面积；m R 。／R ，R 。为临界曲率半 径，R 为建筑物实际曲率半径． 而事实上，假定建筑物地基反力与建筑物中心 对称有一定的局限性，即只有当建筑物与主断面对 称时，才具有以上规律，大部分建筑物与主断面不 对称，因而不具有以上规律，从而使计算出的地基 反力与实际不相符合．同时进行地基反力计算时， 没有考虑地基、基础的协同作用，从而过高地估计 了采动区建筑物的地基反力和附加内力，增大了建 筑物的保护费用．前苏联根据顿巴斯煤田大板试验 房地基应力观测数据n ] ，分析得到基础底部土壤反 力变化值 土壤反力最大值与最小值之差 与采动 曲率之间的关系为。 △户 0 ．7 P o I R m a ， 5 式中Z X p 为采动房屋基础底部土壤的最大反力变 化值，P a ；户。为房屋基础对地基的平均压力，P a ；R m 为房屋所在地区最大曲率半径 实测值 ，m ． 同时，根据实测资料回归得到了基础切人土壤 值与平均压力、地基系数之间的关系 2 制 蜘 a 第一拨开采后 S 一2 √P o ／R №C 6 式中C 为地基系数，P a ；s 为基础切人土壤值，c m ． 前苏联根据实测资料获得的地基反力计算式 也有一定的局限性，即没有考虑建筑物的长度、刚 度、不同地基系数及建筑物处于采动区不同位置时 地基反力的差异，同时也没有给出地基反力最大点 的位置． 以上分析表明，目前对采动区建筑物地基反力 的分布规律研究尚不足，从而在进行采动区建筑物 保护设计时存在一定的盲目性，不能根据建筑物的 大小、所处位置等进行针对性设计．同时采动区建 筑物地基反力是不是随地表变形的增大而无限增 大等这些问题尚未做出明确的回答，本文试图在这 方面进行一些研究． 2 地基反力分布规律 影响采动区建筑物地基反力的因素有建筑物 的重量、刚度 长度、高度等 、地表变形太小、地基 系数、地表变形的分布、建筑物所处的位置等，这些 因素共同决定了采动区建筑物地基应力的变化规 律．下面基于相似材料模拟试验、数值模拟计算和 理论分析，研究采动区建筑物变化规律． 2 ．1 地基反力动态变化规律 采动区建筑物相似材料模拟试验表明 1 在开采的初期，地基反力逐渐增大，到一定 时候达到最大，然后减小到一定值．地基反力最大 值滞后工作面一段距离，说明了基础切入地基的影 响．但地基应力不能恢复到开采前的水平，比开采 前大 图1 ． 恩1 模型一地基瞬时应力 F i g ．1F o u n d a t i o ns t r a i nc u r v ei nm o d e l1 2 在建筑物距采空区0 ．5 L L 为建筑物的长 度 ，地基应力变化量最大，且处于卸载状态，而在 建筑物远离采空区一侧，地基处于加载状态．说明 在开采影响下，建筑物具有粱弯曲的特征，即在采 空区侧，由于下沉较大，地基卸载，使建筑物弯曲， 最大反力点位于梁的支撑点，支撑点的位置于与建 d ／m b 第二敞开采后 筑物的刚度、重量、地基系数等有关．由于建筑物刚 度的影响，在弯曲中使靠近采空区侧建筑物地基卸 载，从而使地基应力减小，出现卸载区 图2 a ． 3 随着开采的进行。地表移动变形增大，地基 反力逐渐增大 图2 b ．原因是地基在建筑物重量 作用下逐渐压密，建筑物切人地基的量减小，相互 黢算 万方数据 第2 期邓喀中等采动区建筑物地基反力分布规律 作用减弱，从而使地基反力逐渐增大，导致建筑物 内力增加，使建筑物损害．模型三应变分布可以看 出 图3 ，地基应力虽然总体是增大的，但应变达 到一定后，地基应变增加量逐渐减小，并出现负增 色 王 制 嘲 1 s 0 毛1 0 0 i5 0 捌0 ．5 0 长的现象．主要有两个原因其一是地基变形模量 随地基应变的增加逐渐增大，而建筑物附加应力是 有限的，因而应变相对减小；其二是随着开采的进 行，地表变形逐渐趋于均匀，地基反力减小． } 藤釜毒甚煦匿i 姜巡 图2 模型一地基应变 F i g ．2 F o u n d a t i o ns t r a i nc u r v ei nm o d e l1 图3 模型三地基应变与时间关系 F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o u n d a t i o n s t r a i na n dt i m ei nm o d e l3 4 建筑物损害对地基反力分布有一定的影 响．在开采的初期，建筑物没有损害，地基反力最大 值出现在远离采空区一侧，随着建筑物损害，建筑 物变形可以看成是以裂缝分开的独立单元体的变 形，应力分布也符合这一规律．图2 b 地基应力减小 点即是建筑物破坏的时刻． 相似材料模拟试验获得的规律与前苏联现场 实测的地基反力分布规律相同． 2 ．2 地基反力与建筑物位置关系 图4 是采用建立的地基基础协同作用模型计 算的建筑物位于移动盆地不同位置时地基反力分 布图．从图中可见，当建筑物位于正负曲率最大值 附近时 5 0m 和1 5 0m ，地基反力最大．地基反力 最大点靠近采空区一侧1 ／6 L 处 L 为建筑物的长 度 ，与相似模拟结果和现场实测相近．当建筑物位 于最大倾斜 1 0 0m 和最大下沉点 om 附近时， 建筑物向下沉大的一侧倾斜，地基反力最大点位于 下沉太的一侧．这是由于在最大下沉和最大倾斜点 附近曲率较小的缘故，因此可以认为曲率是导致地 基反力的主要因素．但当建筑物长度较小时，由于 建筑物的整体刚度增大，建筑物向下沉大的一侧倾 斜，导致该侧地基反力增大． 主6 杂4 鉴z 蛰 o5 1 】i 0 0】5 02 0 0 距最大下龇点的越离／m 图4 建筑物位于不同位置时地基反力分布 F i g ．4 F o u n d a t i o nr e a c t i n gf o r c ed i s t r i b u t i o n w h e nb u i l d i n gi sl o c a t e da td i f f e r e n tp l a c e s 2 ．3 建筑物长度对地基反力分布的影响 图5 是建筑物长度与地基反力的比较． 1 建筑物长度越大，地基反力值越大．当建筑 物长度达到一定后，建筑物长度对地基反力的影响 减弱，地基反力趋于定值．主要原因是①建筑物 重量、地基系数是一定的，可以引起的地基反力是 有限的；②建筑物的刚度是一定的，能支撑建筑物 的长度是有限的，随着长度的增大，建筑物的弯曲 量增大，从而使地基反力减小． 距离／m 0 2 04 0“I 宴 R 聋 图5 不同长度建筑物地基反力分布比较 F i g ．5 T h ec o m p a r i s o nf i g u r eo ff o u n d a t i o nr e a c t i n g f o r c ed i s t r i b u t i o nw h e nb u i l d i n gl e n g t h sa r ed i f f e r e n t 2 当建筑物长度较小时，地基反力较小，主要 原因是地基的下沉差相对减小，建筑物的弯曲量减 小，从而使地基反力减小． 3 建筑物的长度对地基反力分布规律有影 响．当建筑物长度大时，地基反力最大点出现在建 筑物靠近采空区一侧一段距离，并且建筑物长度越 大，该距离越大．当建筑物长度较短时，刚度相对增 加，地基反力出现在建筑物靠近采空区一侧的下 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 方，主要由于建筑物弯曲程度减小，整体向采空区 一侧倾斜，增大了该处的地基反力． 2 ．4 建筑物刚度对地基反力的影响 图6 给出了不同剐度条件下地基应力比较图． 从图中可见，建筑物刚度越大，地基反力越小，基础 切人地基的量越大． 1 哿 弱 距离／m 图6 建筑物刚度不同时地基反力分布 F i g ．6T h ed i s t r i b u t i o nf i g u r eo ff o u n d a t i o ns t r e s s w h e nt h es t i f f n e s so fb u i l d i n gi sd i f f e r e n t 2 ．5 地基系数对地基反力的影响 图7 给出了建筑物不同地基系数条件下，地基 反力分布图．从图中可见，地基系数越小，地基与基 础相互作用加强，基础切人地基的量越大，地基反 力越小，地基应力分布越均匀．当地基较硬时，地基 反力最大点位于下沉大的一侧，由于建筑物向下沉 大的一侧倾斜，导致下沉小的一侧卸载，出现拉应 力． 地基反力与地基系数之间满足对数函数关系 4 口h 点 b ， 式中口＆为地基反力，M P a ； 为地基系数，M P a ；d ， b 为系数，在计算的条件下有 最大倾斜附近4 0 ．2 9 46 1 ．8 6 88 ， 最大曲率附近d 一1 2 ．8 0 96 一一2 7 ．2 4 2 ． 8 在最大况辟点㈣在最大负曲率点 图7 不同地基系数条件下地基应力分布比较 F i g ．7C o m p a r i s o nf i g u r eo ff o u n d a t i o ns t r e s sw h e nf o u n d a t i o nc o e f f i c i e n ti sd i f f e r e n t 以上分析可以看出，可以通过调整地基系数来 调整地基反力，但调整量是有限的． 2 ．6 开采厚度对地基反力的影响 图8 给出了不同开采厚度条件下地基应力分 布比较图，从图中可见，开采厚度对地基应力大小 有影响，但不是非常显著．开采厚度的增加，相当于 增大了地表移动变形，即当地表移动变形达到一定 程度后。变形的增加，对地基应力的影响不显著．主 要原因是t 1 地基应力是建筑物重量作用的结果， 其大小受建筑物重量的限制，是一定的，不可能无 3 结论 限制地增大1 2 建筑物的长度是一定的，其变形差 是有限的，从而引起的地基反力是一定的；3 建筑 物的刚度是一定的，能支撑建筑物的长度是有限 的，随着长度的增大，建筑物的弯曲量增大，从而使 地基反力减小．这一规律为设计采动区建筑物提供 了理论基础，即不能完全根据地表移动变形设计采 动区建筑物，而只要采动区建筑物能够抗自身的重 量引起的应力就可以，这是为什么现有的采动区建 筑物设计为抵抗I 级变形，实际在I V 级变形条件下 不破坏的原因． 瓣声垂i 妻P a 在最大负曲率点㈣在最大正曲率点 图8 开采厚度对地基反力的影响 F i g ．8 d i f f e r e n tm i n i n gt h i c k n e s se f f e c to nf o u n d a t i o nr e a c t i n gf o r c ed i s t r i b u t i o n 1 采动区建筑物地基反力分布和大小与建筑 物所处的位置、刚度、长度、地基系数有关，与开采 厚度的关系不明显． 2 随着地表移动变形的增大，地基反力逐渐 增大，地基反力变化曲线为分段增加的曲线，其应 力变化点为建筑物破坏点．当工作面推过建筑物 后，随着变形的减小，地基反力减小；随着时间的推 移，基础切人地基，地基反力减小． 3 建筑物位于最大正曲率附近时，地基反力 最大，位于最大负曲率附近时，地基反力次之，位于 ￡苫＼R蜮糊冒 万方数据 第2 期邓喀中等采动区建筑物地基反力分布规律 2 2 3 最大下沉和最大倾斜附近时，地基反力较小． 4 建筑物长度越大，地基反力越大．当建筑物 长度达到一定后，建筑物长度对地基反力的影响减 弱，地基反力趋于定值；建筑物长度大时，地基反力 最大点出现在建筑物靠近采空区一侧一段距离．当 建筑物长度较小时，地基反力出现在建筑物靠近采 空区一侧的下方． 5 地基越软弱，地基反力越小，分布越均匀． 地基越硬，地基反力越大，地基反力与地基系数之 间满足对数函数关系．建筑物刚度越大，地基反力 越小，基础切人地基的量越大． 参考文献 [ 8 3 [ 1 ] 煤炭科学研究院北京开采所．煤矿地表移动与覆岩破 坏规律及其应用E M ] ．北京煤炭工业出版社。1 9 8 1 ． 周国铨．崔继宪，刘广容，等．建筑物下采煤[ M ] ．北 京煤炭工业出版社，1 9 8 3 ． 布克林斯基BA ．矿山岩层与地表移动[ M ] ．王金 庄，洪渡，译．北京煤炭工业出版社，1 9 8 9 ．1 - 3 8 ． 邓喀中，马伟民，邢安仕，等．基础动态沉陷规律及地 基反力[ J ] ．煤炭科学技术。1 9 9 5 ，2 3 1 0 17 - 2 0 ． 邓喀中，郭广礼，谭志祥，等．采动区建筑物移动变形 特性分析口] ．中国矿业大学学报，2 0 0 1 ，3 0 4 3 5 4 3 5 8 ． 张俊英．综放开采抗变形农房结构的受力试验及分析 [ J ] ．煤矿设计，2 0 0 1 4 3 13 3 ． 张俊英，综放开采条件下地基反力的变化规律口] 煤 炭科学技术，2 0 0 2 ．3 0 2 2 32 5 ． 尤申AN ．采动区建筑物基础设计要点[ M ] ．郭福 君，译．北京煤炭工业出版社，1 9 8 6 ． 责任编辑李成俊 2 0 0 2 年度我校被S O l ，E l ，I S T P 收录论文 中国科学技术信息研究所近日公布了2 0 0 2 年度科技论文发表情况据1 5 5 3 种 去年1 4 4 7 种 中国科技论文统计源期刊统计，2 0 0 2 年度我校发表科技论文6 2 6 篇，比去年5 5 7 篇增加6 9 篇，在全国高校中排名仍然位居第5 6 位；论文被引用5 7 2 次，比去年5 7 5 次减少3 次，在全国高 校中排名由去年的第5 4 位下降到第6 0 位．2 0 0 2 年度我校共有1 8 5 篇论文被S C I ，E I ，I S T P 收 录，其中S C I 收录1 8 篇、S C I E 收录论文3 3 篇，在全国高校中排名第1 0 1 位f E I 收录1 0 8 篇，在全 国高校中排名第3 5 位} I S T P 收录5 9 篇，在全国高校中排名第4 2 位． 科技与产业通讯2 0 0 3 年第8 期 中国矿业大学科技与产业处 万方数据