采空区建筑物的变形分析与抗变形研究

采空区建筑物的变形分析与抗变形研究

徐州市城市建设投资总公司　韩维纲

[摘　要]本文对采空区建筑物的变形进行了分析,并对提出防治措施。[关键词]采空区　变形　防治

1、前言

煤炭是我国工业的主要能源,在我国的一次性能源消费结构中,煤炭占75%以上。随着国民经济的发展,煤炭产量也需要不断提高,这就使得许多新建矿区及老矿区开采范围延伸到人群密集的城市与村庄下。由于煤炭源源不断地从地下采出,其上覆岩体失去支撑,采空区周围岩体的原始应力平衡遭到破坏,导致应力场的重分布,从而使得采空区周围的岩体产生位移和变形。由此所引起的地表变形会使上部建筑物产生附加应力,从而危及建筑物的安全,严重时会引起建筑物的破坏。

2、采空区建筑物的破坏特点

在地下开采影响下,建筑物的变形与破坏是由于采空区上方及其周围地表产生的移动与变形作用于建筑物的基础,导致建筑物受到附加应力的作用而产生的,在不同的地表变形作用下,建筑物产生的影响也不相同。

2.1由于地表均匀下沉引起的建筑物的损坏

在地表均匀下沉时,建筑物只是产生位置的变化,即建筑物只产生整体下沉,一般不会在建筑物内部产生附加应力,不会对建筑物造成损坏。但是当地表下沉量较大,而地下水位又很低时,会使浅水位上升,形成大面积水坑,在此建筑物周围长期积水,这样不仅影响建筑物使用,而且使其浸泡在水中,降低了地基强度,严重时可使建筑物倒塌。

2.2由于地表倾斜引起的建筑物的损坏

地表倾斜以后,会引起建筑物的倾斜,使得建筑物的中心发生偏离,从而产生附加倾覆力矩,承重结构内部产生附加应力,基底反力重新分配。对于底面积小、高度又很大的建筑物来讲,地表倾斜很容易造成其破坏。

2.3由于地表曲率变形引起的建筑物损坏

地表的曲率变形会使地表由原来的平面状态变成曲面状态,使建筑物荷载与基础底面反力之间的初始平衡状态遭到破坏。地表曲率分为地表正曲率和地表负曲率,在地表正曲率影响下,建筑物基础两端出现瞬时的局部悬空。在地表负曲率作用下,建筑物基础中部出现瞬时的局部悬空。

2.4由于地表水平变形引起的建筑物损坏

地表的水平拉伸变形,使得建筑物结构内部产生拉应力。由于建筑物抵抗拉伸的能力远小于其抵抗压缩的能力,所以在较小的地表拉伸作用下,建筑物就会产生裂缝,特别是门窗洞口等薄弱部位最容易产生裂缝,导致建筑物的损坏。

2.5地表剪切变形、扭曲变形引起的建筑物损坏

在地表剪切变形作用下,建筑物的纵墙基础和横墙基础产生相对转动,改变建筑物的原有平面形状,使建筑物损坏。地表的扭曲变形会引起建筑物的扭曲变形,使得建筑物损坏。

实际上,地下开采引起的岩层及地表移动过程,是一个极其复杂的时间-空间现象,会出现地表移动盆地,所以,通常将地表点的移动状态用垂直移动分量和水平移动分量来描述。比如,将垂直移动分量称为下沉,将水平移动分量称为拉伸等。为便于分析,采用下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形等指标来描述地表移动盆地的移动和变形。对于处于地表移动盆地即采空区的建筑物,会经历一个动态的变形过程,要依次或同时经历上述五种变形。

3、采空区建筑物变形的防治研究3.1国外研究现状

早在十九世纪末,德国就率先开始了由于建筑物下采煤所引起的地表变形对建筑物影响的研究。他们利用井下填充法大大降低了地表的移动变形值。波兰则从1945年起开始大规模的建筑物下采煤。他们所采取的保护措施主要有两种:一是对一般的建筑物采取改进的开采方法和对建筑物进行维修的措施;二是对新建建筑则采取抗变形的保护措施。前苏联是从五十年代开始在城下采煤的。通过多年的发展,采取了在开采措施上合理分布工作面、协调开采、条带开采,同时对建筑物采取设置变形缝、加设钢拉杆、设置钢筋混凝土圈梁等一系列抗变形措施。上述国家还提出了各自相应的设计规范,可见这些国家对采空区的建筑物的设计与保护的研究都达到了一定的深度。

3.2采空区建筑物保护与设计

自从五十年代末我国开始在采空区建造砌体结构试验房,“刚柔结合”的保护与设计措施已经接受了实践的考验,逐渐为大家所认可。刚性措施就是采用基础圈梁、檐口圈梁和钢筋混凝土柱等刚性构件组成空间骨架,提高建筑物的空间刚度和整体性,增强墙体的稳定性,以抵抗地基变形引起的附加应力,防止墙体开裂。柔性措施有以下几种:(1)在基础与基础圈梁之间设置水平滑动层,可减少由地表传来的变形;(2)和抗震缝类似,每隔一定距离,将建筑物从基础到屋顶在构造上断开,设置变形缝,可有效地释放建筑物的附加采动变形,能够实现各单体独立变形;(3)在垂直于地表水平变形(压缩)方向的建筑物基础的外侧设置缓冲沟,使地表压缩变形不直接传递给基础。(4)在基础中设置竖向变形吸收带,使基础既能产生拉伸变形,同时又能保证压缩时不产生隆起。

对于砌体结构房屋的抗变形设计理论,国内外学者进行了长期的研究,其理论基础主要为强度理论,即以满足墙体或构件的极限强度为设计目标。文献[3]以变形控制作为房屋设计的理论基础,确定了采空区砌体结构的变形控制设计指标,允许房屋产生用户能够接受的变形和微小破坏。提出了墙体中部变形的深梁分析模型,对于房屋受到的扭曲变形采用水平面内和竖向极限剖面内的“框架”分析模型,并给出了墙体变形控制的设计方法。但其变形控制指标具有一定的主观性,需要进一步的数据积累。

4、采空区房屋保护研究前景展望4.1加强土与结构物界面特性的研究

地基与上部结构共同作用时,地基土是通过土与结构物联结单元作用于上部结构的,所以此联结单元的性质至关重要。但目前国内对土与结构物界面特性还无统一认识,这必然会影响采空区地基与上部结构共同作用的研究。用有限元方法进行的模拟分析,其联结单元参数选取的不可靠会影响计算结果的准确性。

4.2加强采空区砌体结构房屋变形控制设计的研究

采空区砌体结构房屋的设计不同于普通的砌体结构设计,在很大的附加应力作用下,要求建筑物不出现裂缝或者对裂缝要求非常严格,必然会付出巨大的经济代价。所以以用户能够接受的变形和破坏作为房屋设计的控制指标,具有更重要的实际意义。

4.3进行采空区建筑物双重保护体系的研究

我国是一个多地震国家,我国的矿区有80%以上处于地震区。所以,对于采空区建筑物,可以把抗采动保护与抗地震保护相结合,即“建筑物双重保护”。

4.4加强现有采空区建筑物加固方法研究

过去通常采取的建筑物保护措施:一是提高建筑物的整体刚度;一是通过采矿工艺的改进,或在地表采取注浆来减缓沉降。从矿区建筑物保护角度出发,如果将地基与建筑物基础的协同工作作为一个系统来考虑,着眼于地基与建筑物基础的协调工作,采取措施吸收地表变形,能提高建筑物自身的抗变形能力,可能会有新的思路(滑动层就是一个很成功的措施)。作为一个系统,系统本身具有自组织能力,不断建立新的平衡,基础切入地基这一事实,就是建筑物基础和地基谋求新平衡的体现。从这个观点出发采空区地基在满足建筑物所需要承载力的条件下,其刚度储备不宜过高,以便在受采动影响,地表不均匀沉降时建筑物基础能易于切入,使基础和地基的变形尽快协调,减少基础的附加应力,从而达到保护建筑物的目的。

参考文献

[1]周国铨等.我国抗变形农村房屋下采煤技术.矿山测量,1(1992)

[2]仲继寿.采空区砌体结构房屋变形控制设计.煤炭工业出版社,1995

[3]于广明等.采动建筑物破坏程度预测及破坏机理研究.阜新矿业学院学报,V o l .11,N o .1

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