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第3 4 卷 第1 0 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 6 年1 0 月 采动区表土水平移动对桩基作用的数值模拟研究 盛平 ，于广云 ， 李小琴 1 ． 中国矿业大学 建筑工程学院 ，江苏 徐州2 2 1 0 0 8；2 ．中国矿业大学 资源与地球科学学院 ，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要受地下开采的影响采动区地表会发生大幅度的沉陷和水平移动。因此建在采动区的桩基不 但要承受竖向荷载，还要承受由于地表水平移动造成的附加荷载。通过对采动 桩基的受力机理的 分析，表明地表土水平移动对桩的作用主要是桩与土的相对位移s 造成的；采用三维有限元分析方 法，得到了桩周土对桩 的抗力 、桩身变形、桩身最大弯矩与土位移的关 系。 关键词 采动区；土体水平移动；桩基 ；数值模拟 中图分类号 T U 4 7 3 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 6 1 0 0 0 6 6 0 4 Re s e a r c h o n n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f p i l e f o u n d a t i o n,,s u b j e c t e d t o t o p s o i l l a t e r a l mo v e m e n t i n m i ni n g a r e a S HENG Pi n g ．YU Gua ng y un ，LI Xi a o q i n 1 ．S A C E， C h i n a U n iv e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i na ； 2 ．S R E S ，C h i na U n i ven i ofMi n i n g a n d T e c h nol o g y， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i na Ab s t r a c t D u e t o t h e u n d e r g r o u n d mi n i n g ，t h e s u r f a c e gro u n d w o u l d h a v e a l a r g e s u b s i d e n c e a n d l a t e r a l m o v e me n t ．T h e p i l e f o u n d a t i o n s s e t i n t h e mi n i n g a r e a w o u l d n o t b e o n l y t o h a v e a v e r t i c a l l o a d i n g ，b u t als o t o h a v e a n a d d i t i o n al l o a d i n g c a u s e d b y t h e l a t e r al mo v e me n t ． W i t h t h e a n a l y s i s o n t h e s t r e s s e d me c h a n i s m o f t h e p i l e f o u n d a t i o n i n t h e mi n i n g a r e a ，t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e f u n c t i o n o f t h e t o p s o i l l a t e r al mo v e me n t t o t h e p i l e ma i n l y wa s c a u s e d b y t h e r e l a t e d d i s p l a c e me n t b e t we e n p i l e s a n d t o p s o i l ．W i t h t h e t h r e e d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me n t a n aly s i s me t h o d，t h e r e l a t i o n s h i p s o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h b e t we e n t h e p i l e s u r r o u n d i n g s o i l a n d t h e p i l e ，d e f o r ma t i o n o f t h e p i l e b o d y，t h e ma x b e n d i n g t o r q u e ，a n d t h e t o p s o i l d i s p l a c e me n t w e r e o b t a i n e d ． Ke y wo r d s mi n i n g are a ；t o p s o i l l a t e r al mo v e me n t ；p i l e f o u n d a t i o n；n u me r i c al s i mu l a t i o n 1 概 述 随着煤炭工业的不断发展 ，越来越多的煤矿开 始在城市 镇下开采煤炭。目前煤矿大都采用 的综放法开采对地表的影响极大 ，往往会造成地表 土体大幅度的沉陷和水平移动。建在采动区的桩基 不但要承受竖 向荷载 ，还要承受 由于地表水平移动 造成 的附加荷载。因此 ，研究采动区地表土水平移 动对建筑物桩基础的影响，对于采动区的建筑物保 护具有重要意义。 国内外许多学者对受横向土运动的桩基础进行 了研究。P o u l o s _ l 将桩简化成弹性梁，根据桩和桩 周土的位移协调 ，对此问题进行 了分析。该分析方 法考虑 了桩受横 向荷载时在桩 一土界面处发生的土 基金项 目国家 自然科学基金 资助项 目 5 0 5 7 4 0 8 8 6 6 弹性性状和横向屈服这两个因素，并对影响桩中弯 矩和位移发展的因素做了定量考察。R a n d o l p h 等 人基于塑性极限分析理论 ，对黏土中受横 因此 ，在 向荷载的圆形桩的极限土抗力进行了分析，给出了 极限土抗力的理论解。P o u l o s 等人采用 P A L L S 边 界元分析程序研究了基坑开挖引起的横向土运动对 桩的影响 ，并 根据结果 ，制成 了一系列 的设计 图 表 。C h e n 等人据 开挖 隧道 引起 的地表移动值 的 预测公式，得到桩周土的水平位移值， 然后将该值 作为附加荷载作用于桩上 ，研究 了开挖隧道引起土 体横向运动对桩的影响。杨敏 等人采用有限元 方法对堆载作用下土体侧移对邻桩的影响进行了分 析。 在分析受表土水平移动作用的桩基受力机理基 础上 ，采用三维有限元方法 ，分析了地表土对不同 维普资讯 第3 4 卷 第1 0 期 煤炭科 学技术 2 0 0 6 年1 0 月 刚度桩的抗力、桩体变形及桩身最大弯矩的影响。 2采动区桩基础的受力机理 地下开采造成地表水平移动 的一般规律为 在非充分采动时随着工作面的推进 ，采空区面积不 断增大，水平移动值逐渐增大 ，如图 1 所示。当工 作面位于 ， ，c，D处时 ，水平移动曲线分别为 ， ， ， ，水平 移动值为 0的点随着工作 面的推进而向前移动 ，如 0 ，0 ，0 ，0 ；达到 充分采动时，如工作面推进至E，固定边界上方的 水平移动渐趋稳定，水平移动值等于 0的点 如 0 不再向前移动 ，水平移动 曲线为 U E ；达到超 充分采动时 ，如工作 面推进至 F，水平移动值为 0 的区域扩大到 0 ～0 ，水平移动 曲线为 u ，u 和 形状基本相同，最大水平移动值也基本相等； 当工作面停采后 ，最大水平移动值仍继续增加 ，直 至地表稳定为止。曲线 为移动稳定以后的水平 移动曲线 。地表稳定后的最大水平移动值 比工作面 推进过程中的地表最大水平移动值大 。 0 。 ／ ／ ； ／ ／ , ／ 图 1 呆 动过程 中地表水平 移动 曲线变化规律 采动区桩基会随着地表土的移动而移动 ，对于 桩水平位移可 以由式 1 表示 ss gs 1 其 中S 为桩总 的水平位移 ，S 为桩与桩周 土的 刚性位移， S r 为桩与桩周土的相对位移。S 表示桩 与桩周土共同进行 的位移 ，因此对桩的受力几乎不 产生影响 ，桩只是与桩周土一起进行 了一个值为 S 的平动 ；但桩与桩周土的相对位移 s 会使桩产生附 加内力 ，因此采动区地表水平移动对桩的作用可以 理解为桩周土的相对水平位移 S r 对桩产生的作用。 3 有限元模型 3 ． 1 计算模型及边界条件 某矿区一座铁路桥涵采用桩基础 ，桩长 L 2 0 m，桩径 d0 ． 6 m，在桥下 5 5 0 m 处有一可采煤 层 ，煤层厚 5 ． 6 m。由于地下采煤 的影响 ，该桥涵 地基发生了大幅度水平移动。计算区域 方向左右 各取6 倍桩径，Y方向取 3倍桩径。根据对称性， 取计算区域的一半进行建模 ，计算模型及有限元网 格如图2所示。模型底面竖向约束；对称面和右面 水平向约束；左边界施加沿 方向的土体位移 S 。 图2有限元网格 3 。 2本构模型 土体采用 D r u c k e r P r a g e r 屈服准则，非关联 流动法则 。各土层泊松 比均取 0 。 4 9 ，以模 拟不排 水情况。除超固结土外，黏性土的剪胀性很小 ，因 此取剪胀角 0 。土体其他力学参数见表1 。混凝 土桩采用线弹性本构关系。为研究不同刚度桩的抗 采动性能，计算采用2种桩的计算参数，分别模拟 刚性桩和柔性桩。桩与土之间设接触单元，并认为 桩土之间摩擦为 C o u l o m b摩擦 。 表 1 桩周土的材料参数 4 计算结果及分析 4 ． 1 桩周土抗力 稳定地层中，桩周土对桩的水平反力在桩的各 个侧面上是一致的。由于地下开采的影响， 造成桩 与桩周土之间产生相对位移，因此在土位移方 向上 桩两侧受到的土抗力不同。定义桩两侧土压力的差 为土抗力P 。图3 给出了刚性桩和柔性桩的P S 曲 线图。图中的横坐标和纵坐标经过归一化处理 。横 坐标为土与桩相对位移 s 与桩径 d的比值 ，纵坐标 为土抗力与各土层黏聚力 c 的比值 。刚性桩的极限 土抗力 P为 8 ． 9 c ，柔性 桩 p的最大值 为 1 0 ． 3 c ， 这与文献 [ 1 ]建议的P 9 c 基本符合。由图3 6 7 维普资讯 第 3 4 卷 第1 0 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 o 6 年1 0 月 可以发现 ，当s 增加到 0 ． 1 d之前 ，P基本上呈线性 变化 ，随着 s 的增加 而线性增加 ，在 s ， 达到 0 ． 1 d 后 ， p增长的趋势趋缓。对于刚性桩，当s ， 0 ． 2 d 时 ， p达到最大值 ，之后 P呈缓慢减小趋势 ；对 于 柔性桩 ，当 s ， 0 ． 2 5 d时 ，P达 到最大值 ，之后 P 基本保持不变。P s ， 曲线所表现出的软化特性主 要是由土体的非线性造成的，即s ， 达到一定值后， 桩周土体进入塑性，其抗力不再增加。刚性桩和柔 性桩都在z 一 1 6 m即z ／ L 0 ． 8 ￡ 为桩长处达 到土抗力最大值。 l 0 8 6 4 2 l 2 l 0 8 6 4 2 s ／ d比值 a 刚性桩 0 0 ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 4 0 ． 5 0． 6 S r ／ d比值 b 柔性桩 l一 6 z 分另 0 取 0， 一 4，一8 ， 一1 2 ， 一1 6，一2 0 m 图3 刚性桩、柔性桩P s 曲线 4 ． 2 桩身变形 图 4给出了桩在受地表土水平移动作用下的桩 身变形曲线，图中横坐标为桩身变形 s 与桩径 d 的比值。桩身变形基本随着土体水平移动的增加而 增加，但是在土体位移较小的时候桩的位移发展比 较快，在 s ≥0 ． 2 d后，桩身变形发展趋缓。对于 刚性桩， 在 s r／ d达到 0 ． 2以后，桩身位移几乎保 持不变。刚性桩与柔性桩的桩身最大变形均在桩的 中部。对比图4可以发现，在土体位移 s 相等的情 况下，柔性桩桩身最大变形要比刚性桩的大。 4 ． 3 桩身最大弯矩 桩身最大弯矩 随 s 的变化曲线如图5所 示。刚性桩 在土位移 s 发展的初始阶段呈线性 增长，当s 0 ． 1 d后 增长趋缓，几乎不再增 加 ， 最大值达到 2 ． 7 MN m。柔性桩 与土 68 p ／ d比值 0 5 1 0 l 5 2 0 2 5 3 0 加 掣 1 5 2 0 0 1 0 掣 1 5 2 0 a 刚性桩 p ／ d比值 5 0 1 0 0 l 5 0 2 0 0 b 秉性桩 1 5 s r ／ d值分别是 0 ． O 1 ，0 ． 0 2 5 ，0 ． 1 ，0 ． 2 ，0 ． 4 图4 刚性桩、柔性桩桩身变形曲线 位移 s 呈线性关系 ， 随 s 的增加 而线性增加 。 对 比柔性桩和刚性桩 的最 大弯矩与土位移 曲线 ，在 土位移 s 0 ． 1 d时，刚性桩的桩身最大弯矩急剧 增加，因此在采动区地表水平移动作用下，柔性桩 的受力性能可能更好一些 。 号 至 ＼ 嘣 图5 桩身最 大弯矩 与 s 曲线 通过对采动区桩基的三维有限元分析 ，可 以得 到以下几点结论 ① 桩周土对桩的土抗力表现出 非线性 ，当土体位移 s 0 ． 2 d时，土抗力达到极 限值 ；刚性桩 的极 限土抗力约为 8 ． 9 c ，柔性桩的 极限土抗力约为 1 0 ． 3 c ② 桩身变形随着土位移 的增加 而增加 ，但 对于 刚性 桩 ，当 s ≥0 ． 2 d后 ， 桩身变形的增加幅度急剧减小。③ 刚性桩的桩身 最大弯矩 在土位 移较小 时快速 增加 ，当 s ≥0 ． 2 d 后桩身最大弯矩几乎不再增加。柔性桩的桩身最大 弯矩随土位移的增加而线性增加。 参考文献 [ 1 ]P o u l o s G H．A n a l y s i s o f p i l e i n s o i l u n d e r g o i n g l a t e r al m o v e m e n t [ J ] ．J o u rnal o f s o i l me c h a n i c s a n d f o u n d a t i o n s ，A S C E，1 9 7 3 5 ． 维普资讯 第 3 4 卷 第1 0 期 煤炭科学技术 2 0 0 6 年1 0 月 缩短风井临时改绞工期的技术措施 佘 武 寿 淮南矿业 集团有限责任公司 矿业工程分公司，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要从合理系统设计、施工工序优化、提升系统改装前期施工准备等方面介绍了缩短风井临时 改绞工期的技术措施和施工管理经验。 关键词 风井；提升系统；改绞工期；技术措施 中图分类号 T D 5 3 5 文献标志码 B 文章编号0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 6 1 0 0 0 6 9 0 3 Te c h n i c a l m e a s u r e s t o r e d uc e t e mp o r a r y r e c 0 n s t r u c t i 0 n pe r i o d i n v e nt i l a t i o n s ha f t S HE W u． s h o u C o a l Mi n i n g P r o j e c t B r a n c h C o rp o r a t io n ．H u a i n a n C o a l Mi n i n g G r o u p C o p r o r a t ion L t d ． ，Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a 新井建设主、副井井筒施工到底后转人永久设 备安装 。而风井则 在井筒施工 到底后对提升 、运 输、通风、压风、 供水、排水、供电、通信及信号 等各个子系统进行临时改绞。如何缩短临时改绞工 期 ，为迅速转人井下巷道开拓赢得 时问 ，对保证矿 井按期投产很重要 。 目 前普遍采用的临时改绞方式为临时罐笼提升 方式 。根据井筒深度 的不同，施工工期一 般需要 2 0～ 4 5 d 。主要工程有 拆 除、改装天轮平台 ；拆 除立井施工用的吊盘 、固定盘、封 口盘、倒矸台以 及不用的风水管路；井下排水系统安装；井下供电 系统安装；钢丝绳罐道固定系统安装；上井口和下 井口车场水平封 口盘稳罐、托罐、进出车装置安 装；风筒、风水管路、各种电缆安装；提升绞车系 统完善；放罐道绳、挂罐笼；安全保护系统安装调 试 ；井 口密闭系统 ；临时翻矸及运输系统 。 临时改绞是一个 繁杂 的系统 工程 ，矿建 、土 建、机电安装三类工程交叉作业，多工种配合施 工。因此，系统的设计是否合理，施工准备是否充 分 ，工序衔接是否紧凑 ，平衡协调是否到位 ，直接 影响临时改绞的工期。为此，淮南矿业集团矿业工 程公司和业主全力配合，在这些方面采取以下技术 措施，并于2 0 0 4年 3月历时 1 5 d 完成了井深 5 2 5 1 13 的张集北矿风井临时改绞 ，2 0 0 5年 1 0月历时 2 3 d 完成了井深 8 5 6 m的丁集矿风井临时改绞 。 1 合理的系统设计 1 尽量利用凿井期 的设施 ，减少 临时改绞 工程量。井下开拓的提升一般为双钩提升 ，至少要 布置一台双滚筒提升绞车 ，位置和提升能力要满足 罐笼安全运行的要求。凿井井架 的选型与布置要考 虑改绞后的悬吊负荷 、提升荷载、提升方位。凿井 期另一 台提升绞车的天轮梁要错开改绞后提升天轮 主梁的位置 ，改绞安装期问可 以利用这台绞车，以 [ 2 ] R a n d o l p h M F， H o u l s b y G T ．T h e l i mi t i n g p r e s s u r e o n a c i r c u l a r p i l e l o a d e d t e r al l y i n c o h e s i v e s o i l [ J ] ．G e o t e c h n i q u e ，1 9 8 4 4 ． [ 3 ]P o u l o s H G， C h e n L T ． P i l e s r e s p o n s e d u e t o e x c a v a t i o n i n - d u c e d l a t e r a l s o i l mo v e m e n t[ J ] ． J o u rnal o f g e o t e ch n i c al a n d g e o e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g ， A S C E，1 9 9 7 2 ． [ 4 ] C h e n L T ，P o u l o s H G ．P i l e s r e s p o n s e s c a u s e d b y t u n n e l i n g [ J ] ．J o u r n al o f g e o t e c h n i c al a n d g e 0 e n v i ∞ n m e n t a l e n g i n e e r i n g ， A S C E，1 9 9 9 3 ． [ 5 ] 杨敏，朱碧堂．堆载作用下土体侧移及对邻桩作用的有 限元分析 [ J ] ．同济大学学报 ， 2 0 0 3 7 ． [ 6 ] 何国清，杨伦，凌赓娣，等 ．矿山开采沉陷学 [ M] ．徐 州 中国矿业大学出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 7 ] 盛平，于广云，王立波 ．人工地层水平冻结冻胀对邻桩 的影 响 [ J ] ．地下空间与工程学报 ， 2 0 0 5 3 ． 作者简介盛平 1 9 8 0一 ，男，江苏高淳人，硕士， 现为 中国矿业大 学建 筑 工程 学院 道桥 与 地下 工程 系教 师。T e l 1 3 0 9 2 3 3 7 97 9，E a i l c u mt s p 1 2 6 ．c o n 收稿 日期2 0 0 6 0 5 0 8 ；责任编辑曾康生 6 9 维普资讯