復(fù)雜地質(zhì)條件下的多層采空區(qū)地質(zhì)模型

復(fù)雜地質(zhì)條件下的多層采空區(qū)地質(zhì)模型

1建立單位及區(qū)域地層格局現(xiàn)在，隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采的多年開(kāi)采，形成了多階段復(fù)雜的開(kāi)采區(qū)，給土木工程帶來(lái)了巨大的安全隱患。國(guó)內(nèi)外對(duì)單一硐室(類(lèi)似采空區(qū))的變形研究較多,而對(duì)多層復(fù)雜采空區(qū)的變形尚無(wú)研究。根據(jù)勘查的結(jié)果,開(kāi)展對(duì)采空區(qū)建筑場(chǎng)地的工程地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及其變形破壞規(guī)律的研究工作,預(yù)測(cè)采空區(qū)在處理前后的沉降變形,對(duì)建筑物的布局、基礎(chǔ)型式的確定和抗變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等有著重要的理論和實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。擬建的陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)馨安家園住宅樓位于陽(yáng)泉市礦區(qū)。地表下伏有小煤窯采空區(qū),開(kāi)采方法一般為“開(kāi)巷擴(kuò)幫”或“穿洞刷幫式”,采出率較低(10%~20%)。局部或頂板較易維護(hù)段能有較大空間的開(kāi)采方式——禮堂式開(kāi)采,場(chǎng)區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)塌陷坑。由于建筑區(qū)存在淺層煤層采空區(qū)及K2灰?guī)r溶洞區(qū),造成場(chǎng)區(qū)地基不穩(wěn)定。擬建馨安家園為6棟住宅樓,長(zhǎng)37~59m,寬17~24m,1~3號(hào)樓層高10~15層,4~6號(hào)樓層高21層,擬建小區(qū)建設(shè)用地南北長(zhǎng)約151m,東西寬約140m,面積約15612m2。擬建小區(qū)詳勘時(shí)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地內(nèi)存在13號(hào)煤、15號(hào)煤采掘巷道、采空區(qū)以及K2灰?guī)r溶洞,其中13號(hào)煤厚度0.5~1.5m,15號(hào)煤6.14~9.79m。根據(jù)調(diào)查訪(fǎng)問(wèn),研究區(qū)內(nèi)的13號(hào)煤經(jīng)歷過(guò)小窯開(kāi)采,局部地段的15號(hào)煤經(jīng)歷過(guò)規(guī)模較大的開(kāi)采,開(kāi)采時(shí)間約在20世紀(jì)60年代,甚至更早。利用鉆孔進(jìn)行直達(dá)波地震勘探,同時(shí)運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探查,查明了建筑場(chǎng)地內(nèi)煤礦采空區(qū)的分布(圖1)。2采空區(qū)建筑物穩(wěn)定性評(píng)價(jià)2.1地質(zhì)條件及地形數(shù)值模擬是工程地質(zhì)分析的重要而有效的方法之一,數(shù)值模擬在地質(zhì)工程中的應(yīng)用主要難點(diǎn)之一就是難以建立符合實(shí)際地形、地質(zhì)條件的模型。建筑區(qū)內(nèi)勘探范圍為多層厚度不同、性質(zhì)各異、緩傾斜褶皺地層,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將建筑區(qū)內(nèi)巖層按巖性和完整性劃分為砂巖巖組、泥巖巖組、灰?guī)r巖組、煤巖巖組、破碎巖組(采空區(qū)堆積巖體)和松散巖組(第四系松散層)等6個(gè)類(lèi)型,自上而下共劃分出10個(gè)工程地質(zhì)巖組(圖2)。1細(xì)砂巖巖石類(lèi)型研究區(qū)內(nèi)的砂巖分布廣泛,粒徑變化大,從中粗砂巖到細(xì)砂巖均有分布。巖石吸水率低,抗風(fēng)化能力強(qiáng),力學(xué)強(qiáng)度高,但巖石性質(zhì)的差異也較大。巖體中結(jié)構(gòu)面較發(fā)育,導(dǎo)致巖體的整體強(qiáng)度下降,砂巖巖組工程地質(zhì)性質(zhì)較好。2石的吸水率和力學(xué)性能巖性包括泥頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖和鋁土巖等。巖石的吸水率相對(duì)較高,遇水易軟化崩解,抗風(fēng)化能力弱,力學(xué)強(qiáng)度低。巖體成層性好,巖層厚度較薄,泥巖巖組工程地質(zhì)性質(zhì)差。3石灰?guī)r巖組主要為分布在15號(hào)煤頂板的K2灰?guī)r段,巖石強(qiáng)度較高,性質(zhì)穩(wěn)定,抗風(fēng)化能力強(qiáng),是15號(hào)煤頂板的標(biāo)志層?；?guī)r巖組的工程地質(zhì)性質(zhì)較好。4煤巖巖群未采動(dòng)的15號(hào)煤層。5破碎巖組研究區(qū)內(nèi)的煤層采空區(qū)已經(jīng)塌陷多年,垮落帶內(nèi)的巖體大部分已經(jīng)被壓密,但工程地質(zhì)性質(zhì)極差,故應(yīng)單獨(dú)劃分,稱(chēng)為破碎巖組。6幾何模型的建立及巖組劃分研究區(qū)內(nèi)的第四系松散層,主要為黏性土、卵石層。總體上,松散巖組工程地質(zhì)性質(zhì)差。為了模擬出不同巖組的三維形態(tài),根據(jù)煤層底板等高線(xiàn)、第四系底界等資料,利用趨勢(shì)面分析法得到各巖組層面的趨勢(shì)方程,再通過(guò)計(jì)算機(jī)編程,在FLAC3D軟件平臺(tái)下,構(gòu)建了建筑區(qū)的地質(zhì)體幾何模型(圖3)。模型的空間范圍為鉛直方向上自600水平以上,水平方向?yàn)殚L(zhǎng)×寬=150m×150m(包含1號(hào)~6號(hào)樓體),共劃分出個(gè)35100單元,38440個(gè)節(jié)點(diǎn)。在巖組劃分中,13號(hào)煤采空區(qū)厚度薄,且已垮塌壓密,故將其與頂板泥巖合并為泥巖巖組。15號(hào)煤采空區(qū)厚度大,對(duì)地面變形影響大,故劃分為破碎巖組。為了更好的展示模擬計(jì)算的成果,在模擬的范圍內(nèi),在A-A′,B-B′,C-C′處作3個(gè)切面(圖4),能顯示模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、位移等情況(圖5)。2.2反演法上殘余沉降量的計(jì)算數(shù)值模擬方法應(yīng)用廣泛,但該方法應(yīng)用在地質(zhì)工程中存在的最大問(wèn)題在于計(jì)算的精確度,由于地質(zhì)體的各向異性、地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性,使得地質(zhì)體的材料屬性難以準(zhǔn)確獲取,而巖石試驗(yàn)的成果數(shù)據(jù)是不能直接賦給巖體進(jìn)行計(jì)算和使用的。為了解決這個(gè)問(wèn)題,一般采用反演法較好。以地表變形計(jì)算的殘余沉降量作為已知的結(jié)果,通過(guò)綜合參考巖石試驗(yàn)的結(jié)果、原位測(cè)試的結(jié)果以及類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn),將地質(zhì)模型中各類(lèi)巖組賦予適當(dāng)?shù)奈锢砹W(xué)性質(zhì)參數(shù),進(jìn)行反復(fù)試算、調(diào)整,直到計(jì)算結(jié)果與已知的結(jié)果能較好的吻合,方可認(rèn)為材料參數(shù)基本符合實(shí)際。通過(guò)反復(fù)試算后,將各巖組類(lèi)型賦予表1所示的參數(shù)值,可得到較符合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果,故認(rèn)為表中所列數(shù)值即為研究區(qū)地質(zhì)體的實(shí)際屬性數(shù)值。根據(jù)以上反演擬合的巖組屬性參數(shù),模擬計(jì)算地面變形,在采空區(qū)未作處理時(shí),計(jì)算結(jié)果如圖6所示,最大沉降12.65mm,與概率積分計(jì)算的殘余沉降基本一致。對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿處理后,對(duì)采空區(qū)部分的材料參數(shù)作強(qiáng)化處理,計(jì)算結(jié)果如圖7所示,地面沉降變形很小,最大沉降為4.62mm。2.3樓體基礎(chǔ)模擬計(jì)算根據(jù)場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告(2006年7月11日),1—3號(hào)樓擬采用筏板基礎(chǔ),基底標(biāo)高分別為+681,+682,+685m。5—6號(hào)樓為21層的高層建筑,應(yīng)采用樁基礎(chǔ)為宜,假定基底標(biāo)高為+676m。按照以上假定的基礎(chǔ)型式建立地下基礎(chǔ)的幾何模型,其地面位置按實(shí)際位置標(biāo)定,其地下基礎(chǔ)形態(tài)按照實(shí)體基礎(chǔ)模擬,基底標(biāo)高按照勘察報(bào)告推薦的標(biāo)高值,或按假定的樁基基底標(biāo)高。在此基礎(chǔ)上,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,各樓體的地面荷載按20kPa/層估算,得1—6號(hào)樓地面荷載分別為200kPa(1號(hào)樓)、240kPa(2號(hào)樓)、300kPa(3號(hào)樓)、420kPa(4號(hào)樓)、420kPa(5號(hào)樓)、420kPa(6號(hào)樓)。基礎(chǔ)按2000kN/m3計(jì),體積模量31.3GPa、剪切模量11.2GPa、黏聚力2.0MPa、內(nèi)摩擦角25°、抗拉強(qiáng)度1.2MPa、剪脹角4°。計(jì)算過(guò)程中,研究區(qū)沉降變形達(dá)到穩(wěn)定后,其最大地面沉降值為4.69mm,與無(wú)建筑物建設(shè)的條件下地面沉降變形狀況相比,并沒(méi)有多大改變,只是地面變形大小的差異有所變化。各切面位移云圖如圖8所示,與圖7相比,僅表現(xiàn)在沉降變形的差異有所變化。計(jì)算中,記錄了1—6號(hào)樓基礎(chǔ)底面中心點(diǎn)的沉降曲線(xiàn),其中1,3,6號(hào)樓基底中心點(diǎn)的沉降曲線(xiàn)如圖9所示,由于模型四面約束,基底在沉降穩(wěn)定后,在側(cè)壓力作用下略有隆起。3沉降量及抗變形措施1)通過(guò)對(duì)研究區(qū)的地層、采空區(qū)進(jìn)行建模、計(jì)算,結(jié)果顯示:對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)的采空區(qū)進(jìn)行注漿處理之后,再在研究區(qū)進(jìn)行1—6號(hào)樓建設(shè),并選擇適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)型式,則有無(wú)建筑物條件下的地面沉降變形值都很小,且有無(wú)建筑物條件下的地面沉降變形的變化也都很小,表明了研究區(qū)通過(guò)注漿處理采空區(qū)之后,其工程地質(zhì)條件良好,新建建筑物的荷載對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性影響很小,因建筑物荷載引起的巖層新增沉降量亦很微小,場(chǎng)地適宜于進(jìn)行工程建設(shè)。2)數(shù)值模擬計(jì)算是在簡(jiǎn)化地質(zhì)條件和工程條件、反演地質(zhì)體材料屬性參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,其優(yōu)越之處在于最大限度地按照實(shí)際地質(zhì)體的條件、進(jìn)行精確的數(shù)值計(jì)算,盡管其結(jié)果與實(shí)際情況可能仍存在一定差異,但只要這種差異能縮小在可控制的范圍內(nèi),則其結(jié)果就具有較好的指導(dǎo)意義。3)老采空區(qū)上方建筑物結(jié)構(gòu)抗變形措施。根據(jù)采空區(qū)上方地面殘余沉降預(yù)計(jì)結(jié)果,并結(jié)合研究區(qū)擬建建筑物基本情況,建議對(duì)擬建的建筑物采取如下保護(hù)措施:①合理調(diào)整各建筑物布局,盡量使建筑物位于預(yù)測(cè)殘余沉降較均勻區(qū)域,避免使長(zhǎng)建筑物跨越殘余沉降差異較大的區(qū)域;建筑物的形式力求簡(jiǎn)潔,以矩形為宜;建筑物的長(zhǎng)軸方向應(yīng)盡量與地層走向方向平行。②對(duì)于長(zhǎng)度較大的建筑應(yīng)設(shè)置沉降變形縫,變形縫的間距即各獨(dú)立單元的長(zhǎng)度在30m左右為宜;變形縫必須從基