[发明专利]小窑采空区浅埋巷道上覆岩土斜土钉加固的方法

摘要

一种小窑采空区浅埋巷道上覆岩土斜土钉加固的方法，包括如下步骤：①设计小窑采空区浅埋巷道上覆岩土斜土钉加固各部件构造与参数；②破裂面DEF内侧岩土的稳定性验算；③自然拱ABC下方岩土的稳定性验算；④设计小窑采空区浅埋巷道上覆岩土斜土钉加固施工的流程。分析了小窑采空区的破坏形式，找出上覆岩土的薄弱位置进行针对性的加固。对小窑采空区的受力分析方法考虑了岩土各部分的刚度差异、岩土和土钉的刚度差异，也考虑了岩土材料的非线性。本发明能够解决小窑采空区地表容易产生较大的裂缝、台阶和陷坑问题，保证地表已建或拟建的建构筑物地基的整体稳定与局部稳定，不侵占矿产资源，加固过程不易导致采矿单位人员和财产的安全。

主权项

1.一种小窑采空区浅埋巷道上覆岩土斜土钉加固的方法，该方法包括采用斜土钉(1)或者斜土钉(1)与混凝土面层(2)的联合体加固小窑采空区浅埋巷道上覆岩土(31、32、35)，对浅埋巷道(5)的上覆岩土(32、35)和侧壁岩土(33)进行稳定性验算，其特征在于，包括如下步骤：(1)设计小窑采空区浅埋巷道上覆岩土斜土钉加固各部件构造与参数，采用斜土钉(1)加固浅埋巷道(5)的上覆岩土(31、32、35)，防止破裂面DEF、破裂面JKL内侧的岩土失稳，破裂面DEF包括倾斜破裂面DE和竖直破裂面EF，破裂面JKL包括倾斜破裂面JK和竖直破裂面KL，斜土钉(1)为直线形状，斜土钉(1)与水平面的夹角为α_i，斜土钉(1)的垂直位置从基坑底面(301)的高度到浅埋巷道顶面(501)的高度，斜土钉(1)必然穿过破裂面DEF或破裂面JKL中至少一个，在破裂面DEF与基坑底面(301)的相交处的基坑底面(301)铺有混凝土面层(2)，在破裂面JKL与基坑底面(301)的相交处的基坑底面(301)铺有混凝土面层(2)，基坑底面(301)作用有荷载P₀，倾斜破裂面DE和倾斜破裂面JK与水平面的夹角为岩土的等效内摩擦角等效内摩擦角的计算公式为：式中：为岩土的内摩擦角；c为岩土的黏聚力；γ为岩土的重度；y_D为地面至D点或J点的深度；y_E为地面至E点或K点的深度，当岩土的破裂面EF或岩土的破裂面KL至基坑底面(301)之间斜土钉(1)满足式(1)时，不做混凝土面层(2)，当岩土的破裂面EF或岩土的破裂面KL至基坑底面(301)之间斜土钉(1)不满足式(1)时，做混凝土面层(2)，若做混凝土面层(2)，当斜土钉(1)在岩土的破裂面EF或岩土的破裂面KL处为受拉时，岩土的破裂面EF或岩土的破裂面KL至混凝土面层(2)之间的斜土钉(1)满足式(2)为安全，当斜土钉(1)在岩土的破裂面EF或岩土的破裂面KL处为受压时，岩土的破裂面EF或岩土的破裂面KL至混凝土面层(2)之间的斜土钉(1)满足式(3)为安全，πd_i∑q_sjkl_ij≥1.4T_ik            (1)式中：d_i为第i根斜土钉(1)的直径；q_sjk为第j层岩土与斜土钉(1)的黏结强度标准值；l_ij为第i根斜土钉(1)穿过第j层岩土的长度；T_ik为第i根斜土钉(1)在岩土的破裂面EF或岩土的破裂面KL处的轴向荷载标准值，取T_ik＝σ_ikA_i，σ_ik为第i根斜土钉(1)在岩土的破裂面EF、岩土的破裂面KL的轴向正应力标准值，σ_ik通过步骤(2)中的式(42)破裂面DEF内侧岩土的稳定性验算求得σ_i，根据《工程结构可靠性设计统一标准GB50153‑2008》，当上部荷载采用P₀的标准值时，σ_ik即为式(42)的σ_i，其下标k的含义是“标准值”，A_i为第i根斜土钉(1)杆体的横截面积，sinα_iπd_i∑q_sjkl_ij+∑A_tsif_a≥1.4T_iksinα_i+∑A_tsiP₀        (2)式中：α_i为第i根斜土钉(1)与水平面的夹角，A_tsi为第i根受拉斜土钉(1)在混凝土面层(2)上的影响面积，如果斜土钉(1)与混凝土面层(2)的连接点在混凝土面层(2)上按矩形均匀分布，那么A_tsi＝s₁s₂，s₁为连接点的纵向间距，s₂为连接点的横向间距；如果斜土钉(1)与混凝土面层(2)的连接点在混凝土面层(2)上按梅花形均匀分布，那么s为连接点的间距，f_a为基坑底面(301)岩土的承载力特征值，P₀为作用在基坑底面(301)的均布的上部荷载，sinα_iπd_i∑q_sjkl_ij+∑A_csiP₀≥1.4T_iksinα_i            (3)式中：A_csi为第i根受压斜土钉(1)在混凝土面层(2)上的影响面积，如果斜土钉(1)与混凝土面层(2)的连接点在混凝土面层(2)上按矩形均匀分布，那么A_csi＝s₁s₂，s₁为连接点的纵向间距，s₂为连接点的横向间距；如果斜土钉(1)与混凝土面层(2)的连接点在混凝土面层(2)上按梅花形均匀分布，那么s为连接点的间距，斜土钉(1)及混凝土面层(2)施工完成后，在斜土钉(1)及混凝土面层(2)之上、基础(10)底面之下铺设褥垫层(9)，(2)破裂面DEF内侧岩土的稳定性验算，取单位长度巷道围岩按平面应变问题进行分析，将破裂面DEF和破裂面JKL内侧的岩土分为若干层，假设每一层内部的岩土的刚度是一样的，都等于每层中点处的精确刚度，取小窑采空区的左侧一半进行分析，将破裂面DEF内侧的岩土简化为滑块DEA、滑块EFIA和滑块AIGH，破裂面DEF按照上述分层情况进一步简化为n_j个刚度不同的抗剪切构件单元(6)，每一层岩土对应一个抗剪切构件单元(6),其中破裂面EF为n_jEF个抗剪切构件单元(61)，破裂面DE为n_jDE个抗剪切构件单元(62)；破裂面EF的斜土钉(1)简化为n_i个弹簧单元(7)；滑块DEA和滑块EFIA之间的AE面简化为1个抗剪切构件单元(63)；滑块EFIA和滑块AIGH之间的AI面简化为1个链条(8)，写出各抗剪切构件单元(6)、弹簧单元(7)所对应的在局部坐标下的单元刚度矩阵利用各单元的坐标转换矩阵λ将局部坐标下的单元刚度矩阵转换为整体坐标下的单元刚度矩阵K^e，破裂面EF上的弹簧单元(7)的单元刚度矩阵的坐标转换矩阵为：破裂面EF上的抗剪切构件单元(61)的单元刚度矩阵的坐标转换矩阵为：式中：β_jDE为破裂面DE与水平面的夹角，AE面上的抗剪切构件单元(63)的单元刚度矩阵的坐标转换矩阵为：破裂面DE上的抗剪切构件单元(62)的单元刚度矩阵的坐标转换矩阵为：式中：β_jDE为破裂面DE与水平面的夹角，根据各单元与各节点的联通关系将整体坐标下的单元刚度矩阵K^e集成为系统的整体刚度矩阵K，弹簧单元(7)的联通关系为其首节点对应节点一、其末节点对应节点二，抗剪切构件单元(61)的联通关系为其首节点对应节点一、其末节点对应节点二，抗剪切构件单元(63)的联通关系为其首节点对应节点二、其末节点对应节点三，抗剪切构件单元(62)的联通关系为其首节点对应节点三、其末节点对应节点四，系统的整体刚度矩阵照如下方法构造而成：将破裂面EF上的弹簧单元(7)，即简化后的斜土钉(1)，在整体坐标下的单元刚度矩阵分块为：式中：K_i11、K_i12、K_i21、K_i22均为3×3的分块矩阵，将破裂面EF上的抗剪切构件单元(61)，即简化后的EF面上的岩土，在整体坐标下的单元刚度矩阵分块为：式中：K_jEF11、K_jEF12、K_jEF21、K_jEF22均为3×3的分块矩阵，将AE面上的抗剪切构件单元(63)，即简化后的AE面上的岩土，在整体坐标下的单元刚度矩阵分块为：式中：K_k11、K_k12、K_k21、K_k22均为3×3的分块矩阵，将破裂面DE上的抗剪切构件单元(62)，即简化后的DE面上的岩土，在整体坐标下的单元刚度矩阵分块为：式中：K_jDE11、K_jDE12、K_jDE21、K_jDE22均为3×3的分块矩阵，系统的整体刚度矩阵为：式中：n_i为破裂面EF上的弹簧单元(7)的数量；n_jEF为破裂面EF上的抗剪切构件单元(61)的数量；n_jDE为破裂面DE上的抗剪切构件单元(62)的数量，求解系统的整体刚度方程：KU＝F                         (33)式中：U为节点位移向量，U中的部分或全部元素为未知量；F为节点的不平衡力向量，F由等效节点荷载、等效节点自重和前一分析步骤的杆端力叠加而成，F为已知量，利用节点位移向量U、整体坐标下的单元刚度矩阵K^e和坐标转换矩阵λ求得各单元的杆端力，破裂面EF上斜土钉(1)截面的正应力为：式中：为弹簧单元(7)的节点一端处的杆端力在局部坐标x方向上的力分量；为弹簧单元(7)的节点二端处的杆端力在局部坐标x方向上的力分量，破裂面EF上岩土沿破裂面EF法线方向的正应力为：式中：为抗剪切构件单元(61)的节点一端处的杆端力在局部坐标x方向上的力分量；为抗剪切构件单元(61)的节点二端处的杆端力在局部坐标x方向上的力分量；H_jEF为破裂面EF上第j层岩土在垂直方向上的厚度，β_jEF为破裂面EF与水平面的夹角，破裂面EF上岩土沿破裂面EF切线方向的正应力为：破裂面EF上岩土沿z方向的正应力为：σ_zβjEF＝σ_tβjEF                      (45)破裂面EF上岩土沿破裂面EF方向的切应力为：式中：为抗剪切构件单元(61)的节点一端处的杆端力在局部坐标y方向上的力分量；为抗剪切构件单元(61)的节点二端处的杆端力在局部坐标y方向上的力分量，AE面上岩土沿AE面法线方向的正应力为：式中：为抗剪切构件单元(63)的节点二端处的杆端力在局部坐标x方向上的力分量；为抗剪切构件单元(63)的节点三端处的杆端力在局部坐标x方向上的力分量；l_AE为A点到E点的距离，AE面上岩土沿AE面切线方向的正应力为：AE面上岩土沿z方向的正应力为：σ_zk＝σ_tk                        (49)AE面上岩土沿AE面方向的切应力为：式中：为抗剪切构件单元(63)的节点二端处的杆端力在局部坐标y方向上的力分量；为抗剪切构件单元(63)的节点三端处的杆端力在局部坐标y方向上的力分量，破裂面DE上岩土沿破裂面DE法线方向的正应力为：式中：为抗剪切构件单元(62)的节点三端处的杆端力在局部坐标x方向上的力分量；为抗剪切构件单元(62)的节点四端处的杆端力在局部坐标x方向上的力分量，破裂面DE上岩土沿破裂面DE切线方向的正应力为：破裂面DE上岩土沿z方向的正应力为：σ_zβjDE＝σ_tβjDE                       (53)破裂面DE上岩土沿破裂面方向的切应力为：式中：为抗剪切构件单元(62)的节点三端处的杆端力在局部坐标y方向上的力分量；为抗剪切构件单元(62)的节点四端处的杆端力在局部坐标y方向上的力分量，根据岩土各方向上的正应力和切应力计算岩土的主应力；(3)小窑采空区浅埋巷道上覆岩土斜土钉加固施工的流程如下：a、开挖基坑至基础(10)底面标高，修整基坑底面(301)；b、设置斜土钉(1)，包括形成斜土钉孔(102)、置入斜土钉杆体(101)、注砂浆(103)以及补砂浆(103)；c、铺设面层钢筋网(201)；d、当岩土的破裂面EF或岩土的破裂面KL至基坑底面(301)之间斜土钉(1)满足式(1)时，不做混凝土面层(2)，当岩土的破裂面EF或岩土的破裂面KL至基坑底面(301)之间斜土钉(1)不满足式(1)时，浇筑混凝土面层(2)，并按相应规定养护；e、铺设褥垫层(9)。