《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Mechanical properties and failure mechanisms of radial flow sedimentation tank under surface deformation in mining areas
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•为支持可持续煤炭开采，本研究建立了一个评估径向流沉淀池结构完整性的框架——该设施是煤炭洗选厂中的关键基础设施——使其在开采引起的地表变形下能够安全高效地提取资源，同时最大限度地减少运营中断。•系统揭示了径向流沉淀池在开采引起的地表变形下的损伤演化机制，并定量识别了水平拉伸和
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为支持可持续煤炭开采，本研究建立了一个评估径向流沉淀池结构完整性的框架——该设施是煤炭洗选厂中的关键基础设施——使其在开采引起的地表变形下能够安全高效地提取资源，同时最大限度地减少运营中断。
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系统揭示了径向流沉淀池在开采引起的地表变形下的损伤演化机制，并定量识别了水平拉伸和水平压缩下初始开裂和贯穿全厚度失效的关键变形阈值。
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在复合变形（倾斜伴随水平拉伸或压缩）下，识别出明显的左右损伤不对称性，下移侧始终承受更严重的应力和开裂，揭示了多模态地表运动的耦合效应。
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证明在复合变形下，严重的拉伸开裂主导了功能失效，且发生在结构倾斜超过规范限值之前，确立了基于强度的损伤——而非变形控制准则——应作为此类结构安全评估和预防性加固的主要考虑因素。
引言
煤炭开采后，地下会形成采空区[1], [2], [3]。这些不利地质条件的形成和持续存在导致地表沉降，表现为地面下沉、倾斜、曲率变形、水平位移和侧向变形[4], [5]。这些地表运动对地表结构的安全、正常和稳定运行构成严重威胁[5], [6], [7], [8]。
近年来，报道了多起工程案例，其中开采引起的地表变形导致建筑开裂和倾斜[9], [10]。例如，在中国、捷克和波兰等国家，持续的地下采矿活动导致住宅建筑、历史遗址和其他结构因地表运动受到不同程度的损坏[6], [11], [12], [13], [14], [15]。这些事件不仅严重扰乱了日常生活，还造成了巨大的经济损失，凸显了深入理解此类灾害涉及失效机制的必要性[5], [16]。因此，研究受开采引起的地表变形作用的建筑力学响应和潜在失效机制，已成为确保受影响区域结构安全性和耐久性的重要研究领域[17], [18]。
众多学者广泛研究了受开采影响区域建筑在受地表变形作用下的损伤和变形机制，取得了显著见解。例如，Deck [19] 通过测量建筑位移的传递或诱导应力量化了采矿沉降效应。Szojda [20] 对波兰西里西亚的 Mierkowice [21] 地区结构进行了数值分析，以确定采矿活动停止后的残余应力。通过物理相似模拟试验，Xia [22] 检查了水平地表变形下带悬臂梁段的钢框架节点的附加应力和变形模式。使用 SAP2000 软件，Ma [23] 分析了不同不均匀沉降模式下的钢筋混凝土框架结构，揭示出自振特性和损伤水平随负曲率和正曲率变化。Jiao [18] 建立了四种不均匀沉降模型，研究了不同类型建筑的静力和动力响应特性。Zhou [24] 调查了矿区倾斜引起的变形下不同类型地基和结构形式建筑的损伤特征。基于两栋建筑周围地表变形的现场监测数据，Kapusta [25] 评估了开采引起的地表运动如何影响结构应力状态。Marian [26] 采用有限元建模建立结构构件的应力状态模型，检查了典型建筑对地下采矿的响应。使用 ANSYS 软件，Lian [27] 关注了不同拉伸条件下结构柱、圈梁和墙体的内部状态。Xie [28] 进行了实验和数值模拟，研究了具有新型轻质复合填充墙的钢框架在弯曲地面变形下的结构性能。总体而言，这些研究表明，在开采引起的地表变形下，结构失效始于因地面位移导致的地基反力变化[29], [30]。这种变化破坏了基础与下伏土层之间的平衡，扰乱了上部结构的力学平衡，导致内应力重新分布，并最终引发建筑内脆弱位置的失效[31], [32]。总的来说，现有研究已建立了对采矿活动造成的传统建筑损伤的基本认识。
然而，大多数研究集中在标准砌体或框架结构上，关于沉淀池等专用结构的研究存在空白。从结构上看，沉淀池由连续环形墙、倒锥形底板、中央污泥收集坑和周边环形基础组成；这种配置创建了一个空间准轴对称传力体系，与框架和砌体建筑中离散梁柱或承重墙的传力路径显著不同[33], [34], [35]。在结构行为方面，池体承受自重、污泥产生的静水压力和集中设备荷载。此外，地面倾斜改变了静水压力和设备荷载相对于变形结构的方位和分布，从而在池壁和基础中引起不对称响应[36], [37]。尽管先前的研究阐明了开采引起的地表运动如何从土壤传递到结构的一般机制，但对于地表变形的特定组成部分如何与流经式沉淀池独特的传力路径和适用性要求相互作用，仍缺乏足够的了解。
许多矿区的采煤工作面正在重新设计，以提高资源开采和利用效率。此类重新设计必然会影响开采影响区内的结构和设施，包括位于煤炭洗选厂的径向流沉淀池。基于实际工程案例，本文通过有限元数值模拟研究了五种地表变形和两种复合变形场景对径向流沉淀池结构的影响。从以下角度分析了结构对各种地表变形的抗性：(1) 沉淀池结构的应力特征；(2) 内力和位移的变化规律；以及 (3) 损伤和开裂的位置及程度。本研究阐明了地表变形下沉淀池的损伤演化机制，从而为选择加固措施以增强结构抗变形能力提供了可靠依据。
章节摘要
项目概况
某矿区对其工作面进行了重新设计，以优化煤炭开采和利用，从而影响开采影响区内结构的稳定性。图 1(a) 说明了这种情况，其中包括位于开采面上方垂直 48 米处的沉淀池，如图 1(b) 所示。随着采矿推进，池体将进入显著地表运动区。与普通钢筋混凝土结构不同，沉淀池表现出
模型建立
基准模型由四个主要部分组成：圆形钢筋混凝土沉淀池、钢筋网格、素混凝土垫层和下伏地基土。由于模拟的结构是专业类型的土木工程建筑，采用了混合建模方法以清楚地分析其内力、变形和裂缝发展：钢筋使用线单元进行建模，而所有其他部分均用
地表变形类型
由于采矿沉降导致的地表变形以不同方式影响地表结构的稳定性和完整性。沉降过程从采空区向上传播并向外延伸，如图 16 所示。对于工程结构，这种变形通常分为四种类型：垂直沉降、水平位移、倾斜和曲率。不同的结构形式对每种变形模式表现出不同的敏感性。位于...中心的结构
地表水平拉伸变形影响
鉴于沉淀池的圆形几何形状，详细的基于方向的描述是不切实际的。因此，定义并标记了应力和应变分析的关键位置，如图 18 所示。对于对称加载下的对称截面，仅提取一侧进行分析。
沉淀池的损伤程度定义如下：(1) 轻微损伤：池体结构表现出超过 0.6 的拉伸损伤区域；(2) 严重损伤：贯穿裂缝
结构应力特征
复合拉应变区变形涉及地面倾斜与水平拉伸的叠加。因此，沉淀池中的结果应力显示出各单独模式特征的组合。来自土壤的切向接触力将拉伸作用传递到基础和侧墙；这些主要由沿 X 轴的环形基础、底板和沿 Y 轴排列的墙体抵抗。同时，倾斜滑动和
结论
本研究调查了径向流沉淀池在各种地表变形下的应力响应、内力演化和拉伸损伤模式，并评估了其结构抗性。主要发现总结如下：
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在水平拉伸变形期间，池体沿土 - 结构界面经历了对称拉伸，以及由于中央路基下凹引起的额外上浮。这些机制增加了拉伸应力
CRediT 作者贡献声明
Kangjia Song: 软件。 Junwu Xia: 写作 – 审阅与编辑，经费获取。 Chucun Ji: 软件。 Yu Zhou: 写作 – 原稿，软件，形式分析，数据整理。 Siyong Tan: 调查
利益冲突声明
? 作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能看似影响本文报告的工作。
致谢
本报告研究工作由国家自然科学基金联合基金重点项目 (U23A20598) 和河南省重点研发计划 (251111321900) 资助。
Yu Zhou|Junwu Xia|Chucun Ji|Siyong Tan|Kangjia Song
