王忠杰,晏鄂川,張 峰,孫 浩
(1.中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430000;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)
翻車機(jī)房屬于能源開采行業(yè)較為常見的基礎(chǔ)設(shè)施,一般礦山地上部分為單層,礦山井下部分為封閉結(jié)構(gòu),且埋深較大,在井下水位較高的區(qū)域,則存在地下室抗浮問題。目前,因礦山開采機(jī)械化程度提高,礦山巷道斷面需求擴(kuò)大,為解決底板穩(wěn)定問題,抗浮錨桿在底板變形控制中的應(yīng)用較多,取得了豐富的可借鑒的成果[1-3]。但由于井下抗浮理論和規(guī)范均不完善,并沒有形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)??垢″^桿在礦山翻車機(jī)房中的應(yīng)用較少,有待進(jìn)一步研究。
本文以某礦山的開采項(xiàng)目為例,對比研究了采用不同規(guī)范抗浮錨桿在礦山翻車機(jī)房中的設(shè)計(jì)方法,得出合理并符合工程實(shí)際的抗浮錨桿設(shè)計(jì)方案,并通過現(xiàn)場抗浮錨桿的極限抗拔試驗(yàn)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證,抗浮錨桿的抗拔承載力和位移均符合相關(guān)規(guī)范要求,希望對類似的施工應(yīng)用具有一定的參考價值。
礦山翻車機(jī)房的井下部分的平面近似為矩形,有四層結(jié)構(gòu),其中一至三層底板面積相等,埋深為井下20.0m,第四層在短邊方向收縮,面積變小,埋深為井下24.5m,本工程±0.0為2587.45m。
所在場地主要地層有:人工填土(Qml)、第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)和第三系中新統(tǒng)(E)粉砂質(zhì)泥巖。礦山翻車機(jī)房底板直接接觸的地層為強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖(4-1)層,棕紅色~磚紅色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu)層狀構(gòu)造,上部泥巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造大部分破壞,風(fēng)化裂隙發(fā)育,礦物成分顯著變化,含砂量較少,該層內(nèi)賦存有裂隙水,遇水易軟化,易崩解,厚度在10m左右。
井下水文情況:礦山翻車機(jī)房所處位置井下水屬孔隙潛水,大氣降水和地下徑流是其主要的補(bǔ)給來源。圓礫層為主要含水層。本次勘查期間穩(wěn)定水位為0m~16.00m,相當(dāng)于絕對標(biāo)高為2566.35m~2584.13m。井下水水位隨季節(jié)的變幅約為0.50m左右。井下水整體由南向北徑流,場區(qū)屬徑流區(qū)。另外,(4-1)層強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖裂隙發(fā)育,貫通性好,富含基巖裂隙水。
計(jì)算浮力首先要確定硐室底板抗浮設(shè)防水位,抗浮設(shè)防水位的合理選取是一個決定性的參數(shù)[4],有文獻(xiàn)提出選取常年最高水位為抗浮設(shè)防水位[5],有文獻(xiàn)提出選取歷史最高水位為抗浮設(shè)防水位[6],規(guī)范中沒有明確的規(guī)定。本項(xiàng)目依據(jù)勘查報告取±0.0m為抗浮設(shè)防水位。根據(jù)計(jì)算所得,上浮力值為119760kN,礦山翻車機(jī)房底板下巖體富含基巖裂隙水,為透水層,浮力值不進(jìn)行折減[7]。礦山翻車機(jī)房自重計(jì)算不考慮活荷載,僅考慮四層硐室底板的重量。計(jì)算得自重值為57330kN。浮力分項(xiàng)系數(shù)取1.0、自重分項(xiàng)系數(shù)取0.9、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)取1.05。礦山翻車機(jī)房硐室整體抗浮驗(yàn)算未通過,需進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。
根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的資料,礦山翻車機(jī)房浮力值大于硐室底板自重值,必須進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。常見的抗浮措施有:壓重、抗浮樁、抗浮錨桿等[2]。壓重,顧名思義就是增加硐室底板的重量,使其超過浮力值,目前壓重的方法主要靠增加頂板和底板厚度,該方法設(shè)計(jì)簡單,方便施工,針對性強(qiáng),適用于浮力比較小的情況,但成本高,且會壓縮硐室的空間;抗浮樁又叫抗拔樁,主要通過樁與礦體之間的摩擦力進(jìn)行抗浮,施工中一般樁基可兼做抗浮樁,由于柱網(wǎng)間距大,工程樁間距也大,在未設(shè)置抗浮樁的純地下室底板處,往往承受著水浮力引起的較大的彎矩和剪力,必須通過增加底板剛度來保證底板的安全,另外,抗浮樁施工工藝較復(fù)雜和成本較高;抗浮錨桿類似于抗浮樁,也是通過周圍礦層與錨固體發(fā)生相對位移所產(chǎn)生的摩阻力來抵抗浮力,但有著抗浮樁無法比擬的優(yōu)點(diǎn):首先,抗浮錨桿短小,間距小,在水浮力作用下,基礎(chǔ)底板可承受較小的彎矩和剪力,無需增加底板厚度,可適當(dāng)降低工程造價,其次,抗浮錨桿成孔直徑較小,施工簡單,技術(shù)成熟。針對礦山翻車機(jī)房的地質(zhì)條件和工程特點(diǎn),綜合對比分析后,宜選擇抗浮錨桿方案為礦山翻車機(jī)房硐室抗浮措施。因?yàn)轫鲜业装逡韵聻閹r體,為減少施工難度,不施加預(yù)應(yīng)力。
抗浮錨桿由兩部分組成,分別是錨固體和傳力鋼筋桿件,抗拔力表現(xiàn)為錨固體與周圍巖土層的摩擦力。具體作用機(jī)制如下:當(dāng)井下水對礦山翻車機(jī)房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的浮力大于硐室結(jié)構(gòu)重力時,上浮拉力對桿件產(chǎn)生作用力,桿件和注漿錨固體握裹狀態(tài),進(jìn)而將拉力傳遞錨固體,錨固體和礦體相互接觸,受拉力作用產(chǎn)生摩擦力,摩擦力抵消了拉力作用,也就是將拉力擴(kuò)散到周圍地層中[8]。抗浮錨桿的平面布置形式采用網(wǎng)格型,在柱下基礎(chǔ)和純底板處均布置抗浮錨桿,這樣布置既能充分利用墻柱的自重,又能平衡純硐室底板的彎矩和剪力。在井下-20m硐室底板兩側(cè)共布置112根,在井下-24.5m處硐室底板共布置126根。抗浮錨桿平面布置如下圖所示。
圖1 礦山翻車機(jī)房抗浮錨桿平面布置圖
現(xiàn)階段,對抗浮錨桿的設(shè)計(jì)并沒有明文的規(guī)定,主要參考《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50086-2015)和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013),其計(jì)算結(jié)果只能用來估算,通過現(xiàn)場的抗拔試驗(yàn)來確定錨桿的抗拔承載力特征值最為可靠。
以《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》為例。
單根抗浮錨桿拉力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算:
TK——單根抗浮錨桿的受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值(N);
Ff——礦井水浮力標(biāo)準(zhǔn)值(N);
G——結(jié)構(gòu)自重及其他永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值之和(N);
n——抗浮錨桿總數(shù);
計(jì)算得到,單根錨桿拉力標(biāo)準(zhǔn)值為287.5kN。
錨桿的截面面積按下式確定:
上面式中:Nd——錨桿的軸向拉力設(shè)計(jì)值(N);
fy——錨桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360N/mm2。
根據(jù)計(jì)算得:錨桿錨固面積為As=1185.82mm2。
錨桿錨固段長度由下兩式中較大值確定[9]:
上面式中:La——錨桿錨固段的長度(m);
K——錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù);
Nt——錨桿的軸向拉力設(shè)計(jì)值(kN);
D——錨固體的鉆孔直徑;
d——錨桿的直徑(m);
fmg——錨固體與地層間的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;
fms——粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;
ξ——界面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù),取0.75;
ψ——錨固長度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù);
n——錨桿數(shù)量
抗浮錨桿作為礦山翻車機(jī)房的永久性結(jié)構(gòu),錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù)取2,錨固體的鉆孔直徑取0.2m,錨桿直徑取28mm,根據(jù)勘查報告結(jié)合規(guī)范,將fmg的取值設(shè)定為0.24MPa,將fms的取值設(shè)定為0.9MPa,ξ的取值設(shè)定為0.75,ψ的取值設(shè)定為0.9,根據(jù)以上取值進(jìn)行最終計(jì)算。
由計(jì)算公式算得:La>6.3m。
《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)對錨桿的規(guī)定主要是針對邊坡施工的,也可以進(jìn)行抗浮錨桿的設(shè)計(jì)參考。現(xiàn)將利用兩種規(guī)范進(jìn)行抗浮錨桿計(jì)算的結(jié)果對比如下:
表1 采用不同規(guī)范的抗浮錨桿設(shè)計(jì)結(jié)果比較表
從表中可以看出,在計(jì)算截面面積時,采用邊坡規(guī)范計(jì)算的結(jié)果大;在計(jì)算錨固體錨固長度時,采用錨桿規(guī)范的計(jì)算結(jié)果大,實(shí)際設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮,可保證礦山翻車機(jī)房的安全。考慮地層情況和實(shí)際施工能力,將錨桿自由段設(shè)置為0.2m。
根據(jù)規(guī)范要求,選取三根抗浮錨桿進(jìn)行極限抗拔試驗(yàn),根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)繪制Q-S曲線如圖2:
圖2 抗浮錨桿抗拔試驗(yàn)Q-S曲線
根據(jù)曲線可知:抗浮錨桿的極限抗拔力超過了設(shè)計(jì)所需的極限抗拔力,且錨桿位移值很小,在規(guī)定的允許范圍值內(nèi)。
本文研究礦山翻車機(jī)房抗浮錨桿的設(shè)計(jì)原理,并用現(xiàn)場施工和極限抗拔試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。主要研究的結(jié)論如下:
(1)礦山翻車機(jī)房硐室抗浮措施采用抗浮錨桿是適用的。
(2)在計(jì)算加筋截面面積時,采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》計(jì)算的結(jié)果大;在計(jì)算錨固體錨固長度時,采用《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果大??垢″^桿設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮。
(3)在抗浮錨桿設(shè)計(jì)理論和依據(jù)不完善的情況下,設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的抗浮錨桿施工完畢后應(yīng)進(jìn)行抗拔試驗(yàn)的驗(yàn)證,如驗(yàn)證不滿足規(guī)范要求,應(yīng)采用動態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。