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2020 年 24 期众创空间 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 采空区上覆地层处理对建筑沉降的影响研究 * 臧建军 （中煤建工集团有限公司， 北京 100161） 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。 图 1 采空区上方地层模型示意图 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伊100m伊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伊50m 的薄层模拟。 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 中图分类号院TD823文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2020冤24-00圆缘-0源 Abstract The surface deation caused by coal mining is an important research topic in the field of environmental geotechni鄄 cal engineering. Based on the finite element analysis software ABAQUS and combine practically engineering, the numerical simulation is used to analyze the reinforcement effect of separated layer grouting in goaf and the development law of ground deation 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 150MPawithout considering the influence of elastic modulus of upper foundation and 80MPawithout 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 deation; numerical analysis *基金项目院2019年北京市科协金桥工程种子资助项目渊编号院ZZ19011冤曰中国煤炭地质总局科技创新项目渊编号院ZMKJ-2018-21冤 作者简介 臧建军 （1974-） ， 男， 学士， 高级工程师， 研究方向 地下工程。 25-- 2020 年 24 期众创空间 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 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。 图 2 有限元模型 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 表 1 模型材料参数 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 猿 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。 材料 h/m γ/kg∙m -3 E/MPa υ c/kPa φ 地基层 30 1600 10 0.3 5 25 注浆层 20 2200 100 0.25 50 30 采空区 10 1400 1000 0.2 700 35 框架 38 2600 3000 0.3 - - 图 3 实际工况建模分析结果 注浆层弹性模量 地基层弹性模量 中心点最终沉降 50MPa 10MPa -0.322m 100MPa 10MPa -0.271m 150MPa 10MPa -0.252m 200MPa 10MPa -0.242m 250Mva 10MPa -0.236m 表 2 不同注浆层弹性模量的基底中心点沉降值 图 4 不同注浆层弹性模量下基底中心点 沉降随荷载变化曲线 26-- 2020 年 24 期众创空间 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 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 表 3 不同地基层模量的基底中心点沉降值 基底中心点沉降随时间的变化曲线如图 5 所示 图 5 不同地基层模量下基底中心点沉降随荷载变化曲线 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。 注浆层弹性模量 地基层弹性模量 中心点最终沉降 250MPa 20MPa -0.130m 250MPa 40MPa -0.076m 250MPa 80MPa -0.047m 250MPa 100MPa -0.041m 250MPa 150MPa -0.033m 注浆层厚度 地基层厚度 中心点最终沉降 10m 40m 0.070m 20m 30m 0.041m 30m 20m 0.029m 40m 10m 0.021m 表 4 基底中心点沉降与厚度关系 图 6 不同注浆层厚度下基底中心点沉降随荷载变化曲线 27-- 2020 年 24 期众创空间 科技创新与应用 Technology Innovation and Application （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。 参考文献院 [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. 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