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1、第24卷第1期煤 炭 学 报Vol.24No.11999年 2月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYFeb.19993露天开挖及疏水引起的地面沉降及变形刘宝琛阳军生张家生(冶金部长沙矿冶研究院)(湖南大学)(冶金部长沙矿冶研究院)摘要 露天矿山边坡岩土体疏水所引起的地表沉降及变形,往往大于开挖本身引起的沉降及变形.应用随机介质理论,假设岩土移动过程符合Markov过程,再利用叠加原理,导出了露天开挖及岩土疏水导致的地表沉降及变形计算方法.计算获得的疏水导致的地表移动大小及范围均大于开挖引起的
2、地表移动大小及范围.分析计算结果与Morwell露天褐煤矿的监测资料的对比令人满意.关键词 露天开采 地表沉降 岩土固结中图分类号 TD82417TD85416露天矿山开采或深基坑开挖,必将导致岩土体疏水,使边坡岩土体内的地下水位下降.开挖使岩土体失去部分横向支撑,边坡岩土体将向开挖空间移动.岩土体疏水使岩土骨架的有效应力增高,从而导致岩土固结压密,引起边坡岩土体沉降与变形.由于疏水影响半径较大,此类沉降往往在距开挖范围较远处也[1,2]可发现.开挖引起的地表移动及变形已有文章深入研究过,而岩土疏水导致的岩土沉
3、降及变形则研究甚少.应用随机介质理论及岩土固结原理,可以综合研究开挖及疏水引起的地表沉降及变形,并可以编制微机程序进行地面沉降及变形预计.1 岩土疏水引起的地面移动及变形111 疏水岩土体移动机理含水岩土体是一种由固相岩土颗粒及液相孔隙水组成的两相介质.岩土体内的应力由固体岩土颗粒和孔隙水共同分担.当岩土体内的水被疏干后,原来由孔隙水所分担的应力将减小,而固态岩土所承受的应力将增大,即有效应力增加,导致岩土体本身的固结压密.疏水范围之内的岩土体压密引起其上部岩土体沉降,形成地面沉降,而不均匀沉降造成地面变形,并
4、有可能损害地面建筑物.112 疏水岩土体的固结假设岩土颗粒及孔隙水均为不可压缩,则疏水后岩土体的固结主要是由于有效应力增加而导致的岩土体内孔隙的减小.设h为疏水前岩土体中地下水水位(图1),在η=h以下的岩土体为饱水状态.考虑一个位于深度η处的单元dξdη(平面问题),单元的应力为p,其中孔隙水压力为p,岩土颗粒的应力为σ=pw-pw,而疏水前p=hγ0+(η-h)γf,其中,γ0为地下水位面3以上岩土的容重,kNm;γf为地下水位面以下饱和岩土的容图1 疏水后岩土固结收稿日期:1998-08-24Fig11C
5、onsolidationofrockand3国家自然科学基金项目(批准号:59674002)soilafterdewatering40煤 炭 学 报1999年第24卷33重,kNm;孔隙水压力pw=(η-h)γw,其中,γw为孔隙水的容重,kNm.由此可获得有效应力为σ=hγ0+(η-h)(γf-γw).(1) 在深度η以上完全疏水以后,孔隙水压力转为由岩土颗粒承担,有效应力增量为Δp=(η-h)γw.(2)Δe 岩土的压密性可以由压密系数av表示,即av=,其中,Δe为岩土中孔隙比的变化.Δp深度η
6、处的一个单元dξdη在有效应力增量Δp的作用下产生微元压缩ds可以表示为avΔpav(η-h)γwds=dη=dη,(3)1+e01+e0式中,e0为岩土的初始孔隙比.[4]当有效应力增量相当大时,压密曲线e-lg(pkPa)近似为一直线,并以压缩系数表示为ΔeCc=.(4)Δlg(pkPa) 因此Cchγw+(η-h)γfds=lgdη.(5)1+e0hγ0+(η-h)(γf-γw) 式(3)及式(5)可以写成ds=C(η)dη.(6)113 岩土疏水地表移动及变形如图2所示,开挖以前地下水水位为η=h.
7、开挖以后,地下水水位下降并形成某一曲线η=f(ξ).假设岩土疏水半径为Rw.许多经验证实:地下水下降曲线η=f(ξ)是一条通过坐标(-Hcotα,H)及(Rw,h)两点的抛物线(H为开挖深度;α为开挖边坡角).岩土疏水固结假设只沿η轴方向发生,即ds.在下沉ds的影响下,ds水平以上的岩土体将向下移动,并在地表形成微小单[2]元下沉盆地wwe(x).根据随机介质理论,单元下沉为21π(x-ξ)wwe(x)=exp-2,(7)r(η)r(η)图2 疏水后岩体的沉降分析条件式中,r(η)为水平η上的开采主要影响范围
8、.Fig12Groundmovementsanalysisηafterdewateringr(η)=,(8)tanβ式中,β为开挖主要影响范围角.在原始水位线η=h与水位下降曲线η=f(ξ)之间的疏水部分中,任何单元岩土体均产生微小压缩ds.上述影响的叠加综合,在地表形成下沉ww(x)为ww(x)=kwwe(x)dsdξ.(9)Ω将式(6)～(8)代入式(9)获得地表沉降的最终表示式为
