采空區(qū)新建建筑地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

張建軍

（河南省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，河南 鄭州 450009）

0 引言

煤礦礦山開(kāi)采后，上覆巖層產(chǎn)生破壞、變形，使得地面出現(xiàn)沉降、塌陷等現(xiàn)象，而且地表的下沉將持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，在采空區(qū)上面進(jìn)行工程建設(shè)，可能會(huì)出現(xiàn)安全隱患。因此計(jì)算地表可能發(fā)生位移、變形等參數(shù)，對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性做出合理評(píng)價(jià)，對(duì)后期工程建設(shè)地基處理尤為重要。

1 工程概況

項(xiàng)目區(qū)位于焦作市中站區(qū)李封井田區(qū)范圍內(nèi)，是住宅項(xiàng)目，面積大約是一百多萬(wàn)平米，當(dāng)前，項(xiàng)目正在規(guī)劃階段，預(yù)計(jì)建設(shè)的層數(shù)在27 層以下。項(xiàng)目區(qū)在太行山脈和豫北平原的交接處，從整體上來(lái)看，總體地勢(shì)西北高，東南低，海拔在177～190m 之間，相對(duì)高差13m。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)志來(lái)看，該項(xiàng)目區(qū)在中朝準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ）、山西臺(tái)隆、太行山拱斷束（Ⅰ44）和華北坳陷濟(jì)源開(kāi)封坳陷（Ⅰ44），的交界地帶。區(qū)域斷層有鳳凰嶺斷層和盤(pán)古寺斷層，附近主要的斷層有F6、F7、F8。其中，F(xiàn)6 斷層未井田中部大斷層之一，斷層走向北東，南部下降北部相對(duì)上升，落差由西向東逐漸變大，一般在13～67m。F7 斷層位于F6 斷層和F8 斷層中間，走向北東，北部下降南部相對(duì)上升，落差大約在8～137m。F8 斷層在F7 斷層以南和上白作村的西北方向，斷層走向被動(dòng)—南西，北部上升南部相對(duì)下降，落差由西向東逐漸變大，一般在40～70m。整體而言，場(chǎng)地地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。

2 采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性數(shù)值模擬評(píng)估

2.1 地表沉陷規(guī)律研究

在對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，可以應(yīng)用概率積分方法，將巖石看成是一種隨機(jī)的介質(zhì)，將巖石（地層）層看成是由介質(zhì)組成的物體，再通過(guò)介質(zhì)理論，將巖層轉(zhuǎn)移看成是隨機(jī)過(guò)程，再對(duì)移動(dòng)值進(jìn)行計(jì)算。從理論研究中可以發(fā)現(xiàn)，概率積分法所得出的地表移動(dòng)、變形值比較接近實(shí)際采空區(qū)情況。當(dāng)?shù)V體在得到開(kāi)采之后，地表就會(huì)根據(jù)固定的規(guī)律形成一個(gè)塌陷式的盆地地形，在這個(gè)盆地當(dāng)中的不同位置上也會(huì)發(fā)生變形或沉降現(xiàn)象。若礦區(qū)內(nèi)的資源都被開(kāi)采空了之后，地表任意點(diǎn)的最大移動(dòng)變形值就是Wmax=qmcosα；最大傾斜值為imax=Wmax/r；最大曲率變形值為kmax=±1.52Wmax/r2；最大水平移動(dòng)數(shù)值為Umax=bWmax；最大水平變形數(shù)值為εmax=±1.52bWmax/r。

2.2 參數(shù)確定

通過(guò)對(duì)該采空區(qū)的地質(zhì)、開(kāi)采情況等進(jìn)行調(diào)查，可以得到相關(guān)的參數(shù)，殘余下沉參數(shù)是0.03；水平移動(dòng)參數(shù)是0.32；影響角正切是2.1；開(kāi)采影響傳播參數(shù)是0.6；拐點(diǎn)的偏移距離參數(shù)是0.1h。把這些參數(shù)進(jìn)行整合計(jì)算，并使用概率積分法加以預(yù)計(jì)，就可以得到采空區(qū)地表剩余沉降和南北面和東西面剩余傾斜變形、南北面和東西面的剩余水平變形情況。

2.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算可以得出，采空區(qū)的地表殘余沉降大約在10～200mm 之間；南北向傾斜變形大約在-2.1～2.4mm/m 之間；東西向傾斜變形大約在-2.1～3.3mm/m 之間；南北向水平變形值大約在-1.8～2.4mm/m 之間；東西向水平變形值是-1.5～1.8mm/m 之間。按照相關(guān)的規(guī)定表示，采空區(qū)新建建筑地基會(huì)受到一級(jí)采動(dòng)的影響，因?yàn)榭紤]到采空區(qū)周?chē)€有部分煤柱沒(méi)有開(kāi)采，情況比較復(fù)雜，所以為了建設(shè)的安全性和穩(wěn)定性，需要按二級(jí)采動(dòng)對(duì)建筑物進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)，如果要建立較高的樓層，就需要進(jìn)行合理的規(guī)劃、可行性分析，實(shí)現(xiàn)綜合全面的建筑設(shè)計(jì)，還可以勘查采空區(qū)巖土工程，按照最終勘查得出的結(jié)果來(lái)采取措施。

2.4 附加應(yīng)力影響深度分析

在采空區(qū)上方新建建筑物會(huì)使原本的應(yīng)力發(fā)生改變，引起地面變形或沉降現(xiàn)象，通常情況下，如果建筑物荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力是深度處地基層應(yīng)力的20%時(shí)，就可以忽略不計(jì)，但由于地下地質(zhì)條件復(fù)雜，采空區(qū)垮落、斷裂等不穩(wěn)定因素，因此，還需將附加應(yīng)力控制在10%上，方可認(rèn)為附加應(yīng)力對(duì)該深度處的地基不產(chǎn)生多大影響。采空區(qū)新建建筑地基的自重應(yīng)力公式如下：

在式（1）當(dāng)中：r1、r2、…、rn-地基當(dāng)中各層土和巖石的容重，單位為kN/m3；h1、h2、…、hn-地基當(dāng)中各層土和巖石的厚度，單位為m。項(xiàng)目區(qū)的第四系表土層厚度是65m，而表土層的容重為20kN/m3，以下巖層容重為25kN/m3。新建地基的附加應(yīng)力公式如下：

在式（2）中：k-荷載下的豎向附加應(yīng)力系數(shù)，P0-基礎(chǔ)底面平均附加壓力。

通過(guò)計(jì)算可知，F(xiàn)6 斷層和F7 斷層中間，場(chǎng)地下采空區(qū)垮落斷裂帶頂部距離地表大約99m，而F7 斷層和F8 斷層之間其距離是42m。考慮到采空區(qū)塌陷外擴(kuò)和老窯采空區(qū)等因素，把F7 斷層以北采空區(qū)垮落斷裂帶頂部距離地表按25m 來(lái)計(jì)算，而F7 斷層以南則按照42m 來(lái)計(jì)算。根據(jù)計(jì)算，建筑物采用樁基時(shí)，13～27 層樓房的建筑荷載附加應(yīng)力影響深度最淺為44m，均不小于垮落斷裂帶的發(fā)育最大埋藏深度42m。因此，擬建場(chǎng)地新建13～27 層住宅樓的建筑是不可行的。綜上所述，在整個(gè)場(chǎng)地13～27 層樓房建設(shè)對(duì)采空區(qū)的影響程度大；在F7 斷裂以北場(chǎng)地3～12 樓房對(duì)采空區(qū)的影響程度中等，1～2 建筑對(duì)采空區(qū)的影響程度小；在F7 斷裂以南場(chǎng)地7～12 樓房建設(shè)對(duì)采空區(qū)的影響程度中等，1～6 樓房建設(shè)對(duì)采空區(qū)的影響程度小。

3 結(jié)束語(yǔ)

在采空區(qū)上方新建建筑地基，必須對(duì)其穩(wěn)定性加以分析，通過(guò)上述分析可以得知，采空區(qū)對(duì)于新建建筑地基的影響比較大?？梢酝ㄟ^(guò)研究地表沉陷規(guī)律和確定相關(guān)參數(shù)，來(lái)對(duì)其穩(wěn)定性加以評(píng)價(jià)，為了確保采空區(qū)上方不會(huì)出現(xiàn)明顯的沉降情況，危及到建筑物的安全，應(yīng)禁止在采空區(qū)的正下方和四周進(jìn)行煤層開(kāi)采或者復(fù)采，以保證建筑安全性。