周興國(guó), 王東權(quán)
1同濟(jì)大學(xué)(200092) 2徐州市市政設(shè)計(jì)院有限公司(221002) 3中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(221000)
當(dāng)煤從地下被開(kāi)采出來(lái)后,采空區(qū)上方覆蓋的巖層失去支撐而導(dǎo)致平衡條件被破壞,應(yīng)力重分布,直至達(dá)到新的平衡,這是一個(gè)十分復(fù)雜的物理力學(xué)變化過(guò)程。在此過(guò)程中,采空區(qū)上部巖體變形和移動(dòng)會(huì)向上波及地表,地層內(nèi)部巖石的強(qiáng)度和內(nèi)聚力會(huì)大大降低,宏觀上在地表呈現(xiàn)出塌陷、裂縫和臺(tái)階等多種形式的變形,并形成地表移動(dòng)盆地,稱(chēng)為采動(dòng)區(qū)。
沱河路西流河橋位于沱河?xùn)|路西流河上,橋梁與西流河中心線呈65°角斜交,橋位區(qū)河道寬35m。設(shè)計(jì)采用3m×12m抗采動(dòng)變形箱性結(jié)構(gòu)橋梁,箱高10m。單側(cè)橋梁每排有2個(gè)獨(dú)立箱體構(gòu)成,寬度分別為13.0 m和11.0 m,箱體頂板厚0.8m,底板厚1.0m,側(cè)墻厚0.8m。
場(chǎng)地內(nèi)地層屬第四系河流沖積堆積物,層理構(gòu)造清晰,按其工程性狀分為以下幾種類(lèi)型,自上向下基本特征如下:①層土屬新近堆填土層,結(jié)構(gòu)松軟,孔隙比大,呈中高壓縮性,強(qiáng)度弱,工程特性差,埋深兩岸為3.6~5.1m,河道為1.0~1.5 m;②~④層土屬一般沉積土層,正常固結(jié)狀,呈中壓縮性,工程特性一般;⑤層黏土屬老黏土,結(jié)構(gòu)性強(qiáng),密實(shí),低壓縮性,土層強(qiáng)度大,工程特性好。同層土性狀在水平方向分布均勻。各土層容許承載力見(jiàn)表1。
沱河路西流河橋下近期5號(hào)煤層開(kāi)采,下沉量可達(dá)3m,將來(lái)還要受到6號(hào)煤層開(kāi)采塌陷影響,總下沉量達(dá)5m。
表1 土層承載力容許值
淮北西流河橋采動(dòng)擾動(dòng)地基極限承載力采用《建規(guī)》地基承載力公式算得。
當(dāng)荷載偏心距小于等于1/30基底寬度時(shí),采動(dòng)擾動(dòng)過(guò)程中西流河橋梁地基承載力降低值可以按《建規(guī)》地基承載力公式計(jì)算:
式中:fa為采動(dòng)擾動(dòng)過(guò)程中橋梁地基承載力降低后的特征值;Mb、Md和Mc為承載力系數(shù),根據(jù)基底以下土體擾動(dòng)后摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值φk確定;ck為采動(dòng)擾動(dòng)過(guò)程中地基土體黏聚力降低后的標(biāo)準(zhǔn)值;φk為采動(dòng)擾動(dòng)過(guò)程中地基土體摩擦角降低后的標(biāo)準(zhǔn)值;b為基礎(chǔ)寬度(m),當(dāng) b>6m 時(shí),取 6m,對(duì)于砂土b<3 m時(shí)按3 m計(jì);d為基礎(chǔ)埋深;γ為基底以下持力層土的天然重度;γm為基底以上土的天然重度。
采用公式(1)計(jì)算出沱河路西流河橋地基土體在不同采動(dòng)采高后地基承載能力變化,計(jì)算條件是:基礎(chǔ)寬度b=11.25>6m基礎(chǔ)埋深d=1m,最可能的采動(dòng)擾動(dòng)率擾動(dòng)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 2、表 3。
通過(guò)上述計(jì)算分析可知:
1)采動(dòng)擾動(dòng)過(guò)程中地基承載能力會(huì)發(fā)生較大幅度降低,采動(dòng)下沉3m過(guò)程中地基承載力降低平均為50%。
2)近地表的②層和③層黏土,在采動(dòng)下沉3 m過(guò)程中降低后的承載力值僅為86.9 kPa和105.2 kPa,無(wú)法滿足橋梁對(duì)地基承載力的要求,必須進(jìn)行加固處理,方能保證采動(dòng)過(guò)程其上橋梁結(jié)構(gòu)在采動(dòng)過(guò)程中的安全和穩(wěn)定。
3)應(yīng)針對(duì)采動(dòng)過(guò)程地基變化進(jìn)行專(zhuān)門(mén)采動(dòng)地基加固設(shè)計(jì)和抗采動(dòng)變形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。
抗采動(dòng)整體柔性復(fù)合地基加固的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:樁體布置幾何設(shè)計(jì),采動(dòng)地基承載能力確定(加固地基承載能力確定、加固地基之下采動(dòng)擾動(dòng)地基承載能力確定)。
抗采動(dòng)地基加固采用水泥土樁復(fù)合地基,選第②層黏土作為持力層,加固深度初步定位6~8m。水泥攪拌樁直徑0.6 m,樁間距1.5 m,單樁承擔(dān)面積2.25 m2。素混凝土墊層+砂石墊層厚度定為0.8~1.0m。橋下水泥攪拌樁平面布置見(jiàn)圖1。其中水泥攪拌樁的布置原則為:平面布置以機(jī)動(dòng)車(chē)道中間箱體形心為基準(zhǔn)點(diǎn),縱橫向間距1.5 m網(wǎng)格布置;箱體及擋墻周?chē)猿鼋Y(jié)構(gòu)外輪廓線設(shè)置2排樁體為宜,這部分樁體長(zhǎng)度取8m;橋頭非結(jié)構(gòu)物下樁體布置以超出結(jié)構(gòu)外輪廓線布置7排樁體為宜,這部分樁體長(zhǎng)度取6m。
圖2為以機(jī)動(dòng)車(chē)道中間箱體形心為基準(zhǔn)點(diǎn),樁體的橫向布置圖。
表2 采動(dòng)前沱河路西流河橋地基土體承載力特征值
表3 采動(dòng)下沉3 m過(guò)程中沱河路西流河橋地基土體承載力特征值
采動(dòng)地基承載能力確定包括2部分內(nèi)容:
1)橋梁基礎(chǔ)之下整體柔性復(fù)合地基加固的地基承載能力確定。
2)加固地基之下采動(dòng)擾動(dòng)地基承載能力確定。
3.2.1 復(fù)合地基承載能力確定
采用抗采動(dòng)整體柔性復(fù)合地基加固橋梁地基可以消除采動(dòng)對(duì)加固范圍內(nèi)地基承載能力影響,可以不考慮采動(dòng)影響,仍然按有關(guān)地基處理技術(shù)規(guī)范進(jìn)行復(fù)合地基設(shè)計(jì)。
1)單樁承載能力
單樁承載能力由樁體強(qiáng)度和樁側(cè)阻與端阻決定,按下式計(jì)算:
式中:η為樁體強(qiáng)度折減系數(shù),干法可取0.20~0.30;濕法可取 0.25~0.33;fcu·k為樁身試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值,對(duì)于高壓旋噴樁 fcu·k=3~8 MPa;粉噴樁或水泥攪拌樁:28天 fcu·k=0.8~1.0 MPa,90 天 fcu·k=1.2~1.5 MPa;Ap為樁有效截面面積;D為樁有效直徑;hi為樁周第i層土的厚度;qsi為樁周第i層土的摩擦力的標(biāo)準(zhǔn)值;α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù),可取0.4~0.6,采動(dòng)地基可以按采動(dòng)影響進(jìn)行折減;qp為樁端天然地基地基土承載力的標(biāo)準(zhǔn)值。
2)復(fù)合地基承載能力
式中:fspk為復(fù)合地基承載能力標(biāo)準(zhǔn)值;Ae為一根樁承擔(dān)的處理面積;β為樁間天然地基土承載能力折減系數(shù);fsk為樁間天然地基土承載能力。
復(fù)合地基承載能力fspk應(yīng)大于地基最終下沉后所需地基承載能力fk。 經(jīng)計(jì)算,=140.1kN;fspk=203.9 kPa;橋梁地基荷載 fk=1.3×176.0 kPa=228.8 kPa。
采動(dòng)后采動(dòng)下沉過(guò)程中橋梁地基承載力不能滿足地基荷載要求,采用水泥土樁復(fù)合地基加固后的地基承載力完全能滿足采動(dòng)下沉的要求。
3.2.2 采動(dòng)擾動(dòng)地基承載能力計(jì)算
采動(dòng)擾動(dòng)過(guò)程中復(fù)合地基之下采動(dòng)擾動(dòng)地基承載力建議按《建規(guī)》地基承載力公式計(jì)算確定。
采動(dòng)擾動(dòng)過(guò)程中加固復(fù)合地基之下采動(dòng)擾動(dòng)地基所需承受外力為:
式中:αc為應(yīng)力系數(shù),按建筑樁基基礎(chǔ)規(guī)范(JCJ94-2008)查得;p為橋梁基礎(chǔ)壓應(yīng)力;γ為復(fù)合地基重度;h為復(fù)合地基深度。
要保證采動(dòng)過(guò)程中復(fù)合地基之下采動(dòng)擾動(dòng)地基穩(wěn)定,采動(dòng)擾動(dòng)過(guò)程中復(fù)合地基之下天然地基承載力降低值應(yīng)大于其上所需承載力。即:
按(4)式算得加固地基下采動(dòng)擾動(dòng)土體上的荷載效應(yīng)見(jiàn)表4。按σz=αc·p算得采動(dòng)過(guò)程中加固地基之下地基土承載能力特征值見(jiàn)表5。
表4、表5結(jié)果表明,加固深度超過(guò)6 m可以滿足。因此,考慮施工等因素,選定沱河路西流河橋橋下地基土加固深度為8m,橋梁兩側(cè)高填方橋頭地基土加固深度為6m。
表4 加固地基下采動(dòng)擾動(dòng)土體上的荷載效應(yīng)
表5 采動(dòng)過(guò)程中加固地基之下地基土承載能力特征值
1)沱河路西流河橋在開(kāi)采下沉過(guò)程中地基承載能力會(huì)大幅度降低,采動(dòng)下沉3m地基承載能力可降低50%。
2)采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基對(duì)沱河路西流河橋采動(dòng)地基進(jìn)行抗采動(dòng)加固是經(jīng)濟(jì)可靠的方法,地基加固參數(shù)為:樁徑D=0.6 m,樁間距 B=1.5 m,樁長(zhǎng) h=8 m(橋下地基)、h=6 m(橋頭高填方路堤),可以滿足采動(dòng)下沉要求,確保沱河路西流河橋地基在正常使用和采動(dòng)過(guò)程中的安全、穩(wěn)定。
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