采煤沉陷区分布广、面积大是我国煤矿区存在的普遍问题,确保采煤沉陷区大型建筑地基稳定是煤炭城市建设中面临的一大难题,因此开展大型建筑地基沉降与变形研究及稳定性分析非常有必要。论文以淮北矿区相城煤矿采煤沉陷区大型建筑建设为工程背景,主要针对大型建筑地基沉降变形与稳定性问题,通过现场实测、数值模拟、相似模拟、软件建模和理论分析等方法进行研究。论文结合采空区钻探资料,分析采空区覆岩结构类型;通过FLAC3D正交模拟地表残余沉降主控因素;通过相似模拟实验分析采动与载荷作用下采空区空隙分布与松散层沉降特征;通过Matlab软件建立矩形载荷下方空间任意点附加应力计算模型和地基土体空间压缩沉降计算模型;通过理论分析建立采空区中部垮落岩体的残余沉降计算公式,利用砌体梁“S-R”稳定理论分析采空区断裂砂岩结构的稳定性和沉降特征,利用极限强度理论和突变理论分析残留煤柱的稳定性和建立煤柱失稳沉降计算公式;基于随机介质理论建立载荷作用下采空区上方岩土体协同沉降计算模型,建立载荷作用下地基土体空间压缩沉降和岩土体协同沉降叠加的地基总沉降模型。通过地基沉降与变形研究,对地基稳定性进行评价,提出有效治理措施降低载荷下地基土体沉降和采空区残余沉降。主要取得以下结论:(1)通过采空区覆岩结构分析,基岩层为单一砂岩关键层结构。残留煤柱与边界砂岩断裂结构失稳和中部垮落岩体裂隙压实是采空区沉降的主要因素。FLAC3D正交模拟实验结果表明:地表残余沉降与建筑物载荷、松散层厚度呈正相关,与基岩厚度、基岩岩性和煤柱宽度呈负相关变化。(2)通过Matlab软件建立矩形载荷下方空间任意点附加应力计算模型。若矩形载荷面积越大、长宽比越大、土体泊松比越小,则矩形中心正下方附加应力越大,并由中心向四周衰减变化,附加应力等值线近似矩形,变化程度小,受力越均匀;但靠近矩形边界处,附加应力快速减小,变化程度大,受力不均匀越明显。随着深度增大,附加应力极值减小,由中心向四周衰减变化,附加应力等值线近似椭圆,变化程度更小,附加应力的影响范围增大。载荷对浅部土体的附加应力作用更集中,随着深度增加,附加应力影响向周边土体扩散,作用减弱。(3)采空区中部垮落岩体残余沉降计算式为:上覆岩层载荷越大、岩块抗压强度越低、建筑物载荷附加应力越大、残余碎胀系数越大,采空区中部垮落岩体残余压缩沉降越大。压缩沉降主要与垮落岩块自身强度和残余裂隙空间大小有关。(4)根据砌体梁结构“S-R”稳定理论,采空区边界砂岩层断裂岩块发生滑移失稳。砂岩层断裂结构沉降可按下式计算:(5)煤柱失稳沉降可分为:①当煤柱宽度小于等于9m时,煤柱在开采阶段发生失稳破坏,则建筑物加载阶段,煤柱下沉可按采空区垮落岩体沉降分析;②当煤柱宽度大于9m小于9.7m时,煤柱在加载阶段失稳下沉,沉降按△S=M 2l0/B+2l0计算;③当煤柱宽度大于9.7m时,煤柱不失稳,但在煤柱塑性区范围可能出现煤柱和直接顶破坏,岩块存在“潜在”沉降,沉降可按(6)根据相似模拟实验结果,开采阶段采空区两侧空隙和采空区中部离层是加载阶段采空区的主要沉降来源。载荷作用下,采空区中部沉降增大并逐步稳定。但采空区两侧沉降则与煤柱、顶板和岩层断裂铰接结构的稳定性相关,若结构失稳,沉降快速增大;结构稳定,则空隙空间一直存在,是采空区“残余”沉降的主要集中区域。松散层沉降随着载荷的增加而增加,载荷影响下松散层的沉降可以看成松散层自身孔隙的压实沉降和采空区覆岩沉降产生的协同沉降的叠加。(7)通过Matlab软件建立地基土体分层总和沉降模型计算地基土体压缩沉降。载荷正下方地基土体压缩沉降值最大为0.359m,并由中心向四周逐渐减小,中心区域沉降较均匀,倾斜变化程度小。在载荷边界,沉降快速降低,倾斜最大,最大值为14mm/m。地基在边界处倾斜大且变化程度大,建筑物容易产生不均匀沉降。(8)基于随机介质理论,将砂岩层的沉降作为“等效开采厚度”计算采空区上方岩土体协同沉降。载荷正下方地基协同沉降最大为0.196m,最大倾斜为1.45mm/m,最大水平变形为1.44mm/m,最大曲率为0.06(10-3/m)。(9)载荷作用下的地基沉降可看成地基土体的压缩沉降和岩土体协同沉降的叠加。叠加计算后建筑物下方地基最大沉降为555mm,最大倾斜为14.9mm/m,最大曲率0.06(1 0-3/m),最大水平变形为1.44 mm/m。(10)综合建筑物载荷影响下采空区地基稳定性和地基总沉降与变形分析,办公大楼基地稳定性差,需对地基进行加固治理。通过注浆充填采空区空隙降低采空区沉降和桩基础加固来降低土层压缩沉降。(11)地基加固处理后,布置测点监测地基沉降,从建筑物建设到监测结束(共2105天)地基最大沉降为34.8mm,建筑物倾斜观测最大值为0.142mm/m,小于高层建筑物沉降允许值(200mm)和倾斜允许值(2mm/m),地基稳定性好。