老采空区上方大型工业建筑抗变形措施研究.pdf

中国矿业大学学报990 6 18 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH INA U NIVERSIT Y O F M INING T ECH NO LO G Y 1999年 第2 8 卷 第6 期 Vo l . 2 8 No . 6 1999 老采空区上方大型工业建筑抗变形措施研究 乔志春 夏军武 郭广礼 杨舜臣 摘要 对建于老采空区上方的大型工业建筑应采取的抗变形措施进行了研究. 在地表变 形预计的基础上，运用SA P8 4软件，对建在老采空区上方的某选煤厂主厂房结构进行了有限 元模拟，提出了抵抗不均匀沉降应采取的抗变形措施. 观测表明，主厂房采取的抗变形措施 是适当的、可靠的. 关键词 老采空区，不均匀沉降，模拟，抗变形措施 中图分类号 T U 47 8 Study on Anti-Deation Measures for Heavy Industrial Buildings over Abandoned Mine Goafs Qiao Zhichun ‧ Xia Junwu‧ Guo Guangli‧ ‧ Yang Shunchen College of Architecture and Civil Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Department of Mining Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Abstract The anti-deation measures are studied for heavy industrial buildings over abandoned mine goafs. Based on the predicted ground settlement, the structure of the main building of a coal dressing plant is simulated by SAP84 program. The anti-deation measures that should be taken to resist uneven settlement are put forward. The observation indicates that the anti-deation measures for the main dressing building are suitable and reliable. k ey words abandoned mine goaf, uneven settlement, simulation, anti-deation measure 随着煤炭源源不断地从地下采出，原煤层上方的覆盖岩层失去支撑，岩体内部原有的 应力平衡状态遭到破坏，引起岩体内部应力的重分布，使采空区周围的岩体产生位移和变 形，甚至破坏，从而引起岩体上方地表土的位移和变形. 而地表土的移动和变形又势必会对 位于其上方的建筑物的基础产生不利的影响，这就容易导致建筑物从基础到上部结构的不 同程度的损坏，从而危及建筑物的安全，严重时会引起建筑物的破坏. 然而，随着开采范围的不断扩大，矿区内没有受到或者将来也不受开采影响的地区越 来越少，矿区的发展使得许多大型建筑物不得不建在老采空区上方或其附近. 在这些地区， 由于存在着潜在的地表变形，为了确保安全，采取适当的抗变形措施是非常必要的. 本文结 合某矿区在老采空区上方新建大型选煤厂实例，对其主厂房的抗变形措施进行了研究. 1 工程概况 该选煤厂主厂房长7 3. 5m ，宽35m ，高40 m ，为多层多跨钢筋混凝土现浇框架结构，基 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 18 . h t m （第 1／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 59 0 0 中国矿业大学学报990 6 18 础采用柱下钢筋混凝土十字交叉条形基础，断面为倒T 形，基础平均荷载390 k N/ m ，最大柱 底荷载9m N. 根据工艺要求，厂房内部安装有多种洗选设备，且结构复杂，对地表的不均匀 沉降和水平变形都较敏感. 根据开采资料记载，选煤厂厂区及其附近下伏煤层已被局部回采的有A 1，A 3，B4， B6 ，B7 a ，B7 b 和B8 煤层. 位于主厂房下方西侧和南侧的A 1和A 3煤层已部分开采，开采时间为 1951年至196 2 年. A 1煤层开采边界距主厂房西南角约4m ，A 3煤层开采边界距主厂房南墙 10 m ，距西墙约2 5m ，详见图1. 图1 选煤厂主厂房附近采空区分布 Fi g . 1 G o a f d i s t r i b u t i o n n e a r b y m a i n d r e s s i n g b u i l d i n g 主厂房地基中仅有11～13m 厚的硬质粘土及砂质粘土，之下基岩为二迭系含煤地层. 由 于开采影响，地基中必有破坏情况. 经基岩钻探和物探，结果表明开采引起的裂隙发育区已 进入了主厂房西南角下部［1］，说明主厂房地基局部稳定性较差. 岩体裂隙发育区范围见图 1. 2 有限元模拟 根据开采沉陷规律以及钻探和物探结果，运用有限元法对主厂房未来的不均匀沉降进 行了计算机模拟预计，预计结果见图2 ［2 ］. 图2 主厂房基础底面沉降预计等值线 Fi g . 2 Pr e d i c t e d s e t t l e m e n t c o n t o u r o f t h e m a i n d r e s s i n g b u i l d i n g ’s b a s e m e n t 在地表变形预计的基础上，对主厂房基础和上部结构受力情况进行了有限元模拟分析 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 18 . h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 59 0 0 中国矿业大学学报990 6 18 研究. 主厂房①～⑤轴线部分按三维有限元模型分析，其余部分采用二维有限元模型［2 ］. 模 拟采用SA P8 4软件在微机上进行. 模拟结果显示，地表变形作用对框架构件截面的配筋起了决定性作用，大多数构件截 面的配筋都是由地表变形作用参与的荷载组合所决定的. 根据此模拟结果，作者提出了抵抗 地表变形应采取的合理配筋量. 表1为部分梁柱单元的截面配筋在有地表变形作用参与组合和 无地表变形作用参与组合时的结果比较. 表1 有无地表变形参与组合时截面配筋结果比较 T a b l e 1 Co m p a r i s o n o f r e i n f o r c e d a r e a s b e t w e e n c o m b i n a t i o n s w i t h a n d w i t h o u t g r o u n d d e f o r m a t i o n 单元号 截面配筋/ m m2 不考虑地表变形考虑地表变形 61 2 0 34 6 7 4 81 1571 7 10 462 3535 456 481 7 932 48 1 12 01 4562 0 8 7 17 01 2 2 44 543 2 581 0 0 92 0 8 0 3 抗变形措施 在老采空区上方建大型工业建筑物后，在附加荷载和其他地质因素作用下采空区地表将产生沉降 和变形. 即使对地下采空区和采动破碎基岩采取了一定加固处理措施，地表仍有一定的残余变形产生， 对建筑物产生不良影响，甚至破坏. 因此，必须在建筑物中采取适当的抗变形措施. 这些抗变形措施主 要包括以下5种. 1 变形缝 这是抗变形建筑物采取的基本措施之一. 其基本方法是通过设置变形缝，将建筑物分成 若干个彼此互不关联、长度较小、自成变形体系的独立单元，从而减小地基反力的不均匀性，增强建 筑物抵抗地表变形的能力. 变形缝必须从基础开始向上设置成一条通缝. 变形缝一般设置于下列部位 a . 建筑物平面形状不规则时，在转折部位设置； b . 建筑物高低相差悬殊时，在高低变化处设置； c . 建筑物荷载相差悬殊时，在荷载变化处设置； d . 分期建设的建筑物，在交接部位设置； e . 对于过长的建筑物，可以每隔2 0 m 左右设置. 2 变形沟 这是抗变形建筑物采取的又一种基本措施. 这种方法是在位于地表压应变地区的建筑物 的四周挖沟，将建筑物与四周地表分开，然后在沟中填满可压缩的材料，使得建筑物免受由地表压缩 变形而产生的侧推力的影响. 3 采用千斤顶系统 在建筑物基础下设置千斤顶，各千斤顶与中心控制系统相连，在地表变形期 间，千斤顶可以随地表的变形而自动进行调整，使建筑物免受地表不均匀沉降的影响. 4 抗变形整体基础 整体基础具有强度高、刚度大的特点，这些基础对建筑物抵抗地表变形比较 有利. 在一般建筑物中，基础形式由地耐力、上部荷载和上部结构形式等因素而定. 而对于抗变形建筑 物来讲，其基础形式的选择必须在考虑上述因素的同时考虑地表变形的不利影响，此时可以将基础做 成箱形、筏形、柱下十字交叉条形基础等整体性好的基础形式. 5 提高结构的刚度和强度 为了提高建筑物抵抗地表各种变形的能力，可以采取提高建筑物结构 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 18 . h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 59 0 0 中国矿业大学学报990 6 18 刚度和强度的措施. 其方法主要有适当增加物件的有效面积、加设钢筋混凝土圈梁、构造柱，此外还 可以适当增加物件的用钢量. 本工程采用了变形缝、抗变形整体基础以及提高结构刚度和强度的措施. 4 监测系统 4. 1 监测内容 为了检测主厂房抗变形措施的可靠性，我们建立了主厂房基础内力监测系统，并从施工开始定期 进行观测. 监测内容有以下两方面 1 柱下条形基础跨中的内力变化； 2 柱下基础底面的反力变化. 4. 2 监测部位的确定 根据主厂房的抗变形设计和计算结果，选择主厂房八层部分受力最大的②轴线部位设置传感器， 对条形基础内力和基础底面反力进行监测. 该部位与地表及建筑物变形观测位置相一致. 传感器的具体 设置部位如图3所示. 图3 传感器设置位置 Fi g . 3 Po s i t i o n s o f t h e s e n s o r s 4. 3 基础底面反力观测结果分析 经过两年多的观测，取得了大量的数据，经过整理，将测得的②轴线基础底面反力变化绘于图4. 由图4可以看出，基础底面反力变化比较均匀，符合一般情况下基础底面反力的变化分布规律，表明 建设过程中主厂房地表无较大不均匀沉降产生. 分析其原因主要有以下两条一是基岩灌浆增强了主厂 房地基的稳定性；二是①～③轴线的基础由原来的柱下条形基础改为片筏基础，大大增强了基础抵抗 不均匀沉降的能力，减少了基础不均匀沉降的产生. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 18 . h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 59 0 0 中国矿业大学学报990 6 18 图4 基础底面反力分布 Fi g . 4 D i s t r i b u t i o n o f f o u n d a t i o n p r e s s u r e 4. 4 基础内力观测结果分析 ②轴线部分基础内力观测结果如图5所示. 一般情况下，条形基础在柱荷载的作用下，如同倒置的 连续梁，其跨中截面的上部受拉、下部受压，正好与普通的连续梁相反. 如果地基出现不均匀沉降，就 会使条形基础与地基的正常接触状态发生改变，条形基础的局部可能切入地基，也可能悬空，进而基 础内力会随着条形基础与地基的接触状态的改变而发生变化. 从图中可以看出，条形基础内力的变化符 合正常条件下条形基础内力的变化，表明主厂房不存在较大不均匀沉降. 图5 部分基础内力变化 Fi g . 5 Ch a n g e o f s t r e s s i n p a r t i a l f o u n d a t i o n a s a f u n c t i o n o f t i m e s 5 结论 1 在老采空区上方建大型工业建筑应考虑地基潜在的不均匀沉降对建筑物的不利影响. 2 在地表变形预计的基础上，运用二维和三维有限元模型对不均匀沉降对大型工业建筑的不利影 响进行了有限元模拟计算，分析其附加内力，可满足实际工程的需要. 3 对位于老采空区上方的建筑物采取适当的抗变形措施，可以大大减小地表变形对建筑物的不利 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 18 . h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 59 0 0 中国矿业大学学报990 6 18 影响. 4 根据模拟结果对构件截面的配筋量进行优化是一种创新，是一种切实可行的抗变形设计措施， 有重要的理论和实用价值. 国家自然科学基金资助项目 作者简介乔志春，男，196 1年生，工学硕士，讲师 作者单位乔志春 夏军武 杨舜臣‧（中国矿业大学建筑工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 郭广礼 中国矿业大学采矿工程系 江苏徐州 2 2 10 0 8 ） 参考文献 1 G u o G L, H e G Q , Q i a o Z C e t a l . T h e s t a b i l i t y a n a l y s i s o f s t r u c t u r e ’s f o u n d a t i o n r o c k m a s s o v e r s h a l l o w a b a n d o n e d m i n e g o a f s a n d i t s t r e a t m e n t - A c a s e s t u d y . In G u o Y G , T a d S G , e d s . Pr o c e e d i n g s o f t h e ’96 i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m o n m i n i n g s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y . Ro t t e r d a m Ba l k e m a , 1996 . 349～352 2 袁明武. SA P8 4结构分析通用程序 版本3. 2 . 北京北京大学出版社，1992 收稿日期1999-0 7 -0 6 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 18 . h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 59 0 0