【文章內(nèi)容簡介】 即 : Q=W +BP02f =γH[BHtanφtan2(45176。 )]+B P0 當 H 增大至某一深度，使頂板巖層恰好保持自然平衡狀態(tài) (即 Q=0)，此時的 H 稱為臨界深度 H0，可得臨界深度的計算公式 : H0= 當 HH0 時，地基不穩(wěn)定；當 H0≤ H≤ H0 時，地基穩(wěn)定性差；當 H≥ H0 時，地基穩(wěn)定。該方法僅適用于埋深較淺、地質(zhì)條件簡單的小煤窯采空區(qū)場地。 (2) 附加應力法 附加應力法是以建筑物荷載影響深度與采空區(qū)冒落裂隙帶發(fā)育高度是否重疊來確定建筑物層數(shù)、判斷采空區(qū)地基穩(wěn)定性的方法。 冒落裂隙帶發(fā)育高度與建筑物荷載影響深度之間存在三種情況，其中建筑物荷載影響深度是由地基產(chǎn)生的21 2?2H? 2?2?245t a nt a n2245t a nt a n422022??????????????（（PBBB附加應力決定，即當?shù)鼗懈郊討?σz=(σc為自重應力 )時，把此時的深度z 作為建筑物荷載影響深度。 1)當建筑物荷載影響深度與冒落裂隙帶頂界面之間有一定的距離時，這種情況不會影響冒落裂隙帶的穩(wěn)定性； 2)當建筑物荷載影響深度與冒落裂隙帶頂界面正好接觸時，在這種情況下建筑物荷載為臨界荷載； 3)當建筑物荷載影響深度進入冒落裂隙帶內(nèi)時，這種情況建筑物荷載會影響冒落裂隙帶的穩(wěn)定性，建筑物會受到較大不均勻沉降的影響。該方 法難以考慮上覆巖層復雜的地質(zhì)構(gòu)造條件及冒落裂隙帶的后期變化，而且也只能算作一種定性分析方法。 (3) 數(shù)值分析法 國外學者在 20世紀 80年代后期運用有限元和邊界元法研究采動覆巖產(chǎn)生垮落的開采條件和垮落高度、覆巖產(chǎn)生離層裂縫的力學條件及離層裂縫的位置和高度等。 20 世紀末國內(nèi)學者康建榮運用相似材料模擬和離散元法研究了采動覆巖離層形成的過程、機理及基本規(guī)律，并開發(fā)了適用于任意形狀、多工作面、多開采線段的開采沉陷預計系統(tǒng)。這些研究成果為進一步研究老采空區(qū)在建筑物荷載作用下的地基穩(wěn)定性問題奠定了基礎(chǔ)。 常江以彈塑性理論為依據(jù)，將老采空區(qū)地層概化為一個連續(xù)介質(zhì)和碎裂介質(zhì)的耦合體，運用有限元法分析了不同覆巖組合對采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性的影響。老采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性的力學分析是一個極其復雜的問題。它不僅和開采煤層的厚度、傾角、埋深、上覆巖層的巖性、物理力學性質(zhì)、厚度、賦存狀態(tài)、場地地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件以及煤礦開采方法、開采面積、開采次數(shù)、頂板管理方法等地質(zhì)采礦條件有關(guān)，而且也和新建建筑物荷載的大小、位置、基礎(chǔ)類型等密切相關(guān)。 建筑荷載作用下采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價 煤層開采后，上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。一般來說，垮落帶和斷裂帶的巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，而彎曲帶的巖層性態(tài)改變較小。在已穩(wěn)定的采空區(qū)地表新建建筑物時，建筑物荷載影響到地表以下一定深度，如果建筑荷載的影響深度足以觸及到開采所形成的垮落帶、斷裂帶時，就會破壞其業(yè)已平衡狀態(tài)而重新發(fā)生移動，使穩(wěn)定地表重新沉降；如建筑荷載僅影響斷裂帶時，殘余沉降相對較??；如建筑荷載影響到垮落帶時，殘余沉降相對要大的多，對建筑物的危害也較大?？迓鋷Ш蛿嗔褞У陌l(fā)育高度主要與煤層開采厚度、傾角、開采尺寸、覆巖巖性、頂板管理方法等因 素有關(guān)，一般情況下，垮落帶的發(fā)育高度為煤層采厚的 3～ 5 倍，斷裂帶的發(fā)育高度為煤層采厚的 9～ 35 倍。建筑物的建造使地基土中原有的應力狀態(tài)發(fā)生變化，建筑物荷載向地基下的影響深度隨高度的增加而增大。由于建筑物荷載在地基中產(chǎn)生的附加應力隨著深度的增加逐漸減小，而地基土層的自重應力隨著深度的增加逐漸增大。對于采空區(qū)，當建筑物荷載在地基中產(chǎn)生的附加應力等于相應深度處地基土層的自重應力的 10%時，可認為建筑物荷載對該深度處的地層不產(chǎn)生多大影響，該深度即為建筑物荷載影響深度。建筑物荷載影響深度與建筑物的結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)型式、基礎(chǔ) 埋深、荷載大小等有關(guān)，一般淺基礎(chǔ)的建筑物荷載影響深度為 10～ 30 m。采空區(qū)不再因建筑荷載擾動而重新沉降時，煤層最小采深 度 （ H 臨 ）應該大于斷裂帶 的 高度（ H 裂 ）與建筑荷載影響深度（ H 影 ）兩者之和，即： H 臨 H 裂 + H 影 ， 當實際采深大于 H 臨 時，建筑荷載不會使采空區(qū)重新沉降；當實際采深小于 H 臨 時，地表會再次產(chǎn)生一定量的沉降。正常情況下，當采深大于 150 m 和深厚比大于 30 后，地表新建建（構(gòu)）筑物不會對采空區(qū)產(chǎn)生影響。特別應指出的是，當采深超過 150 m 后，采空區(qū)雖不受新建建筑荷載的影響，但仍會受到其它因素如附近 開采波及、采空區(qū)積水增減等的影響，致使地表出現(xiàn)殘余沉降。 對于長壁工作面正規(guī)大面積開采而言，地下煤層開采結(jié)束以后，當?shù)乇戆肽昀塾嬒鲁亮啃∮?30mm，此時可認為地表移動穩(wěn)定。當在此采空區(qū)地表不進行大規(guī)模工程建設時，地表會一直保持這種穩(wěn)定狀態(tài)。但若在此采空區(qū)上地表新建建（構(gòu)）筑物，由于新建建（構(gòu)）筑物的荷載向地下有一定影響深度，當這個深度與地下采空區(qū)的垮落帶、斷裂帶相交疊時，就會破壞垮落斷裂帶業(yè)已平衡狀態(tài)，而使覆巖重新發(fā)生較大的移動變形。 (1) 覆巖破壞高度計算 煤層開采后，一般上覆巖層形成垮落帶、 斷裂帶、彎曲帶。在垮落帶，巖層被斷裂成塊狀，巖塊間存在較大孔隙和裂縫。在斷裂帶，巖層產(chǎn)生斷裂、離層、裂縫，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。在彎曲帶，巖層基本上呈整體下沉，但軟硬巖層間可形成暫時性離層，其巖體結(jié)構(gòu)破壞輕微。因此，垮落帶、斷裂帶的巖層雖經(jīng)多年的壓實，仍不可避免地存在一定的裂縫和離層，其抗拉、抗壓、抗剪強度明顯低于原巖的強度。如果新建建筑物荷載傳遞到這兩帶，在附加荷載作用下會進一步引起沉降和變形，甚至造成建筑物的破壞?？迓鋽嗔褞У陌l(fā)育高度，主要與開采煤層的厚度、傾角、開采尺寸、覆巖巖性、頂板管理方法等有關(guān)， 參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，選取計算公式如下： 式中： ∑M——每個煤層的累計采厚， m。 (2) 建（構(gòu)）筑物荷載影響深度計算 建（構(gòu)）筑物的建造使地基土中原有的應力狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起地基變形，出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降。建（構(gòu)）筑物荷載的影響深度隨建筑荷載的增加而增大。一般地，當?shù)鼗薪ㄖ奢d產(chǎn)生的附加應力等于相應深度處地基層的自重應力的20%時，即可以認為附加應力對該深度處地基產(chǎn)生的影響可忽略不計，但當其下方有高壓縮性土或別的不穩(wěn)定性因素，如采空區(qū)垮落、斷裂帶時，則應計算附加應力直至地基自重應力 10%位置處，方可認為附加應力對該深度處的地基不產(chǎn)生多大影響。深度即為建（構(gòu)）筑物荷載影響深度（ H 影）。 地基中自重應力用下式計算： 式中： r r … 、 rn——為地基中自上而下各層土或巖石的容重， kN/m3； 1020 ??? MH 裂nn2211c hrhrhr ????? ? h h … 、 hn——為地基中自上而下各層土或巖石的厚度， m。區(qū)域第四系表土層厚取 20m，表土層計算容重取 20kN /m3，以下巖層計算容重取25kN /m3。 地基附加應力按下式計算： σZ=kP0 式中： k—各種荷載（矩形、方形、條形荷載等）下的豎向附加應力系數(shù)； P0—作用于基礎(chǔ)底面平均附加壓力， kN/㎡ ； P0= P r0D P—建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)底面處豎向均布荷載， kN/㎡ ； r0—基礎(chǔ)底面標高以上天然土層的容重， r0=20kN/m179。； D—基礎(chǔ) 埋深， m。 保護技術(shù)措施 開灤、平頂山、陽泉、焦作、晉城等礦區(qū)，也在采空區(qū)上方地表新建了住宅樓、辦公樓、大型工業(yè)廠房，還有高速公路等，充分合理地利用了采煤塌陷地。由于事先對采空區(qū)地表建房進行了正確評價并采取了合理的結(jié)構(gòu)措施，因此均能確保建筑物安全正常使用。在采空區(qū)地表新建建筑物時，通常要對其采空區(qū)的穩(wěn)定性進行評價，計算地表殘余沉降變形。當?shù)乇須堄喑两底冃伪容^均勻、變化平緩，且數(shù)值較小時，建筑物只要采取適當?shù)目棺冃谓Y(jié)構(gòu)保護措施就可以確保建筑物的安全，可不必對采空區(qū)進行處理；對于采深較小的部分開采后形成 的采空區(qū)，由于其地表較長時間處于不穩(wěn)定狀態(tài)，或在外在因素的影響下使地表產(chǎn)生較大沉降、抽冒，在這類地表新建建筑物，一般應對地下采空區(qū)采取處理技術(shù)措施，確保采空區(qū)不再發(fā)生較大的沉降量，建筑物采取適當?shù)目棺冃谓Y(jié)構(gòu)保護措施抵抗采空區(qū)處理后的殘余變形；對于采深較小的長壁開采后形成的采空區(qū)，如果殘留煤柱較多，地表殘余沉降變形值較大，也應對采空區(qū)進行處理并采取抗變形結(jié)構(gòu)保護措施；對于采深較大的部分開采后形成的采空區(qū)，考慮其一般不會產(chǎn)生劇烈沉降，如采用采空區(qū)處理措施，勢必增大建筑成本，抵抗今后可能的地表殘余沉陷變形，可只采 取建筑物抗變形措施。 5 采空區(qū)針對地基沉降規(guī)律處理技術(shù) 目前針對采空區(qū)的處理方案主要可分為地下處理和地上處理兩大類。所謂地上處理方法，是指采用間接的措施來適應下伏采空區(qū)而引起的地表變形，目前采用的方法主要是地面建筑物的結(jié)構(gòu)設計采用抗變形措施。地下處理方法，主要是指針對地下采空區(qū)這一特殊地基問題，采用各種地基處理加固的方法。 建筑物抗變形設計 早在十九世紀末，德國最早開始進行建筑物下采煤的研究工作，并成功地實現(xiàn)了在愛森、帕哈慕等 城市下方采煤。當時未采取地面建筑物保護措施，而采取了井下采空區(qū)填充法開采。到了二十世紀前期，德國魯爾礦區(qū)就已提出采取建筑物結(jié)構(gòu)措施保護建筑物。第二次世界大戰(zhàn)以后，德國在礦區(qū)內(nèi)新建建筑物時均采用了抵抗地表變形影響的建筑物結(jié)構(gòu)保護措施，以后進行建筑物下采煤創(chuàng)造了十分有利的條件，同時，為指導建筑物下采煤，還制定了采動區(qū)興建建筑物的相關(guān)法規(guī)。波蘭的建筑物下采煤技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先地位，波蘭在建筑物下采煤的實踐和理論上都取得很大的成績，技術(shù)水平較高，并且已開始系統(tǒng)化了，克諾特的地表變形預計理論已被廣泛采用。波蘭還制定 了指導性文件，如《受 5 采動影響地面建筑物的建筑技術(shù)規(guī)程》等。波蘭對舊建筑物一般只采用錨固拉桿加固及修補和粉刷墻壁裂縫等措施，有時設置鋼筋混凝土錨固板，以形成強度較高的整體基礎(chǔ)。波蘭還采用設置鋼筋混凝土錨固拉桿或鋼