采空区地基沉降对多层砌体结构房屋影响的研究
|
摘要
煤矿开采造成地表沉陷,在采空塌陷区内不宜或不准建筑永久性建筑物。但由于矿区土地资源紧张,以及推行的环境保护和可持续发展战略,研究和探讨在采空塌陷区建造永久性房是十分必要的。
本文以肥城矿业集团陶阳煤矿采空区住宅楼抗变形结构设计与建造为研究背景,采用理论分析和有限元程序ANSYS仿真模拟相结合的方法,从研究地表变形规律、住宅楼地表变形条件下附加弯矩与附加剪力计算公式的推导、抗变形结构设计措施的优化、ANSYS模拟地表变形条件下建筑物墙体应力的分布四个方面深入研究了采空区地表不均匀沉陷对多层砌体结构房屋的影响。主要内容具体如下:
①分析了采空区地表变形的影响因素,根据肥城矿业集团陶阳煤矿采空区地表沉陷观测数据,得出采空区地表变形规律。
②综合应用矿山开采沉陷学、材料力学、结构力学等多学科的知识,推导地表变形条件下住宅楼附加水平拉力、附加弯矩、附加剪力的计算公式。
③通过对抗变形结构设计中结构构件作用的分析,提出了抗变形结构及构件设计的原则与要求,以陶阳煤矿采空区住宅楼为实例,对其采用的抗变形加固措施进行了探讨。
④应用有限元程序ANSYS仿真模拟,分别在在采取抗变形加固措施条件下、基础为条形基础条件下、住宅楼长度改变时住宅楼墙体的应力变化规律,给出了住宅楼抗变形加固措施的适用长度。
以上研究阐明了采空区抗变形结构设计所遇到的基本技术问题,找到了类似条件的煤矿采空区房屋结构设计与建设中,有效控制房屋变形的方法,对采空区建筑物设计具有指导意义。
In this paper, on the background the design and construction of Fei Cheng Mining Group corporation Tao Yang Coal Mine worker dormitory built on the mining subsidence area, using methods of the theoretical analysis and finite element program ANSYS simulation combination, from the study of surface deformation, formula derivation, the optimization of the anti-deformation structure design measures, ANSYS simulation of the wall stress on the condition of surface deformation four aspects to study on the impact on the multi-layer masonry structure buildings built on the mining subsidence. Main content as follows:
①Analyzing the factors of the surface deformation on mining area.basing on Fei Cheng Mining Group corporation Tao Yang Coal Mine mining area surface subsidence observation data, drawn out the law of the surface deformation.
②this dissertation synthesizes the knowledge of many disciplinessuch as mining subsidence,mine rockmass mechanics,material mechanics and structural mechanics and etc., derived the formula of additional tension, additional moment and additional shear.
③Analyzing the role of the structural members on the anti-deformation structural design, drawing out the principles and requirements of the anti-deformation structural design. Taking Fei Cheng Mining Group corporation Tao Yang Coal apartment buildings for example,adoptive measure in anti-deformation reinforcement design were discussed.
④Application of finite element program ANSYS simulate the wall stress on the condition of its structural design not adopt the anti-deformation structural measure, its structural design adopt the anti-deformation structural design and changes the building length when this condition, foundation is strip foundation and the length of residential building changes. the applied length of apartment buildings adopting anti-deformation reinforce measure is gaven out.
Above research clarify the basic technique problem in anti-deformation structural design on mining subsidence area and found the effective method to control building deformation in building structure design and construction on mining susidence area. This article research results have the instruction value to the dsign and construction of building built on the mining area.
本文以肥城矿业集团陶阳煤矿采空区住宅楼抗变形结构设计与建造为研究背景,采用理论分析和有限元程序ANSYS仿真模拟相结合的方法,从研究地表变形规律、住宅楼地表变形条件下附加弯矩与附加剪力计算公式的推导、抗变形结构设计措施的优化、ANSYS模拟地表变形条件下建筑物墙体应力的分布四个方面深入研究了采空区地表不均匀沉陷对多层砌体结构房屋的影响。主要内容具体如下:
①分析了采空区地表变形的影响因素,根据肥城矿业集团陶阳煤矿采空区地表沉陷观测数据,得出采空区地表变形规律。
②综合应用矿山开采沉陷学、材料力学、结构力学等多学科的知识,推导地表变形条件下住宅楼附加水平拉力、附加弯矩、附加剪力的计算公式。
③通过对抗变形结构设计中结构构件作用的分析,提出了抗变形结构及构件设计的原则与要求,以陶阳煤矿采空区住宅楼为实例,对其采用的抗变形加固措施进行了探讨。
④应用有限元程序ANSYS仿真模拟,分别在在采取抗变形加固措施条件下、基础为条形基础条件下、住宅楼长度改变时住宅楼墙体的应力变化规律,给出了住宅楼抗变形加固措施的适用长度。
以上研究阐明了采空区抗变形结构设计所遇到的基本技术问题,找到了类似条件的煤矿采空区房屋结构设计与建设中,有效控制房屋变形的方法,对采空区建筑物设计具有指导意义。
In this paper, on the background the design and construction of Fei Cheng Mining Group corporation Tao Yang Coal Mine worker dormitory built on the mining subsidence area, using methods of the theoretical analysis and finite element program ANSYS simulation combination, from the study of surface deformation, formula derivation, the optimization of the anti-deformation structure design measures, ANSYS simulation of the wall stress on the condition of surface deformation four aspects to study on the impact on the multi-layer masonry structure buildings built on the mining subsidence. Main content as follows:
①Analyzing the factors of the surface deformation on mining area.basing on Fei Cheng Mining Group corporation Tao Yang Coal Mine mining area surface subsidence observation data, drawn out the law of the surface deformation.
②this dissertation synthesizes the knowledge of many disciplinessuch as mining subsidence,mine rockmass mechanics,material mechanics and structural mechanics and etc., derived the formula of additional tension, additional moment and additional shear.
③Analyzing the role of the structural members on the anti-deformation structural design, drawing out the principles and requirements of the anti-deformation structural design. Taking Fei Cheng Mining Group corporation Tao Yang Coal apartment buildings for example,adoptive measure in anti-deformation reinforcement design were discussed.
④Application of finite element program ANSYS simulate the wall stress on the condition of its structural design not adopt the anti-deformation structural measure, its structural design adopt the anti-deformation structural design and changes the building length when this condition, foundation is strip foundation and the length of residential building changes. the applied length of apartment buildings adopting anti-deformation reinforce measure is gaven out.
Above research clarify the basic technique problem in anti-deformation structural design on mining subsidence area and found the effective method to control building deformation in building structure design and construction on mining susidence area. This article research results have the instruction value to the dsign and construction of building built on the mining area.
引文
1.王金庄.我国村庄下采煤的回顾与展望[J],中国煤炭,2002,(5):28-31
2.焦传武.我国村庄下采煤的可能性[J],煤炭科学技术,1982,(2):27
3.王金庄.判别煤矿开采损害的理论与实践[J],矿山测量,1998,(4):18
4.郭广礼.老采空区上方建筑物地基稳定性及处理措施研究[D],江苏徐州:中国矿业大学,1999
5.王同孝.矿区沉陷与土地复垦[J],矿山测量,1999,(3):26
6.徐乃忠.煤矿覆岩离层注浆减小地表沉陷研究[D],江苏徐州:中国矿业大学,1997
7.杨伦.地形条件对采动建筑物的影响[J],矿山测量,1994,(1):18
8.周国铨.我国村庄下采煤技术的发展,煤炭科学技术[J],1992,(10):12
9.邓喀中.采动区建筑物移动变形特性分析[J],中国矿业大学学报,2001,(4):16
10.梁为民.采动区建筑物保护研究现状及展望[J],焦作工学院学报,2003,(2):17
11.黄乐亭.我国村庄下采煤的现状与发展重点[J],矿山测量,1999,(4):21
12.吴侃.开采沉陷预计一体化方法[M].江苏徐州:中国矿业大学出版社,1998,18-19
13.滕永海.抗变形建筑物的采动变形特点[J],东北煤炭技术,1997,(3):22
14.刘天泉.矿井保安煤柱的开采和地面建筑物的加固[M].北京:中国工业出版社,1986,21
15.李凤明.从地表与建筑物变形关系谈抗变形结构的选择[J],煤矿开采,1995,(1):15
16.邓喀中.采动区建筑物地基反力分布规律[J],中国矿业大学学报,2004,(2):17
17.黄和平.共同作用条件下基础与上部结构的相互影响[J],武汉工业大学学报,1999,(3):17
18.赵春洪.上部结构—筏—桩—地基共同作用分析的新方法[J],建筑结构学报,1990,(4):27
19.雷哲莹。地表变形引起建筑物附加内力的计算及抗变形结构设计[J],煤矿开采,2000,(1):12
20.仲惟林.西德的建筑物、构筑物下采煤技术[J],矿山测量,1986,(2):23
21.刘天泉.波兰城镇及建筑物下采煤技术[J],世界煤炭技术,1985,(8):24
22.英国煤炭局.地面沉陷工程师用手册[M].北京:煤炭工业出版社,1980,56
23.周国铨.建筑物下采煤[M]。北京:煤炭工业出版社,1983,189
24.Syd S.Peng.Surface Subsidence Engineering[M].The Society for Mining,Metallurgy, and Exporation,Inc.1992
25.煤科总院唐山分院、徐州矿务局.徐州庞庄矿大户群高潜水位就地重建村庄下采煤技术研究报告,1995
26.煤科总院唐山分院、阳泉矿务局.阳泉村庄下采煤的试验(抗变形农村住宅)研究报告,1990
27.仲继寿.采动区砌体结构房屋变形控制设计[M],北京:煤炭工业出版社,1995,125
28.刘金辉.保护采动区现有建筑物的新技术研究[J],矿山测量,1999,(4):27
29.吴戈.地表负曲率变形时建筑物附加应力的计算[J],阜新矿业学院学报,2002,(7):12
30.于广明.采动建筑物破坏程度预测及破坏机理究[J],阜新矿业学院学报,2002,(11):14
31.焦传武.混合结构房屋抗采动设计中若干问题的探讨[J],煤炭科技,1987,(7):15
32.何国清.矿山开采沉陷学[M].北京:中国矿业大学出版社,1989,123
33.邹友峰.采动损害与防护[M].北京:中国矿业大学出版社,1996,223
34.赵安文.煤矿开采沉陷对地面建(构)筑物的影响[J],山西建筑,2003,(11):12
35.邹友峰.矿山开采沉陷工程[M].北京:中国矿业大学出版社,2003,143
36.许延春.深厚含水松散层的工程特征及其在矿区的应用[M].北京:煤炭工业出版社,2003,123
37.杨逾.地下水位下降对采矿覆岩下沉影响探析[J],中国地质灾害与防治学报,2004,(2):12
38.RandibarB.First Results of Ground Movement Investigation Into Surface Subsidence A Results of Ground Water Lowing Caused by Underground CoalMining[J],Xth InternationalCongress of theInternationalSociety forMine Surveying,1997,(11):12.
39.鲍莱茨基(波)M.矿山岩体力学[M].北京:煤炭工业出版社,1985,256
40.张华兴.受断层影响的地表移动计算[J],煤炭学报,1995,(2):23
41.肥城矿业集团公司设计院,肥城矿业(集团)有限责任公司陶阳煤矿81#-86#岩土工程勘察报告,2002
42.肥城矿业集团公司设计院.肥城矿业(集团)有限责任公司陶阳煤矿87#-92#岩土工程勘察报告,2004
43.建筑结构荷载规范(GB50009-2001)[M],北京:中国建筑工业出版社,2001
44.建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[M],北京:中国建筑工业出版社,2001
45.中华人民共和国国家煤炭局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2000,56
46.王金庄.矿山开采沉陷及其损害防治[M].北京:煤炭工业出版社,1995,59
47.煤炭科学研究总院唐山分院.抗变形结构理论计算方法[J].1993,(2):24-40
48.Y.D.Sun、F.Gao、H.S.Sun.DESIGN METHOD STUDY OF THE MASONRY STRUCTURE BUILT ON THE GROUND OF THE COAL MINING SUBSIDENCE,International Symposium on Innovation & Sustainability of structure in civil Engineering,Tongji,China,2007。
50.华南理工大学.地基及基础[M].北京:中国建筑工业出版社,2003,65
51.谭志祥.采动区建筑物地基、基础和结构协同作用理论与应用研究[D],江苏苏州:中国矿业大学,2000
52.邓喀中,基础动态沉陷规律及地基反力[J],煤炭科学技术,1995,(10):17-20
53.Bell S E.Successful design for mining subsidence[J].Large movements and structures[C].New York:Academic Press,1978,562-578
54.Peng S S.Surface subsidence engineering[M].Colorado:Society for Mining,Metallurgy and Exploration,1992,236
55.蔡宪刚.大面积砂石垫层在地基处理中的应用[J],山东煤炭科技,2005,(5):65
56.胡立雄.关于砂石垫层在地基处理中的应用[J],西部探矿工程,2004,(10):44
57.中华人民共和国建设部。建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)[M].北京:中国建筑工业出版社,2002,22
58.中国建筑科学研究院.建筑地基处理技术规范(JGJ79—91)[M].北京:中国建筑工业出版社,2002,24
59.哈尔滨工业大学.混凝土及砌体结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2003,257
60.王铁梦.建筑物的裂缝控制[M].上海:上海科学技术出版社出版,1987,323
61.刘和生,不埋式片筏基础在杂填土地基上的应用[J],安徽建筑,1998,(2):26
62.严冬,从实际工程浅谈片筏基础的利用[J],施工技术,1995,(3):57
63.洪文兴.倒梁式片筏基础在旧城改造中的应用[J],浙江建筑,1999,(4):25
64.顾晓鲁.地基与基础[M].北京:中国建筑工业出版社,1993,456
65.刘涛.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,2002,5-9
66.中国建筑东北设计研究院。砌体结构设计规范(GB5003-2001)[M].北京:中国建筑工业出版社,2001,12
2.焦传武.我国村庄下采煤的可能性[J],煤炭科学技术,1982,(2):27
3.王金庄.判别煤矿开采损害的理论与实践[J],矿山测量,1998,(4):18
4.郭广礼.老采空区上方建筑物地基稳定性及处理措施研究[D],江苏徐州:中国矿业大学,1999
5.王同孝.矿区沉陷与土地复垦[J],矿山测量,1999,(3):26
6.徐乃忠.煤矿覆岩离层注浆减小地表沉陷研究[D],江苏徐州:中国矿业大学,1997
7.杨伦.地形条件对采动建筑物的影响[J],矿山测量,1994,(1):18
8.周国铨.我国村庄下采煤技术的发展,煤炭科学技术[J],1992,(10):12
9.邓喀中.采动区建筑物移动变形特性分析[J],中国矿业大学学报,2001,(4):16
10.梁为民.采动区建筑物保护研究现状及展望[J],焦作工学院学报,2003,(2):17
11.黄乐亭.我国村庄下采煤的现状与发展重点[J],矿山测量,1999,(4):21
12.吴侃.开采沉陷预计一体化方法[M].江苏徐州:中国矿业大学出版社,1998,18-19
13.滕永海.抗变形建筑物的采动变形特点[J],东北煤炭技术,1997,(3):22
14.刘天泉.矿井保安煤柱的开采和地面建筑物的加固[M].北京:中国工业出版社,1986,21
15.李凤明.从地表与建筑物变形关系谈抗变形结构的选择[J],煤矿开采,1995,(1):15
16.邓喀中.采动区建筑物地基反力分布规律[J],中国矿业大学学报,2004,(2):17
17.黄和平.共同作用条件下基础与上部结构的相互影响[J],武汉工业大学学报,1999,(3):17
18.赵春洪.上部结构—筏—桩—地基共同作用分析的新方法[J],建筑结构学报,1990,(4):27
19.雷哲莹。地表变形引起建筑物附加内力的计算及抗变形结构设计[J],煤矿开采,2000,(1):12
20.仲惟林.西德的建筑物、构筑物下采煤技术[J],矿山测量,1986,(2):23
21.刘天泉.波兰城镇及建筑物下采煤技术[J],世界煤炭技术,1985,(8):24
22.英国煤炭局.地面沉陷工程师用手册[M].北京:煤炭工业出版社,1980,56
23.周国铨.建筑物下采煤[M]。北京:煤炭工业出版社,1983,189
24.Syd S.Peng.Surface Subsidence Engineering[M].The Society for Mining,Metallurgy, and Exporation,Inc.1992
25.煤科总院唐山分院、徐州矿务局.徐州庞庄矿大户群高潜水位就地重建村庄下采煤技术研究报告,1995
26.煤科总院唐山分院、阳泉矿务局.阳泉村庄下采煤的试验(抗变形农村住宅)研究报告,1990
27.仲继寿.采动区砌体结构房屋变形控制设计[M],北京:煤炭工业出版社,1995,125
28.刘金辉.保护采动区现有建筑物的新技术研究[J],矿山测量,1999,(4):27
29.吴戈.地表负曲率变形时建筑物附加应力的计算[J],阜新矿业学院学报,2002,(7):12
30.于广明.采动建筑物破坏程度预测及破坏机理究[J],阜新矿业学院学报,2002,(11):14
31.焦传武.混合结构房屋抗采动设计中若干问题的探讨[J],煤炭科技,1987,(7):15
32.何国清.矿山开采沉陷学[M].北京:中国矿业大学出版社,1989,123
33.邹友峰.采动损害与防护[M].北京:中国矿业大学出版社,1996,223
34.赵安文.煤矿开采沉陷对地面建(构)筑物的影响[J],山西建筑,2003,(11):12
35.邹友峰.矿山开采沉陷工程[M].北京:中国矿业大学出版社,2003,143
36.许延春.深厚含水松散层的工程特征及其在矿区的应用[M].北京:煤炭工业出版社,2003,123
37.杨逾.地下水位下降对采矿覆岩下沉影响探析[J],中国地质灾害与防治学报,2004,(2):12
38.RandibarB.First Results of Ground Movement Investigation Into Surface Subsidence A Results of Ground Water Lowing Caused by Underground CoalMining[J],Xth InternationalCongress of theInternationalSociety forMine Surveying,1997,(11):12.
39.鲍莱茨基(波)M.矿山岩体力学[M].北京:煤炭工业出版社,1985,256
40.张华兴.受断层影响的地表移动计算[J],煤炭学报,1995,(2):23
41.肥城矿业集团公司设计院,肥城矿业(集团)有限责任公司陶阳煤矿81#-86#岩土工程勘察报告,2002
42.肥城矿业集团公司设计院.肥城矿业(集团)有限责任公司陶阳煤矿87#-92#岩土工程勘察报告,2004
43.建筑结构荷载规范(GB50009-2001)[M],北京:中国建筑工业出版社,2001
44.建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[M],北京:中国建筑工业出版社,2001
45.中华人民共和国国家煤炭局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2000,56
46.王金庄.矿山开采沉陷及其损害防治[M].北京:煤炭工业出版社,1995,59
47.煤炭科学研究总院唐山分院.抗变形结构理论计算方法[J].1993,(2):24-40
48.Y.D.Sun、F.Gao、H.S.Sun.DESIGN METHOD STUDY OF THE MASONRY STRUCTURE BUILT ON THE GROUND OF THE COAL MINING SUBSIDENCE,International Symposium on Innovation & Sustainability of structure in civil Engineering,Tongji,China,2007。
50.华南理工大学.地基及基础[M].北京:中国建筑工业出版社,2003,65
51.谭志祥.采动区建筑物地基、基础和结构协同作用理论与应用研究[D],江苏苏州:中国矿业大学,2000
52.邓喀中,基础动态沉陷规律及地基反力[J],煤炭科学技术,1995,(10):17-20
53.Bell S E.Successful design for mining subsidence[J].Large movements and structures[C].New York:Academic Press,1978,562-578
54.Peng S S.Surface subsidence engineering[M].Colorado:Society for Mining,Metallurgy and Exploration,1992,236
55.蔡宪刚.大面积砂石垫层在地基处理中的应用[J],山东煤炭科技,2005,(5):65
56.胡立雄.关于砂石垫层在地基处理中的应用[J],西部探矿工程,2004,(10):44
57.中华人民共和国建设部。建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)[M].北京:中国建筑工业出版社,2002,22
58.中国建筑科学研究院.建筑地基处理技术规范(JGJ79—91)[M].北京:中国建筑工业出版社,2002,24
59.哈尔滨工业大学.混凝土及砌体结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2003,257
60.王铁梦.建筑物的裂缝控制[M].上海:上海科学技术出版社出版,1987,323
61.刘和生,不埋式片筏基础在杂填土地基上的应用[J],安徽建筑,1998,(2):26
62.严冬,从实际工程浅谈片筏基础的利用[J],施工技术,1995,(3):57
63.洪文兴.倒梁式片筏基础在旧城改造中的应用[J],浙江建筑,1999,(4):25
64.顾晓鲁.地基与基础[M].北京:中国建筑工业出版社,1993,456
65.刘涛.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,2002,5-9
66.中国建筑东北设计研究院。砌体结构设计规范(GB5003-2001)[M].北京:中国建筑工业出版社,2001,12