基于離散元法的采空區(qū)建筑物穩(wěn)定性分析

基于離散元法的采空區(qū)建筑物穩(wěn)定性分析

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，可供建筑的土地資源嚴(yán)重不足，越來越多的建筑不得不建在舊礦區(qū)。這就使老采空區(qū)上方進(jìn)行不良地基穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)、保證新建建筑物的安全使用問題變得十分突出。由于采空區(qū)的特殊性,在采空區(qū)地表新建建筑時(shí),靜荷載或動(dòng)荷載作用下有可能使原本處于相對(duì)平衡狀態(tài)的冒裂帶巖體重新活化,使冒裂帶巖體再壓密、地下殘留空洞再冒落,導(dǎo)致地表產(chǎn)生附加移動(dòng)和變形,進(jìn)而使新建建筑物沉降、局部開裂、傾斜、直至倒塌。開展對(duì)老采空區(qū)穩(wěn)定性及其變形破壞規(guī)律的研究工作,對(duì)老采空區(qū)建筑地基的處理、采空區(qū)建筑物的布置及其抗變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等都具有極其重要的理論和實(shí)際價(jià)值。采空區(qū)頂板穩(wěn)定性問題主要取決于巖體的不連續(xù)性。3DEC(3DimensionDistinctElementCode)為美國ITASCA公司所開發(fā)的離散元法數(shù)值分析程序,主要針對(duì)巖體介質(zhì)的不連續(xù)性問題研發(fā),采用不連續(xù)力學(xué)理論的離散元方法求解。1地貌單次地形唐山市古冶供電分公司新建11#樓工程擬建工程場地位于唐山市古冶區(qū)京華道南側(cè),古冶供電分公司家屬住宅小區(qū)南側(cè),屬丘陵坡崗區(qū),地勢東高西低,呈緩傾斜狀,地形較簡單,地貌單一。場區(qū)地層除表層雜填土外均為第四系粘性土、石灰泥巖、泥質(zhì)砂巖、礫巖以及奧陶系石灰?guī)r。通過工程勘察在11#樓工程擬建場地發(fā)現(xiàn)地下采空區(qū),經(jīng)調(diào)查為1956年開灤礬土礦采空區(qū),頂板埋深46～47m左右,寬度15～20m,采空區(qū)高度3～3.4m,采空區(qū)基本呈水平分布。2該采空區(qū)建筑基本結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析2.1采空區(qū)模型建立3DEC使用的是左手法則的坐標(biāo)系統(tǒng),本次計(jì)算中坐標(biāo)系的選擇以方便建模為準(zhǔn)則,取X的正向與采空區(qū)的走向方向一致,Y軸的正向垂直向上,取值與高程一致,Z軸取30°方向。建立3DEC模型可以有2種途徑,一種是由整體到個(gè)別的方式,把一個(gè)預(yù)先生成的模型塊體通過反復(fù)切割形成需要的形狀;另一種方式是從個(gè)別到整體,先建立各個(gè)滿足要求的小模型,然后拼裝成整體模型。在實(shí)際建模中,這2種辦法可以交替使用,即進(jìn)行半整體、半拼裝式的建模,以達(dá)到最佳效果。本研究在建立采空區(qū)模型時(shí),采用了由整體到個(gè)別的方式。為了模型的邊界足夠遠(yuǎn)而不影響計(jì)算結(jié)果,考慮到采空區(qū)的尺寸,模型中左邊的范圍為120m×70m×100m(X,Y,Z)。計(jì)算模型如圖1所示。2.2建筑物荷載的加而等梯度Y=10m的面為應(yīng)力邊界面,只施加垂直壓應(yīng)力,隨深度增加而等梯度增加。在建筑物的地方施加130kPa的建筑物荷載。在Y=-60m、X=0m、X=120m、Z=0m和Z=100m的面上均為位移邊界,限制節(jié)點(diǎn)的位移。2.3考慮拉伸破壞的模型計(jì)算過程中采用Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞模式,見圖2所示。圖2中A-B點(diǎn)符合Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則fs=σ1?σ3N?+2cN????√,fs=σ1-σ3Ν?+2cΝ?,B-C點(diǎn)符合拉伸破壞準(zhǔn)則ft=σ3?σt,ft=σ3-σt,式中,c為內(nèi)聚力;σt為抗拉強(qiáng)度;N?=(1+sin?)/(1-sin?);?為摩擦角;σ1,σ3分別為第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力。當(dāng)巖體內(nèi)的某一點(diǎn)應(yīng)力fs>0時(shí),發(fā)生剪切破壞;當(dāng)滿足ft>0時(shí),發(fā)生拉伸破壞。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,考慮到巖石的尺度效應(yīng),進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整,模型內(nèi)塊體選Mohr-Coulomb模型,考慮自重,材料按塑性應(yīng)變規(guī)律變化。節(jié)理特性主要考慮其法向剛度和切向剛度。模擬計(jì)算采用的巖體力學(xué)及結(jié)構(gòu)面參數(shù)見表1和表2所示。3注漿充填后圍巖應(yīng)力分布圖3所示為采空區(qū)未處理情況下圍巖應(yīng)力云圖,從圖3中可以看出采空區(qū)受到建筑物地基施加的荷載,在采空區(qū)隅角有應(yīng)力集中,在采空區(qū)頂板及底板處應(yīng)力較小,為塑性區(qū)。在注漿充填后其圍巖應(yīng)力云圖如圖4所示,從圖中可知在充填后應(yīng)力分布比較均勻。圖5及圖6是位移場,在未處理情況下,施加建筑物荷載后引起的最大沉降量為20cm左右,在注漿充填后,主要是建筑物所引起的沉降,最大沉降量為2.5cm左右。圖7為監(jiān)測點(diǎn)(60m,10m,50m)處的沉降曲線圖,由圖可知最大沉降量為20cm左右,圖8為充填后監(jiān)測點(diǎn)(60m,10m,50m)處的沉降線圖,由圖可知其最大沉降量范圍為3.25～4cm。4非連續(xù)非線性數(shù)值模擬根據(jù)工程地質(zhì)條件,通過3D離散元軟件3DEC對(duì)唐山古冶分公司新建11#樓下伏采空區(qū)進(jìn)行了非連續(xù)非線性數(shù)值模擬,模擬結(jié)果表明老采空區(qū)在不處理的情況下沉降量為20c