短壁采空塌陷场地高架道路建设适宜性评价方法与应用研究

郭 松

南昌工程学院水利与生态工程学院,江西 南昌 330099

煤炭资源长期高强度开采遗留的大面积采空塌陷区域作为典型的不良地基条件,不仅极大地限制了场地的建设利用,而且在各种内外荷载因素的协同作用下,采空区场地可能会发生显著的移动与变形,导致其上方建(构)筑物产生变形与破坏。论文综合采用理论分析、数值模拟、数理建模及现场调研等多种研究方法,揭示了短壁工作面采空区破裂岩体变形机理及地表残余移动变形规律。基于采空区场地群桩基础附加应力扰动深度创新性地构建了短壁工作面采空塌陷场地高架道路建设适宜性综合评价体系,主要内容如下。

(1) 在分析短壁工作面采空区场地稳定性影响因素与采空区上方高架道路桩基结构特征的基础上,采用决策与评价试验法(DEMATEL)对16项采空塌陷场地建设适宜性影响因素进行关联分析,结果表明采空塌陷的原因度指标主要是采动程度、覆岩岩性、开采厚度及采空区与拟建工程相对位置。基于此,提出以采空区场地稳定性S及拟建建(构)筑物地基稳定性的量化指标C为自变量,构建适宜度函数F=S×C以定量表征采空塌陷场地建设适宜性。

(2) 基于短壁窄工作面破裂覆岩空间结构特征,建立了短壁窄工作面自然平衡应力拱力学模型,推导了短壁工作面应力拱的挠度方程和弯矩方程,揭示了短壁工作面覆岩移动时空演化特征、自然平衡应力拱发育规律与控制机理,为短壁采空塌陷场地残余变形精准预计提供理论基础。

(3) 构建了基于两侧为实体煤层的短壁工作面残余变形的概率积分法预计模型。将采空区场地残余变形量等效为短壁工作面采空区煤壁屈服剥离后与开采现状变形量的差值,以采空区场地移动变形差作为残余变形的估计量。采用FLAC3D数值模拟软件对采空区岩层移动及地表变形进行模拟研究,与概率积分法预计结果的对比分析结果表明:采用等效估算的方法预计的残余移动变形与数值模拟结果基本一致,证明了所提方法的可行性和有效性。

(4) 依据地基反力系数的m法对群桩基础的水平受荷和沉降变形进行理论分析,采用Midas GTS有限元软件建立群桩基础的有限元数值模型,分别在采空区外边界,采空区中部和采空区内边界施加不同的地表水平位移,分析不同桩位和不同竖向应力加载条件下群桩基础受水平位移的内力、剪力弯矩和位移变化。以5倍上部结构荷载(5P)的影响深度HDz-5P作为计算群桩基础荷载扰动深度的参考,并以Logistic函数模型对群桩基础稳定性进行量化表达。

(5) 对采空塌陷场地稳定性影响因素进行主成分层次聚类降维处理,基于趋优度与时间度确定采空区场地稳定性的时间权向量,以时序加权平均算子耦合模糊熵的二次加权方法构建短壁采空塌陷场地稳定性动态评价模型。采用适宜度作为表征采空塌陷场地建设适宜性的量化指标,基于适宜度函数提出采空区场地建设适宜性分级量化区间。

(6) 以山东省济宁市某矿短壁采空区场地快速路高架桥梁建设为工程背景,提出群桩基础建设适宜性动态综合评价的方法与流程。预测试验区覆岩自然平衡应力拱结构最大发育高度为13.5 m,采用概率积分法预计的地表最大残余下沉值为62 mm,最大残余倾斜值为0.39 mm/m,最大残余曲率值为0.002 mm/m2;试验区群桩基础建设适宜度区间为(0.65,0.85),能够满足高架道路建设要求。