中煤西安设计工程有限责任公司 陕西 西安 710054
【摘 要】文章通过对煤矿采空区岩体内部破坏及地表变形的描述与分析，详细地探讨了破坏煤矿采空区砌体结构的影响因素，提出了对于特殊场地砌体结构设计应该采取的一些措施，在保证采空区建筑物安全、经济、合理的前提下，提高结构抗变形设计的能力。
【关键词】砌体结构、采空区、抗变形设计、解决措施
近年来，矿产资源开发在促进我国经济发展的同时，也给采矿区带来了一定的破坏，据统计，截至2014年，我国因矿产资源开发引起地面塌陷等矿山地质灾害2.6万多处，矿区变成了采空区，地表移动沉陷，已有的地面建筑物变形、开裂、破坏严重，新建的采空区民用建筑的安全隐患也对该场地新建民居的结构设计提出了更高的要求。
一、采空区岩体内部破坏及地表变形特征
地下矿层大面积采空后，矿层上部失去支撑，平衡条件被破坏，采空区上方岩体随之将产生变形，采空区上方岩体的变形，总的过程是自下而上逐渐发展的漏斗状沉降如图1-采空区变形示意图。将引起地表下沉变形。地表变形开始时为凹地，随着采空区的不断扩大，凹地不断发展而形成凹陷盆地。这种移动、变形和破坏在空间上由采空区逐渐向周围扩展，当岩层移动就波及到地表，使地表产生变形和破坏，从而出现地表移动盆地、地裂缝和塌陷坑等现象。
二、采空区建筑物的变形及破坏
正是由于采空区对岩体内部以及地表产生影响，地表上建筑物结构也受到相应的影响。采空区上部及周围地表产生的移动与变形对建筑物基础产生的影响，导致建筑物产生变形甚至破坏。具体影响主要有以下几个方面：
1.地表变形引起的建筑物破坏
地表变形可分为三种：倾斜、弯曲(曲率)和水平变形(拉张和压缩)。在不同的地表变形作用下，建筑物受到的影响也不同。
（1）地表倾斜引起的建筑物破坏
地表倾斜以后, 会引起建筑物的倾斜, 使得建筑物的中心发生偏离, 从而产生附加倾覆力矩, 承重结构内部产生附加应力,基底反力重新分配，从而产生破坏。
（2）地表弯曲引起的建筑物破坏
地表弯曲会使地表由原来的平面状态变成曲面状态, 使建筑荷载与基础底面反力之间的初始平衡状态遭到破坏。地表曲率分为地表正曲率和地表负曲率, 在地表正曲率影响下, 建筑物基础两端出现瞬时的局部悬空。在地表负曲率作用下, 建筑物基础中部出现瞬时的局部悬空。
（3）地表水平变形引起的建筑物破坏
地表水平变形是指地表的水平拉伸和压缩，对建筑物会产生很大的破坏作用。由于砌体结构房屋抵抗拉伸的能力远小于其抵抗压缩的能力, 所以在较小的地表拉伸作用下, 建筑物就会产生裂缝,例如门窗洞口等薄弱部位最容易产生裂缝, 从而导致建筑物的破坏。
2.地表下沉引起的建筑物破坏
对于地表下沉，也要分为两种情况，一是当地表均匀下沉时, 这种情况一般不会对建筑物造成破坏。因为建筑物只是产生了位置的整体下沉, 一般不会在建筑物内部产生附加应力, 因此，不会对建筑为物造成损坏。但是当地表下沉量较大, 而地下水位又很低时, 会使浅水位上升, 形成大面积水坑, 在此建筑物周围长期积水, 这样不仅影响建筑物使用, 而且使其浸泡在水中, 降低了地基强度, 严重时可使建筑物倒塌。二是当地表不均匀下沉时，建筑物的纵墙基础和横墙基础将会产生相对转动, 从而改变建筑物的原有平面形状, 使建筑物受到破坏。
三、砌体结构的抗变形设计措施
砌体结构有其自身的特点，取材方便，造价低廉、具有良好的耐火性及耐久性、具有良好的保温、隔热、隔音性能，节能效果好、施工简单，技术容易掌握并普及，也不需要特殊的设备。因此，采空区大面积的砌体结构建筑在民居结构中占主要组成部分。而工程实践证明,采空区砌体结构墙壁布置、地基基础形式和结构构造措施,对其抗变形性能有着重要的影响。因此根据采空区砌体结构的变形及破坏特征，对采空区砌体结构抗变形设计提出几点可行的建议。
1.重视采空区顶部地层特性
采空区建筑物的变形和附加应力，是由地表变形传递到基础，进而波及到上部结构而形成的，所以地基和基础的处理是抗变形建筑设计的关键。对于采空区顶部的地层，由于受采动的影响，其原始结构状况沿着离地表不同的深度受到不同程度的破坏，地表出现了变形，地形地貌也发生了重大变化，这样的地层，应该重新加以测定，考虑是否提高设防烈度。另外，可采取措施使地层的层理、节理及层间间隙得到填充并加固，改善顶部地层的物理力学性质，以提高承载能力。
2.建筑构造
2.1平立面设计
多层砌体房屋的平、立面布置力求简单、规整、对称，最好为矩形，尽量减少平、立面上的局部突出，这样可避免水平地震作用下的扭转影响。在平面和立面上纵横墙布置要均匀对称，尽量各自贯通、对齐，同一轴线上窗间墙宜均匀变形 、抗震均不利.要求设计上、下层墙体对齐，窗间墙等宽均匀布置，墙上门窗洞口大小尽量一致，并且布置在同一水平上。
2.2 楼梯间的布置
楼梯间空间刚度较差，不宜设在房屋的尽端或平面转角处。由于水平地震作用为横向和纵向两个方向，所以在多层砌体房屋转角处纵横两个墙面常出现斜裂缝。不仅房屋两端的两个外墙角容易发生破坏，而且平面上的其他凸出部位的外墙阴角同样容易破坏。楼梯间比较空敞，顶层外墙的无支承高度为一层半，在地
震中的破坏比较严重，尤其是楼梯间设置在房屋尽端或房屋转角部位时其震害更为剧烈。
3.结构设计
3.1 基础设计
3.1.1 减少基础埋深，采用合理的基础构造措施
砌体结构本身砌块的粘结力较差，抵抗拉伸的能力也较差，而采动区的砌体结构，在较小的地表拉伸作用下, 建筑物就会产生裂缝,为减少地表变形对建筑物的影响，建筑物的基础在满足承载能力和冻结厚度的条件下，应尽量减少基础的埋深，以减少基础与地基的接触面积。
3.1.2 基础设计
对于采空区建筑物基础 ,除了要有足够的强度 、刚度和承载能力外 ,还应具有一定的适应变形的性能 , 以抵抗或部分吸收地表变形(如曲率 、水平变形等) , 使其不向上部结构传递. 这就要求对采空区建筑物的基础进行可靠性设计 , 常见的基础设计有刚性方案 、柔性方案 ,或二者结合的技术思路。考虑到施工的简单性，刚性方案为第一选择，例如：基础形式可选择为十字条形基础。
3.2 加强墙体的构造措施
3.2.1 圈梁设计
抗采动变形建筑物必须设置圈梁构件，以加强建筑物的刚度和整体性，提高抵抗地表变形的能力。一般情况下，圈梁为钢筋混凝土现浇而成,不可断开。它分为基础圈梁、中间圈梁、檐口圈梁。基础圈粱设于基础上部 , 且必须连续地分布在同一水平标高上。中间圈梁和檐口圈梁设于各层墙壁顶部。钢筋混凝土圈梁的高度应为砌体每皮厚度的倍数，且不小于18cm，不大于30cm，宽度最好与墙壁厚度相同。当墙厚大于24cm时，宽度可小于墙厚，但不宜小于墙厚的2/3。
3.2.2 构造柱设计
当地表曲率变形较大时，为提高墙壁的抗剪切强度，增加建筑物的整体刚度，可在墙内设置钢筋混凝土构造柱。构造柱一般应设置在建筑物各单体墙壁的转角处、连接构造比较薄弱处、易于应力集中的部位以及承受较大附加剪应力的部位。必要时亦可设于纵横墙的交叉处 , 以及每个开间的纵横墙轴线相交处等位置 。
构造柱的钢筋应与各墙壁圈梁连接,其上端和下端应分别锚固在钢筋混凝土楼盖 ( 檐口 ) 和基础圈梁内 。钢筋混凝土构造柱必须先砌墙、后浇柱。为加强构造柱与墙体的连接,将与构造柱相连接的墙体砌成马牙槎 ,且适当配置拉结钢筋,使墙柱拉结在一起。一般沿墙高每 500mm,设26拉结钢筋,每边伸入墙内钢筋不宜少于1m。
3.3 楼（屋）盖设计
楼（屋）盖应采用现浇钢筋混凝土楼板, 且与墙壁圈梁浇成一体, 以提高砌体结构的整体刚度，增强其抵御变形的能力。
四、结束语
对于砌体结构房屋的抗变形设计理论, 国内外学者进行了长期的研究, 其理论基础主要为强度理论, 即以满足墙体或构件的极限强度为设计目标。但是，采空区的地面沉降、地面建设破坏、环境污染问题日益突出，作为相应的设计人员，不能仅停留于定量的结构设计分析上，而应该综合考虑多方面的影响因素，例如，采空区地基土与结构物界面特性的研究、采空区砌体结构房屋变形控制设计的研究等问题。这样将会更有效的保证采空区砌体结构的设计质量，最终促进我国建筑行业更好的发展。
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论文作者:李进,张振宇
论文发表刊物:《低碳地产》2016年8月第15期
论文发表时间:2016/11/11
标签：采空区论文; 地表论文; 建筑物论文; 圈梁论文; 结构论文; 基础论文; 砌体论文; 《低碳地产》2016年8月第15期论文;