煤礦區(qū)橋梁抗采動(dòng)地基加固設(shè)計(jì)研究

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，稱為采動(dòng)區(qū)。

1 工程背景

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表1。

沱河路西流河橋下近期5號(hào)煤層開采,下沉量可達(dá)3m，將來(lái)還要受到6號(hào)煤層開采塌陷影響，總下沉量達(dá)5m。

表1 土層承載力容許值

2 采動(dòng)區(qū)橋梁地基承載能力計(jì)算

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)行專門采動(dòng)地基加固設(shè)計(jì)和抗采動(dòng)變形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

3 抗采動(dòng)地基加固設(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）。

3.1 采動(dòng)地基加固方案

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；箱體及擋墻周圍以超出結(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

3.2 采動(dòng)地基承載能力確定

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

4 結(jié)論

1）沱河路西流河橋在開采下沉過(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。

[1]于廣云,夏軍武,王東權(quán).采動(dòng)區(qū)鐵路橋沉陷加固治理[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,33(1).

[2]胡中雄.土力學(xué)與環(huán)境土工學(xué)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.

[3]于廣云.采動(dòng)區(qū)大變形擾動(dòng)土物理力學(xué)性質(zhì)演變及工程相應(yīng)研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué).2009.4.