老采区地表新建建筑物地基稳定性计算方法研究

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在城市中心化的社会发展潮流及入城人口大量增长的情况下,许多煤矿资源型城市的建设用地面临着愈发增大的缺口。煤矿采空区面积巨大,利用前景广阔,合理利用煤矿老采区的土地资源成为一个解决矿产资源型城市建设用地紧张问题的出路。通过对煤矿老采区进行可行性评估将老采区地表土地变为建设用地对实现地方经济可持续发展具有重要意义。对于拟建于走向长壁式煤矿开采方法的老采区地表的新建建筑物,在进行设计时,必须要先对建筑物地基稳定性进行预测评估。由于老采区地表新建建筑物的荷载及其他多种因素共同影响,老采区覆岩中原有的力学平衡状态可能会被打破,发生二次“活化”—即地表残余移动变形,同时老采区的地表残余移动变形又会对地表建(构)筑物稳定性产生不可忽略的负面影响,这就造成一个恶性循环。然而目前我国相关规程中与采空区地表残余移动变形相关的条文规定仍不完善。本文主要研究不同基础选型对老采区建筑地基稳定性的影响及老采区地表新建建筑物荷载对地表残余移动变形的触发性判别,对填补完善相关规程及对实际工程提供理论指导具有一定价值。通过对国内外研究资料及实际项目的考察发现,老采区地表新建建筑物附加应力是诱发老采区二次“活化”诸多因素中影响最大的一个。目前,对于由地表新建建筑物荷载造成的老采区地表残余移动变形问题进行判别时所采用的影响深度计算方法大多基于Boussinesq模型,但该模型未能考虑到老采区地层土的分层特性与竖向非均质性。在采用Boussinesq模型计算老采区地表建筑物荷载影响深度时,往往忽略土(岩)层间变形模量与土(岩)体容重的变化所造成的影响,如下伏硬岩层使附加应力在上部软土层中产生的应力集中以及下部硬岩层对应力的衰减作用,或下卧软土层使附加应力产生的应力扩散现象。因此,采用传统的Boussinesq模型所求得的结果与实际情况有时相差过大。当地基土层为上硬下软时,采用Boussinesq模型计算结果往往会偏大;当地基土层为上软下硬时,采用Boussinesq模型计算结果往往在上覆土层部分结果偏小,而又忽略了硬岩层的应力衰减,这些后果即可能使设计方案过于保守,造成资源上的浪费亦可能导致各类工程隐患。故对老采区建筑荷载的安全深度进行计算时采用的传统的Boussinesq地基模型无法满足工程中的实际情况。本文基于状态空间理论,考虑了老采区地层中不同土(岩)层变形模量E的变化对建筑物荷载附加应力影响深度的影响,采用传递矩阵法建立了条形基础、板型基础、独立基础的影响深度计算模型。根据建立的数学模型,借助VisualBasic软件编写了判别程序。利用模型对比的定量验证以及FLAC3D模拟的定性验证两种方法对所推导的数学模型和所编制的程序进行了检验,结果证明了理论预测模型以及计算程序在实际工程中具有正确性和可推广性。
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