老采空区地表沉降预测与建筑荷载下场地稳定性及治理研究

作     者：李文亮 

作者单位：辽宁工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张向东;蔡冠军

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：老采空区 残余沉降预测 建筑地基稳定性 理论计算 数值模拟 充填治理 

摘      要：为加速推进城镇化发展战略,将下伏采空区场地作为建筑地基使用已成为时下解决用地紧张问题的重要举措。本文以北京市门头沟新城05街区MC00-0005-6002等地块二类居住、基础教育等用地项目工程为依托,以门头沟矿区地质条件与建筑设计条件为背景,采用实地调查、现场观测、室内试验、理论分析与数值模拟相结合的方法,综合研究分析老采空区地表残余沉降规律以及治理前后建筑荷载下老采空区安全稳定性,并提出合理有效的治理方案。为北京门头沟区及类似矿业城市老采空区上方土地的合理利用提供理论依据,具有良好的理论意义和应用前景。主要研究成果如下:(1)通过实地走访、现场考察、钻孔钻探、地球物理探测、原位测试与室内试验等方法,进一步确定拟建场地的工程地质情况、采空区赋存形态与各地层物理力学参数。(2)通过地表监测数据分析了采空区地表残余沉降总体趋势与沉降速度,在此基础上借助MATLAB软件,采用小波阈值去噪方法对实测数据进行优化,并将GM(1,1)和BP神经网络模型串联形成的组合模型对地表残余沉降进行预测。提出一种基于小波去噪的灰色BP神经网络模型,与原始监测数据进行误差计算发现,组合模型的MAPE与RMSE分别仅为1.78%、16.05mm,十分接近地表真实沉降趋势,拟合程度较高。(3)根据“三下开采规范计算出老采空区冒落裂缝带的发育高度约为42.2m,通过应力控制法计算出建筑物荷载的影响深度最大可达到22m,因此推断出煤层临界开采深度约为64.2m,超过煤层实际深度,判断老采空区存在发生活化的风险。采用Midas GTS NX有限元软件数值模拟发现建筑物和地表发生了约100 mm的不均匀下沉,采空区顶板发生了约50 mm的下沉,进一步验证了采空区不仅影响到上覆岩层的稳定性,还加剧了上方地表及建筑物不均匀沉降的现象。(4)利用水泥协同激发剂激发粉煤灰组成复合注浆材料对拟建场地下伏的采空区进行充填治理,试配过程中对浆液进行流动度测试、凝结时间测试、析水率与结石率测试、无侧限抗压强度测试、微观测试以及经济对比,最终选定固相比为1:6、水固比为1.0、激发剂掺量为1%的配比作为本工程使用的最佳配合比。提出一种采空区钻孔注浆气囊式止浆充填装置进行注浆施工,显著节省注浆材料,提高注浆效率。(5)注浆充填后通过数值模拟方法评价治理效果与采空区稳定性,结果发现,随着充填率的提升,采空区顶板应力应变均有大幅度的下降。当充填率达到95%时,地表以及建筑物的沉降位移减小至充填前的一半左右,注浆治理效果显著,大大提高了采空区地基的安全稳定性。最后对治理后的场地进行质量检测,注浆充填率与充填体的强度均满足采空区处理的技术规范要求。该论文有图69幅,表23个,参考文献98篇。