单位文秘网 2021-08-31 09:12:07 点击: 次
摘要:采空区剩余沉降量计算是确定采空区危害程度的一种定量的方法,其可靠性、准确性和可操作性直接关系到采空区治理质量的好坏。本文通过FLAC3D数值计算方法对西沟新村基建下覆采空区剩余沉降量进行计算,经过与实测资料的对比,结果相一致,说明该计算方法准确可靠,可为基建下覆采空区质量检测以及剩余沉降量的计算方法提供有益的借鉴。
关键词:采空区;剩余沉降量;FLAC3D计算方法
1 序言
采空区的沉陷,除了开采过程中引起的沉陷外,在采矿沉陷稳定后,由于地下尚未充填密实的空间,在上覆荷载发生变化时,地面仍会产生沉降变形。而剩余沉降量是自工程建设开始后地表所产生的沉降。剩余沉降量包括部分已采采空区对地表影响还没有基本结束的沉降量和残余沉降量两部分。残余沉降量是指地表下沉基本结束以后,冒落带经过进一步的压密后的地表沉降量。本文通过西沟新村基建下覆采空区处理质量检测工程,采用FLAC3D数值模拟对采空区处理后的剩余沉降量进行计算,并与实际观测资料进行对比,取得较好的成果,为建筑物地基变形分析以及采空区治理质量检测提供了依据。
2 采空区剩余沉降量FLAC3D数值模拟计算方法
FLAC3D采用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术,可较为准确地模拟材料的塑性破坏和流动。据此可用于模拟土质、岩石和其它材料的非线性力学行为,使普遍应用的有限元程序难以模拟的复杂岩土工程问题得于成功解决,应用前景极为广阔,例如大变形、大应变、非线性及非稳定性系统(甚至大面积屈服/失稳或完全塌方)等问题,是岩土工程中应力场、变形场数值模拟的重要手段和工具。其采用显式有限差分法求解各种力场、变形场的控制微分方程,不需要形成刚度矩阵,也不需要通过迭代满足本构关系。仅通过本构关系,由应变直接计算应力;模拟时将计算区域划分为若干四面体单元,每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系,如果单元应力使材料屈服或产生塑性流动,则单元网格可以随着材料的变形而变形,直接应用显式有限差分格式来求解场的控制微分方程;于此同时,该法还采用了混合单元离散模型,可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等方面有其独到的优点。
3 工程实例
3.1 工程概况
阳泉市平定县西沟新村4-7#楼设计为4层带半地下室。基建地基座落于采空区上方。经调查证实,采空区为老采空区,已停采多年。开采厚度2.5m,单层开采;采空区埋深H≤50m,开采范围较小;停采后地表未见裂缝、陷坑和塌落,覆盖第四系地层区域地表每年均有一定量的沉降。为保证基建地基稳定,建设方对采空区及其上覆岩土体裂隙进行了全孔灌浆处理。
3.2 工程地质概况
阳泉市西沟新村基建场地采空区埋深16.8~50.2m,煤层厚度4.3~5.8m。顶底板岩石主要为泥岩、砂岩、石灰岩等,第四系覆盖层厚度为1~8m,具散体结构。场地地质构造主要受NE向向斜构造控制。由于构造运动挤压较弱,岩层较为平缓,覆岩主要岩层稳定,软硬互层,具块裂或板裂地质模型,相应之力学模型为弯曲折断模型。由于采空区形成时间较长,最早为解放前,稍晚为70-80年代开采,至今已有30-60年。
3.3模型的建立
本次数值模拟选择了该向斜核部区域为研究对象,建立了三维数值模型(见插图1)。三维模型分为六层,分别为第四系覆盖层、泥、砂岩互层、石灰岩、顶板、煤层(冒落带)、底板。模型范围尺寸250m×200m×45m,分初始应力状态、煤层开采状态、采空区处理后状态、基建加载状态四个状态进行模拟。
3.4计算参数的选择
根据室内物理力学试验以及结合工程经验等综合确定计算模型各岩土层的基本物理力学参数。
3.4.1 第四系覆盖层物理力学参数
第四系覆盖层是匀质的弹塑性地质材料,在材料达到屈服极限后,可产生较大的塑性流动。本次模型对第四系覆盖层(粉质粘土、残坡积土) 采用莫尔-库仑屈服准则。
fs=(σ1-σ3)-2c cosφ-(σ1+σ3)sinφ(1)
式中:σ1、σ3分别是最大和最小主应力;c、φ值分别为第四系覆盖层的粘结力和摩擦角。当f s < 0 时,土将发生剪切破坏。表1 给出了第四系覆盖层的物理力学参数。
3.4.2 各岩土层与煤层物理力学参数
根据场地调查结果,研究区域处于向斜核部,岩层趋于水平,节理裂隙较发育,为层状块裂结构,局部为层状碎裂结构。模型采用层状连续介质,通过强度折减来模拟节理裂隙的影响,由于岩石破坏后强度降低,产生弱化,这是莫尔-库仑准则所不能反映的,故模型对岩层和煤采用霍克-布朗强度准则:
式中:σ1S 是在岩石峰值强度时的最大主应力;σ3 是最小主应力;m、s 是材料常数,取决于岩石性质和原始破裂状况;σc是岩石单轴抗压强度。此外, 当拉应力超过材料的抗拉强度时,材料将发生拉裂破坏。表2给出了各岩层和煤层的物理力学参数。
该表所列参数系根据模拟结果与其它分析结果比较确定的。
3.4.3 冒落带物理力学参数
采空区冒落带是一种堆积散体介质,它对顶板支撑的力学作用可近似地当做弹塑性支撑体,随着时间的推移冒落带在覆岩作用下逐步被压实,材料的密度ρ、弹性模量E 随时间增加而增加,其物理力学参数见表3。
表3 采空区冒落带物理力学参数
3.5 计算结果及其分析
通过数值模拟计算,得到采空区及其上覆岩土层的位移场,结果见插图2~插图5和表4。根据其分布规律可得到以下结论:
由插图2-插图5及表4可以看出,采空区处理未加载状态下,地表最大沉降量为2.6mm;基建加载后地表最大沉降量为7mm,累积最大沉降量为9.6mm,根据实测沉降观测结果,基建加载后,地表最大沉降量为10.26mm,通过FLAC3D数值计算方法得出的剩余沉降量与实测值相吻合,满足建筑物变形要求,说明本文选取的岩体力学计算参数是合理正确的,同时也证明采空区剩余沉降量FLAC3D数值模拟计算方法的准确性和可靠性。
4结论
通过对西沟新村基建下覆采空区剩余沉降量的FLAC3D数值模拟计算,可以看出该方法是切实可行的,具有很大的工程实践意义。
通过上述分析可知,FLAC3D数值模拟计算方法是计算采空区冒落带的剩余沉降量,研究采空区剩余沉降量的时空演化的一条新途径。但采用FLAC3D数值模拟计算方法计算剩余沉降量要想取得很好的结果,却依赖于采空区冒落带和裂隙带岩体的物理力学参数的选取。所以仍需进一步研究采空区冒落带与裂隙带的复杂性,除了现场测试其物理力学性质外,还应研究可行的室内测试方法,以提高计算和评价采空区剩余沉降量的精度。
参考文献
[1]王生俊、贾学民、韩文峰等。高速公路下覆采空区剩余沉降量FLAC3D计算方法。岩石力学与工程学报,2005.10。
[2]谢和平、周宏伟等。FLAC3D在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析。岩石力学与工程学报,1999。
[3]郭广礼、邓喀中等。采空区上方建大型建筑物的地基沉降研究。中国矿业大学学报,1996。
作者简介:陈琦,男,生于1980年,浙江省台州市人,2004年本科毕业于长沙理工大学(原长沙交通学院)土木工程专业。
陈朝清,男,生于1982年,福建省连江县人, 2004年本科毕业于长沙理工大学(原长沙交通学院)土木工程专业。
李森林,男,生于1982年,河南省信阳市人,2004年本科毕业于长沙理工大学(原长沙交通学院)土木工程专业。
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