《开采损害学》课程讲义8Word格式.docx
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2.人为因素引起的建筑物破坏
(1)地基或基础质量不好如果建筑物基础未埋入土体内足够的深度,或地基土体的承载能力不够,或基础放在未压实的回填土上,则建筑物上可能出现下沉或剪切裂缝。
一座建筑物基础各部位的深度不同,他们的下沉量也不同,这种下沉量的差异会引起建筑物上的垂直剪切裂缝。
(2)建筑物结构设计有缺陷主要是建筑物未设变形缝,特别是在承重结构或材料变化的地方等均会导致建筑物的破坏。
(3)建筑材料质量差或建造工程质量低表现为墙内墙皮脱落,门窗横梁歪斜和支柱的不均匀下沉。
非采矿引起建筑物破坏因素很多,在实践中应详细观察研究。
8.1.2开采沉陷房屋损害
地下开采对地表房屋的损害主要是由采动地表在垂直方向的移动变形(下沉、倾斜、曲率、扭曲),水平方向的移动变形(水平移动、拉伸与压缩变形)以及地表平面内的剪应变引起。
不同性质的地表移动变形,对房屋的影响是不同的。
1.开采沉陷房屋损害类型
(1)下沉对房屋的损害
(a)均匀沉陷与非均匀沉陷影响
(b)地下水位影响
(c)局部沉陷对建筑物附属设施功能的影响
(d)对建筑物基础承载能力的影响
(2)倾斜对房屋的损害
地表倾斜Þ
房屋的歪斜Þ
房屋重心偏离Þ
产生附加倾覆力矩Þ
承载结构内部将产生附加应力Þ
基础承载压力重新分布。
(a)改变了房屋结构的承载力的平衡条件,在倾斜下边一侧的墙体由于受到偏心力的作用,产生水平剪切力,一般沿墙体下方靠近基础部位产生水平剪切裂缝(图8.2)。
(b)地面易于积水,楼房底层发生下水道倒流等现象,影响正常生活和使用。
(c)尤其对高层建筑物的损害明显。
(3)地表曲率对房屋的损害
(a)地表曲率变形将原来房屋的平面基础变为曲面形状。
这样,建筑物的荷载与基础土壤反力间的初始平衡状态遭到了破坏。
图8.1采动过程中地表建筑物承受的移动变形过程
Ⅰ—建筑物的初始状态,Ⅱ—建筑物位于最大受拉伸变形位置,Ⅲ—建筑物位于最大倾斜位置,Ⅳ—建筑物位于最大压缩位置,Ⅴ—建筑物位于地表稳态下沉盆底
(b)房屋在受到正、负曲率影响下,将使地基反力重新分布,而使房屋墙壁在竖直面内受到附加的弯矩和剪力的作用(图8.3),
(c)在正曲率变形作用下,房屋产生倒八字形裂缝,裂缝最大宽度在其上端;
(d)在负曲率变形作用下,房屋产生正八字形裂缝,裂缝的最大宽度在其下端(图8.4)。
在采深较小、建筑物整体尺寸较大的条件下,地表曲率变形对建筑物的损害较严重,一般当采深采厚之比H/m<
30时,地表将产生极为严重的裂缝,塌陷坑等非连续移动变形破坏,对房屋损害极为严重;
当深厚比H/m>
300时,地表曲率变形对房屋影响很小。
(4)地表水平变形对房屋的损害
(a)一般拉伸变形易于损坏房屋;
(b)压缩变形较小时,影响不大,较大时,破坏更严重;
(5)剪切变形房屋损害
当房屋处于下沉盆地主断面上,但其方位与回采区段斜交,或者房屋处于下沉盆地非主断面位置时,在地表剪切变形作用下,房屋的纵横基础间将产生相对转动,从而使房屋改变了原有的平面形状(图8.5)
图8.5地表沉陷引起房屋基础的剪切变形
(6)扭曲变形对房屋的损害
由于两个横墙处的地表倾斜值不同,导致了地表沿房屋的纵轴中心线产生了扭曲变形,导致房屋扭转变形的产生,见图8.6中c),d)。
图8.6地表沉陷引起房屋基础应力状态
a)—正曲率变形基础应力分布,b)—基础均匀下沉的应力分布
c)—对称x轴基础扭曲变形的应力状态,d)—对称y轴基础扭曲变形的应力状态
2.移动盆地内不同位置移动变形对建筑物的影响
如图8.7中所示,位于移动盆底位置的建筑物受影响程度最小(建筑物a);
移动盆平底至靠近开采边界部分,建筑物受压缩变形(建筑物b);
移动盆地压缩变形区以外的建筑物受拉伸变形(建筑物c);
在拉伸变形区与压缩变形区过度的位置,建筑物倾斜变形最大(建筑物d);
在靠近开采边界拐角内外位置的建筑物,受到复杂的变形破坏,对建筑物最为不利(建筑物e)。
根据建筑物的长轴方向与开采工作面推进方向的关系分析,建筑物的长轴与工作面推进方向垂直时,对建筑物最有利,这种情况下,建筑物受到较小的动态移动变形影响;
与开采工作面或开采边界斜交建筑物受影响较大,这种情况下建筑物不仅受到拉伸、压缩变形破坏,而且受复杂的扭曲与剪切变形破坏。
在布置开采工作面时应遵循以下原则:
(1)尽量使主要保护建筑物位于移动盆地的平底位置;
(2)尽量使主要保护建筑物的长轴与开采工作面或开采边界平行;
(3)避免建筑物与开采工作面或开采边界斜交;
(4)由建筑物的抗拉、抗压变形能力和移动盆地的拉伸、压缩变形区综合分析确定有利的开采方案;
(5)由保护建筑物的重要程度和分布情况分析确定开采方案。
图8.7建筑物位置与变形关系
3.开采房屋损害程度分级
开采沉陷对房屋的损害程度,①一是取决于地表移动变形量,②其次取决于房屋在沉陷盆地的位置,③三是取决于房屋本身的结构条件。
④区分建筑物类型
我国将长度或变形缝区段内长度小于20m的砖混结构房屋破坏分为四个等级[19],见表8-1。
其它结构类的建(构)筑物可参照表8-1执行。
文献[8]给出了土筑平房破坏等级与地表变形的对应关系(表8-2)。
表8-1砖石结构建筑物的破坏(保护)等级
损坏等级
建筑物损坏程度
地表变形值
损坏分类
结构
处理
水平变形
mm/m
曲率
K
10-3/m
倾斜
i
Ⅰ
自然间砖墙上出现宽度1-2mm的裂缝
2.0
0.2
3.0
极轻微损坏
不修
自然间砖墙上出现宽度小于4mm的裂缝;
多条裂缝总宽度小于10mm
轻微损坏
简单维修
Ⅱ
自然间砖墙上出现宽度小于15mm的裂缝,多条裂缝总宽度小于30mm;
钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/3截面高度;
梁端抽出小于20mm;
砖柱上出现水平裂缝,缝长大于1/2截面边长;
门窗略有歪斜
4.0
0.4
6.0
轻度损坏
小修
Ⅲ
自然间砖墙上出现宽度小于30mm的裂缝,多条裂缝总宽度小于50mm;
钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/2截面高度;
梁端抽出小于50mm;
砖柱上出现小于5mm的水平错动;
门窗严重变形
0.6
10.0
中度损坏
中修
Ⅳ
自然间砖墙上出现宽度大于30mm的裂缝,多条裂缝总宽度大于30mm;
梁端抽出小于60mm;
砖柱上出现小于25mm的水平错动
严重损坏
大修
自然间砖墙上出现严重交叉裂缝、上下贯通裂缝,以及墙体严重外鼓、歪斜;
钢筋混凝土梁、柱裂缝沿截面贯通;
梁端抽出大于60mm,砖柱出现大于25mm的水平错动;
有倒塌危险
极度严重损坏
拆建
表8-2建筑物(土筑平房)破坏(保护)等级与地表变形的关系
一
基础及勒脚出现1mm左右的细微裂缝
1.0
0.05
二
勒脚处裂缝增大,并扩展到窗台下,梁下支撑处两侧墙壁开始出现裂缝
1.0~2.0
0.05~0.1
1.0~1.5
三
窗台下裂缝扩展到门窗洞上角,梁下墙壁裂缝继续扩展
2.0~7.0
0.1~0.3
1.5~3.0
四
裂缝扩展到檐口下,裂缝20mm以上,房屋呈菱形,墙角裂开
7.0~11
0.3~0.5
3.0~4.0
大修或拆除
4.受损等级评定依据
(1)建(构)筑物损害等级鉴定依据
(a)1999年中华人民共和国建设部《危险房屋鉴定标准》(JGJ12599);
(b)《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB502921999);
(c)2000年5月国家煤炭工业局颁发的《建筑物、水体、铁路、及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》。
(2)受损等级划分标准
依据上述鉴定标准,建(构)筑物的破坏划分为四个等级:
一级破坏程度(A级):
结构承载力能满足正常使用要求,未发现危险点(自然间砖墙上出现宽度小于4mm的裂缝,多条裂缝的总宽度小于10mm),房屋结构安全。
二级破坏程度(B级):
结构承载力基本能满足正常使用要求,个别结构构件处于危险状态,但不影响主体结构(自然间砖墙上出现宽度小于15mm的裂缝,多条裂缝的总宽度小于30mm;
门窗略有歪斜),基本满足正常使用。
三级破坏程度(C级):
部分承重结构承载力已不能满足正常使用要求,房屋局部出现险情(自然间砖墙上出现宽度小于30mm的裂缝,多条裂缝的总宽度小于50mm;
门窗严重变形),构成局部危房,加固修复后使用功能极差。
四级破坏程度(D级):
承重结构承载力已不能满足正常使用要求,房屋整体出现险情(自然间砖墙上出现宽度大于30mm的裂缝,多条裂缝的总宽度大于50mm;
梁端抽出大于50mm;
砖柱上出现大于25mm的水平错动。
有倒塌危险),构成整栋危房,已严重影响安全使用功能。
8.2保护建筑物的开采措施
通过合适的开采方法或措施,可以有效地减小或控制采动引起的地表移动变形,达到保护建筑物的目的。
在生产实践中比较有效和常用的有以下几方面措施。
1.减沉开采方法
减沉开采方法既是通过采场顶板管理方法的改变,控制顶板的下沉量而达到减缓地表沉陷量。
常用的方法为充填开采方法和部分开采方法
(1)充填开采方法。
采用全部跨落法管理顶板时,地表最大下沉值可达采厚的60%~90%,一般为80%左右;
采用水砂充填管理顶板时,地表的最大下沉值仅为采厚的8%~15%。
(2)部分开采方法。
减小地表移动和变形值的另一项有效措施是采用部分开采法。
其实质是将被开采的矿层划分成若干条带,开采一条(即采出条带),保留一条(即保留矿柱),用留下不采的矿柱支撑顶板,以达到减小地表移动和变形的目的。
此法的缺点是采出率低(一般采出率为50%-60%),掘进率高,开采工艺复杂,效率较低。
部分开采的优缺点及其选用原则
采留比为40%-60%,最大为65%,采宽和留宽与采深的大致关系表8-3。
表8-3部分开采的采留宽度与采深关系表
采深H,m
采宽,m
留宽,m
采出率,%
>
400
0.1H
50
200-400
30
100-200
20-25
20
50-55
70-100
12-15
8-10
60
部分开采类型:
冒落部分开采和充填部分开采两种形式,常用的是冒落部分开采。
这种方法的不足之处是工艺复杂,成本高。
部分开采的特点
①下沉系数()很小,为0.03-0.15;
tgβ较小,一般为1.2-2.0;
②水平移动系数较小,为0.2-0.3。
③tgβ较小;
④移动期较短
部分开采的适用条件是:
a)地面建筑物十分密集、结构复杂的建筑物、有纪念性建筑物、铁路隧道等,它们由于技术和经济上的原因不适于采取建筑物加固或充填措施;
b)地面排水困难;
c)矿层埋深在400-500m以内,太深了采出率过低;
d)矿层层数少,厚度比较稳定,断层少;
e)邻近采区的开采不致破坏煤柱的完整性。
(3)覆岩离层充填方法
覆岩离层注浆控制沉陷(GroutinginSeparated-bedtoReduceSubsidence)技术就是利用矿层开采后覆岩层裂过程中形成的离层空间,借助高压注浆泵,从地面通过钻孔向离层空间中注入充填材料,占据空间、减少采出空间向上的传递,支撑离层上位岩层、减缓岩层的进一步弯曲下沉,从而达到减缓地面下沉的目的。
其基本工艺原理图如图8.8所示[35]。
(a)离层发生的条件和扩展规律
开采引起上覆岩层的离层发育的全过程可分为四个阶段(图8.9),在整个变形过程中遵循三个力学准则[36][39]:
图8.9连续弯曲带中,离层发育的力学过程
τ—层面剪应力;
[τ]—层面抗剪强度;
ωu—上位岩梁挠度;
ω—下位岩梁挠度;
σt—多岩梁变形非协调弯曲时在层面上产生的张应力;
[σt]—层面抗拉强度
①离层第一阶段:
连续弯曲带产生。
地下开采引起上覆岩层自下而上地产生着变形形成了冒落带、裂隙带和连续弯曲带。
连续弯曲带中的组合岩梁(板)由于弯曲在层面上产生了剪应力,层面剪应力的产生沿着连续弯曲带也已形成,同时又标志着第二阶段的开始。
②离层第二阶段:
剪切滑移。
层面剪应力τ一经产生,就遵循着离层第一准则——剪应力准则,即能否发生层间剪切滑移,关键看层面剪应力τ和层面抗剪强度[τ]的相对大小。
当τ≤[τ]时,沿层面具有剪切滑移的趋势;
当τ>
[τ]时,沿层面产生剪切滑移。
剪切滑移的产生,为第三阶段创造了前提条件。
③离层第三阶段:
非协调挠曲。
沿层面产生剪切滑移是层面之上的上位岩梁(板)和其下的下位岩梁(板)沿层面为界分层。
分层后能否发生离层,关键取决于上位岩梁(板)的挠度ωu和下位岩梁(板)的挠度ω之间是否协调,即遵循离层第二准则——挠度准则。
当ωu=ω时,上位岩梁(板)和下位岩梁(板)产生协调挠曲;
当ωu<
ω时,非协调挠曲产生,使层面上产生张应力。
非协调挠曲产生的层面张应力是进入第四阶段(离层)的必要准备。
④离层第四阶段:
离层产生。
非协调挠曲使层面上产生张应力σt,但能否沿层面产生离层现象,要遵循离层第三准则——张应力准则,即视层面上张应力σt和层面抗拉强度[σt]的相对大小而定。
当σt≤[σt]时,层面上不产生离层,而只发生拉伸变形;
当σt>
[σt]时,离层产生。
离层三个准则是离层产生的充分必要条件,缺一不可,即满足第一准则
τ>
[τ](8-1)
层面只能产生滑移;
满足第一、第二准则
(8-2)
上、下岩梁产生非协调挠曲;
只有第一、第二、第三准则全部满足,即
(8-3)
离层方能产生。
(b)覆岩注浆减沉机理
姜岩(1996)、张玉卓(1996)对注浆减沉机理作了探讨。
覆岩注浆可以减缓矿山开采引起的地表沉陷,其减沉功能主要表现在以下五个方面:
①注浆的充填作用
覆岩注浆就是选择最佳的注浆时机充填离层空隙(V),借以减少地下开采空间在地表的传播量,从而减小地表沉陷量。
②注浆的支承作用
赋存在封闭离层空间中的注浆材料可以对其上覆岩层起到支承作用,阻挠和减缓了上覆岩层继续下沉的发展,因此可以减缓地表沉陷。
③注浆的胶结作用
当注浆材料能够自行固结时,可以使分离的岩层胶结起来,使岩层的整体结构得到加强,提高了岩层的力学强度和抗剪切变形能力,减少了岩层继续下沉的发展。
④注浆的膨胀作用
煤系地层往往含有蒙脱石、伊蒙混层矿物等膨胀性粘土矿物,当注浆层位含有遇水膨胀岩石时,注浆可以使其膨胀而占据离层空间。
⑤挤压密实作用
地面高压注浆能够对离层的下部岩层及周围岩层施加压力,使其空隙压密,增强了抗变形能力。
(c)覆岩离层注浆的关键工艺技术
1注浆材料
为了达到良好的注浆效果,要求注浆材料要有良好的脱水性和流动性,一般选择粉煤灰并配以倍量的水作充填料,粉煤灰粒径在0.1~1.0mm范围。
2离层注浆的空间位置
一般情况下,近水平矿层开采时,注浆孔沿开采工作面方向位于中央;
倾斜矿层开采时,注浆孔位于沿开采工作面方向中央偏上位置;
沿倾斜方向滞后于工作面,可从工作面处用j角(j=65~75°
,图8.10)确定。
注浆孔深度一般以孔底到裂隙带的中上部位置,避免充填浆液通过导水裂隙带漏入采空区,同时要以这一范围形成大的离层条件的坚硬岩梁(关键层)确定一个或多个注浆孔位置。
3注浆孔密度与注浆压力
注浆孔的有效半径一般为80~100m,最大不超过150m。
一般初始注浆压力达6~8Mpa,随着离层裂隙的沟通,注浆压力下降到正常注浆压力(2Mpa左右),当离层空间浆液注满时,注浆压力将逐渐升高。
2.协调开采方法
协调开采是根据开采引起地表移动变形分布规律,通过合理的开采布局,开采顺序、方向、时间等方法减缓开采地表变形值。
下面介绍几种常见的协调开采方法。
(1)减小开采边界影响的叠加。
(2)多工作面协调开采。
在有些条件下,需要布置多个工作面同时开采,使得保护建筑物位于开采形成的静态下沉盆底部分,同时考虑开采过程中地表移动变形的动态影响,故将开采工作面按一定方式布置,减小开采动态变形影响。
图8.12多工作面错距布置开采图8.13双工作面背向开采
(3)对称开采方法。
3.控制开采方法
(1)限高开采方法。
(2)间歇开采方法。
在急倾斜矿层开采时,应尽量采用分层间歇式开采,严禁无限制地放矿。
当矿层顶底板坚硬不易冒落时,应采用人工强制放顶。
在急倾斜矿层露头处应留足够的保护矿柱,防止开采引起抽冒塌陷灾害发生,露头煤柱的留设高度可参考表8-4
表8-4急斜煤层露头煤柱留设高度参考值
煤层厚度(m)
£
2
3
4
5
6
³
7
煤柱高度(m)
75
85
90
95
100
8.3建(构)筑物的抗变形防护措施
8.3.1建筑物加固防护措施
1.设置变形缓冲沟
设置变形缓冲沟,就是在建筑物周围的地表挖掘一定深度的沟槽。
变形缓冲沟能有效地吸收地表的水平压缩变形,大大减小地表土体对基础埋入部分的压力,也可以减小水平变形对基础底面的影响。
如鹤壁矿区在市内主要公路干线的英雄桥下采煤,在桥一端设置了变形缓冲沟,该侧的桥梁未发现损坏。
变形缓冲沟吸收压缩量达396mm,占总压缩量的41%。
而在没有设置变形缓冲沟的另一端,其桥梁拱脚处出现裂缝。
缓冲沟应设在靠近墙的突出部位。
当建筑物受到一个轴向方向的地表水平压缩变形影响时,可只沿着垂直于变形方向的建筑物所有墙的外侧设置缓冲沟;
而当建筑物受到两个轴向方向或斜向地表水平压缩变形影响时,则应沿建筑物周围设置闭合的变形缓冲沟(图8-13)。
沟深应超过基础底面深20~30cm,沟宽不小于60cm,沟的外缘距建筑物基础外侧1~2m。
图8.14建筑物周边设置缓冲沟
2.设置变形缝
设置变形缝,就是将建筑物从屋顶到基础分成若干个长度较小、刚度较大、自成变形体系的独立单元。
因为地表曲率变形在建筑物上引起的附加弯矩与建筑物长度的平方成正比,所以设置变形缝可以减小建筑物地基压力分布的不均匀性,减小地表变形在建筑物上产生的附加内力,提高其适应地表变形的能力。
变形缝设置的一般原则:
(1)用变形缝将长度过大的建筑物分割为15~20m的独立单元;
(2)在平面形状复杂的建筑物的转折部位设置变形缝;
(3)在高度差异或荷载差异位置设置变形缝;
(4)建筑物(包括基础)类型不同的位置设置变形缝;
(5)地基强度有明显差异的位置设置变形缝;
(6)局部地下室的边缘设置变形缝;
(7)分期建造的房屋交界处设置变形缝。
当建筑物位于地表拉伸变形或正曲率变形区时,变形缝的宽度应按建筑物的结构设置,即当建筑物为2~3层时,变形缝的宽度为5~8cm;
当建筑物为4~5层时,变形缝为8~12cm;
当建筑物为5层以上时,变形缝宽度不小于12cm。
当建筑物位于地表压缩变形或负曲率变形区时,其墙壁变形缝和基础变形缝的宽度可按下式计算:
(8-4)
式中ε-—预计的地表压缩变形值,mm/m;
K-—预计的地表负曲率变形值,10-3/m;
H—建筑物单体的高度,m;
l1,l2—变形缝两侧单体的长度,m。
对于先位于拉伸变形或正曲率变形区,然后又位于压缩变形或负曲率变形区的建筑物,其墙壁和基础变形缝的宽度可分别按下式计算:
mm(8-5)
式中e-,K+为预计地表拉伸变形值和正曲率变形值,其余的符号含义同上。
在式(8-4)和(8-5)中,若e-<
e+或K-<
K+,则变形缝的宽度可与地表拉伸变形或正曲率变形取相同值,即可按建筑物的结构要求来确定。
一般情况下,无论建筑物位于何种地表变形区,变形缝的宽度均不应小于5cm。
留设变形缝时,必须将基础、地面、墙壁、楼板、层面全部切开,形成一条通缝。
变形缝宜设在已有的横墙附近,并在变形缝的一侧砌筑一道厚度不小于24cm的横墙,以保证建筑物的空间刚度和整体性,并用以支承被切断的楼板和屋面。
应当注意,在决定建筑物变形缝的留设宽度时,应考虑其下方各矿层开采所引起的变形叠加问题,同时,在变形缝
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