采砂采空區(qū)基樁承載力計算

張永賢，李均海，曹金光，雷丁琳

（1.徐州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221006；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

引 言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，交通成為經(jīng)濟發(fā)展的重要障礙，因此到2030年時，國家規(guī)劃形成約580萬公里規(guī)模的公路網(wǎng)，投資總額達4.7萬億人民幣，公路網(wǎng)中國家路網(wǎng)占比7%左右，約為40萬公里，高速公路約為13.6萬公里，國道約為26.5萬公里。

新千年以后，在經(jīng)濟基礎(chǔ)的高速發(fā)展下，基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)與民用建筑大量增加。作為建筑重要原材料的河砂，起著不可或缺的重要作用，其市場需求量大大的增加。河砂作為稀缺資源，市場供需矛盾日趨突出，因此其價格也在不斷攀升。一條非法采砂船根據(jù)其規(guī)模大小，一晚非法采砂的利潤可從幾萬元到達幾十萬元不等，在利益的驅(qū)使下，吸引了許多人從事非法采砂活動。非法采砂由于其盲目性以及不科學(xué)性，往往會給當(dāng)?shù)厝嗣衽c社會帶來危害和不良影響［1］，激發(fā)的社會矛盾也屢見不鮮，還帶來如農(nóng)田塌落、迫使河流改道、道路開裂等不良現(xiàn)象的發(fā)生；同時對橋梁樁基也帶來極大的安全隱患，因為河道中存在非法采砂行為，會致使河道中出現(xiàn)許多坑、槽，使得水流紊亂，加重河床的沖刷，嚴重影響橋梁安全，在山西、陜西、福建和四川等地，都相繼出現(xiàn)過因過度采砂造成橋出現(xiàn)險情，甚至坍塌的事故［2］。

河道中非法采砂產(chǎn)生的采砂采空區(qū)，其產(chǎn)生的年代新，砂層不可能完成沉降固結(jié)，若采用常規(guī)方法進行設(shè)計施工，勢必給工程帶來安全隱患。因此，當(dāng)采用橋梁跨越采砂采空區(qū)時，如何科學(xué)進行地基評價，確定合理的處置措施，成為此類工程的一個技術(shù)難點［3］。

1 采砂區(qū)土層土體性狀演變

國內(nèi)河道采砂的方式通常有兩種方式：一種是利用采砂船上的采砂機具（泵或鏈斗、抓斗）從河床上抽吸（或以鏈斗刮動、以抓斗抓取）泥沙，并在采砂船上沖洗、篩分后裝載到運輸船上運走；另一種則是將泥漿泵裝在漂浮物（或稱其為泵船）上，抽吸的泥沙通過管道送到岸邊的砂場瀝水得砂。兩方法工作方式的不同而其所形成的采空區(qū)狀態(tài)亦不相同，第一種方式直接在河道表層形成的采砂采空區(qū)，即為坑槽；第二種方式則為在土層中形成采砂采空區(qū)，即為空洞。張子真［4］對各種類型的地陷進行總結(jié)分類，對于采空區(qū)地陷總結(jié)了一定規(guī)律并給出了地陷物理模型；顧偉［5］給出了松散層下采空區(qū)的變形規(guī)律，為采砂區(qū)采空區(qū)發(fā)展中地表塌陷提供了參考依據(jù)。

抽吸采砂是采砂機將砂層中砂石抽出時，砂層上覆土層及周圍土體都會由于應(yīng)力不平衡而產(chǎn)生變形，根據(jù)采砂擾動區(qū)的大小不一，其所引起的變形也是不一樣的。當(dāng)采砂擾動區(qū)擴大到一定范圍時，其引起的變形會逐步擴大至地面，從而引起地面的變形、地表的沉降等等。地表沉降區(qū)內(nèi)各位置的變形是不一樣的，但也有一定的規(guī)律。如水平砂層時，由于下沉等值線和水平移動等值線均平行于開采邊界線，移動盆地內(nèi)下沉值最大的點和水平移動值為零的點都在采空區(qū)中心。

采砂擾動區(qū)范圍內(nèi)土層產(chǎn)生沉降與變形時，其物理力學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生變化，根據(jù)其變化情況以及其穩(wěn)定性，可大致分為四個階段：

Ⅰ階段：采砂采空區(qū)上一定范圍內(nèi)土體發(fā)生沉降與變形，地表土體變化不明顯。

Ⅱ階段：隨著時間消移，地表逐漸土體下沉，地層開始出現(xiàn)凹陷。采砂采空區(qū)上覆全部土體的力學(xué)參數(shù)發(fā)生明顯的變化，對上部建筑將產(chǎn)生不良影響；Ⅰ階段中的土層變形繼續(xù)增大并開始逐漸趨于穩(wěn)定。

Ⅲ階段：時間繼續(xù)延長，地表土體由原來的凹陷逐步出現(xiàn)并形成盆地，地下土層以擾動區(qū)域為臨界，自上而下一定范圍內(nèi)的土體基本趨于穩(wěn)定。

Ⅳ階段：土體的沉降與變形基本結(jié)束，其力學(xué)參數(shù)也逐步恢復(fù)，且在采砂擾動區(qū)上方一定范圍內(nèi)形成盆地，各個土層土體變化趨于穩(wěn)定。

2 采砂區(qū)處置措施

抗變形能力相對較強的簡支梁橋墩臺，規(guī)范規(guī)定總沉降值不超過2 cm、拱形橋墩臺的總沉降值不超過11 cm，因此，在采砂擾動區(qū)中進行橋梁建設(shè)具有很大挑戰(zhàn)性，必須對采砂采空區(qū)進行有針對性的詳實工程地質(zhì)勘探和穩(wěn)定性分析評價，對于一些擾動變形大的區(qū)域需要采取一定的工程措施，以滿足橋梁建設(shè)的要求。

針對于采砂采空區(qū)處置，目前國內(nèi)外尚未形成成熟的措施方法以及相應(yīng)的規(guī)范體系，在工程中常用的處置河流采砂采空區(qū)有灌注充填法、穿越/跨越法和其他方法等。

2.1 灌注充填法

灌注填充法是采用一定的材料充填空洞或者改性其物理化學(xué)性質(zhì)加固垮落帶抑或是空洞來增加土層的承載力。根據(jù)灌注填充法的施工原理以及考慮到施工環(huán)境和綜合自然原因，該方法適合于大部分道路路基下采砂擾動區(qū)的地基的處理［6］，可有效改善地基土的承載力。

灌注所選用的材料通常以水泥、黏土、粉煤灰等為細料，在有空洞嚴重的區(qū)域配以砂石、礦渣等粗骨料，可有效地提高排水能力、土層強度和地基的承載力。在進行填充材料的配合時需要根據(jù)工程實際情況現(xiàn)場試驗進行確定。

在灌注施工時，為了保證灌注對采砂擾動區(qū)的完全充實，應(yīng)常進行分步灌注，應(yīng)從外圍開始，由外向內(nèi)對其進行灌注，灌注過程中應(yīng)保持其連續(xù)性，以免使其中斷凝結(jié)而形成新的空洞，降低其地基承載力，造成不良影響［7］。在注漿結(jié)束后，通常采用工程物探、鉆孔取芯或者聲波檢測等［8］方法對其質(zhì)量進行檢測，以確定能否滿足所預(yù)期的目標，即地基承載力可以達到設(shè)計預(yù)期要求。

2.2 穿越/跨越法

穿越/跨越法即為工程樁穿越跨越采砂采空區(qū)土層進入非擾動層的處置方法，在河道采砂采空區(qū)處置中較為常見［9］。其原理為通過基樁穿越/跨越采砂采空區(qū)，將非擾動土層作為主要持力層。該方法可以應(yīng)用于對沉降與變形要求較高的橋梁等路段的建設(shè)。

采用樁基礎(chǔ)穿越/跨越采砂采空區(qū)時，最重要的難點之一是如何科學(xué)合理的確定基樁的承載力。要解決這一難點問題，首先必須準確辨別采砂擾動區(qū)與非擾動區(qū)，其次科學(xué)合理確定各土層的物理力學(xué)指標參數(shù)，同時還應(yīng)注意在橋梁樁基施工完成后，由于穿過采砂擾動區(qū)，采砂擾動區(qū)土層的后續(xù)固結(jié)作用是否會產(chǎn)生樁基負摩阻力?？傊浞种匾暬鶚兜姆€(wěn)定性和安全性。

2.3 其他方法

對于淺層的采砂擾動區(qū)，強夯法加固處理效果好，但對于深層采砂采空區(qū)的處治效果并不明顯［10］。堆載預(yù)壓等方法可加速采砂采空區(qū)的固結(jié)沉降，使其提前進入穩(wěn)定期以有利于進行道路建設(shè)。

3 工程實例

3.1 工程概況

本文以江蘇省蘇北某省道建設(shè)工程為背景，分析采砂區(qū)土層性狀，并對比采砂擾動區(qū)和非擾動區(qū)土層對樁側(cè)摩阻力和單樁軸向承載力特征值影響，該項目為雙向四車道一級公路，設(shè)計時速為100 km/h，穿越采砂區(qū)，主橋采用48.8 m+120 m+48.8 m鋼桁拱，引橋均采用35 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，橋梁全長2215.84 m，在初勘階段發(fā)現(xiàn)在擬建橋梁局部路段位于第四系砂層采空區(qū)。根據(jù)調(diào)查，該場地采砂活動約始于2000年左右，前期采砂深度約為20 m，后期隨著采砂規(guī)模不斷加大，至2010年采砂深度增加至40 m左右，采砂活動于2015年12月受管制而停止。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查走訪，一般采砂作業(yè)結(jié)束半個月內(nèi)作業(yè)面出現(xiàn)塌陷，塌陷深度多為2～4 m，后期變形跡象不明顯。該項目土層剖面圖如圖1所示，根據(jù)工程地質(zhì)詳細勘察資料，在采砂影響范圍線，32號橋墩為采砂影響最大的橋墩，該處水深約6 m。

圖1 水底地形等值線圖

3.2 采砂區(qū)土層土體性狀分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，本場地砂層開采方法為采砂船鉆孔吸采砂法，開采的砂層呈層狀，產(chǎn)狀近水平，鉆孔附近的砂層采空后隨即被周邊的砂水混合物即時補給充填，對上覆土層形成頂托作用。隨著開采時間的延續(xù)，砂層采出量越來越大，周邊補給邊界范圍越來越大，直至某一時段，采塌區(qū)砂水混合物的頂托力小于上覆土層自重應(yīng)力，上覆土層開始彎曲、破裂并整體下沉，形成以開采鉆孔為中心的碟形塌陷，其發(fā)展過程及變形特征與煤礦采空區(qū)充分采動地面塌陷的發(fā)展過程及變形特征相似。

根據(jù)土工試驗及標準貫入試驗成果，場區(qū)內(nèi)采砂區(qū)層⑩粗砂以上各砂層為中密-密實，局部稍密；主要黏土層層序及厚度無明顯異常，但地層界線較周圍未開采區(qū)域明顯下陷，且上部砂層多有缺失或厚度變薄；9層中粗砂在采砂區(qū)上部含較多黏土，且與其接觸的黏土層多有裂隙，中粗砂充填；推測該區(qū)段主要開采上部砂層，上部土層受砂層開采的影響發(fā)生了整體下沉變形。采砂擾動層主要在8層土以上，8層土為黏土層，土層相對較厚，鉆孔吸砂采砂法對該層土的影響有限。

綜合物探、鉆探、水下地形測量和現(xiàn)場調(diào)查的資料分析，該處土層已完成初始期和活躍期變形，現(xiàn)處于衰退期殘余變形期，衰退期殘余變形期主要由土體蠕變引起，土體蠕變時間較長，土體蠕變變形對于地面沉降影響有限?？梢哉J為該處采空區(qū)的土層性質(zhì)演變處于Ⅲ階段，即地表土體由原來的凹陷逐步出現(xiàn)并形成盆地，地下土層以擾動區(qū)域為臨界，自上而下一定范圍內(nèi)的土體趨于穩(wěn)定。在接下來的演變過程，其主要變化即為土體繼續(xù)固結(jié)沉降，土體物理力學(xué)指標參數(shù)逐漸增長。采用穿越/跨越法對采砂擾動區(qū)進行處置，進行橋梁建設(shè)是可行的。

圖2 A4測線采砂區(qū)淺地震時間剖面圖

3.3 基樁承載力計算分析

選用采砂擾動區(qū)的土層參數(shù)和非采砂擾動區(qū)的土層參數(shù)，對比兩種狀態(tài)下土層對樁側(cè)的摩阻力及單樁軸向承載力特征值。

3.3.1 計算參數(shù)取值

各個土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。采用控制變量法，即僅考慮受擾動土層對樁的樁周側(cè)摩阻力標準值的變化對單樁軸向承載力特征值的影響，其它基樁參數(shù)（樁長、樁徑）等不變。

根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)計算，樁頂作用力取9653 kN，橋梁樁基按鉆孔灌注樁進行設(shè)計，樁徑為1.6 m，樁長初擬長度為80 m，本項目所跨河道常水位為22.344 m，河底高程為14.65 m，樁頂高程按21.700 m控制，根據(jù)防洪評價計算結(jié)果，橋梁一般沖刷深度為0.28 m，橋墩局部沖刷深度為0.43 m。

負摩阻力安全系數(shù)選取0.5，樁基比重選用25 kN/m3，樁扣除浮力后取15 kN/m3。

樁基非嵌巖鉆挖孔灌注樁數(shù)據(jù)中，樁尖以上土的平均浮重度為10 kN/m3，修正系數(shù)為0.85，樁尖以上土的平均飽和重度20 kN/m3，清底系數(shù)0.7。

3.3.2 設(shè)計參數(shù)取值

①土層透水

32號橋墩位于河道中部，常年被水體覆蓋，因此該位置土層均屬于透水層。

②樁側(cè)摩阻力標準值，見表1。

③深度系數(shù)

依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中“基土承載力寬度、深度修正系數(shù)k1、k2”選取。

④樁端土承載力特征值

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，樁端處土的承載力特征值可按下式計算：

式中qr為樁端處土的承載力特征值（kPa），當(dāng)持力

層為砂土、碎石土?xí)r，若計算值大于下列值，宜按

下列值計算：粉砂1000 kPa；細砂1150 kPa；中砂、

粗 砂、礫 砂1450 kPa；碎 石 土2750 kPa；m0為清底

系數(shù)，按規(guī)范選??；λ為修正系數(shù)，按規(guī)范選??；

［fa0］為樁端處土的承載力特征值（kPa），按表1選用；γ2為樁端以上各土層寫的加權(quán)平均重度（kN/m3），若持力層在水位以下且不透水時，不論樁端以上土層的透水性如何，一律取飽和重度；當(dāng)持力層透水時則水中部分土層取浮重度；h為樁端的埋置深度（m），對于有沖刷的樁基，埋深由一般沖刷線起算；對無沖刷的樁基，埋深由天然地面線或?qū)嶋H開挖后的地面線起算；h的計算值不大于40 m，當(dāng)大于40 m時，按40 m計算。

3.3.3 單樁軸向受壓承載力特征值計算

單樁軸向受壓承載力特征值［Ra］按下式計算：

式中u為樁身周長（m2）；li為各土層厚度（m）；

Ap為樁端截面面積（m2）。

3.3.4 計算結(jié)果分析

表1是根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363-2019）并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗綜合確定的，采砂擾動區(qū)和非擾動區(qū)場地各土層鉆孔灌注樁設(shè)計參數(shù)。依據(jù)各工程地質(zhì)層的物理力學(xué)性質(zhì)指標，以及埋藏分布條件（層厚），計算出各土層中基樁周側(cè)摩阻力值如圖3所示。

表1 土層物理力學(xué)指標參數(shù)

圖3土層-樁周側(cè)摩阻力曲線

圖4 是在樁周側(cè)摩阻力不斷變化下，單樁承載力特征值的變化。

①從圖3可知在采砂區(qū)擾動土層即第1～7層中，隨著土體繼續(xù)固結(jié)演化，每層土體樁周側(cè)摩阻力增加。

②7層土的性質(zhì)變化對單樁側(cè)阻力影響較大。主要是該砂層厚度大，由于采砂擾動的影響，土層力學(xué)指標降低多，對樁的承載力影響大。

③采砂區(qū)非擾動土層，即第8，9層，，其摩阻力并沒發(fā)生變化，表明非擾動土層在其他土層演變過程中，其未產(chǎn)生變化。

④隨著土層沉降固結(jié)，土體性質(zhì)的不斷演變，基樁承載力有所提高，從圖4可知單樁承載力特征值的變化在12000～16000 kN之間。

圖4 單樁軸向承載力特征值變化圖

4 結(jié) 論

（1）河流采砂采空區(qū)土層土體性狀演變有四個階段，在實際工程應(yīng)在詳細勘察中，通過現(xiàn)場調(diào)查、水底地形測繪、工程物探和工程鉆探等手段獲取資料，通過綜合分析和研斷，準確確定采砂采擾動空區(qū)的穩(wěn)定性，這是一切后續(xù)工作的基礎(chǔ)。

（2）針對不同條件形成的采砂采空區(qū)，應(yīng)根據(jù)具體工況因地制宜進行處理。本工程采砂采空區(qū)土體處于基本穩(wěn)定期（Ⅲ階段），可以采取基樁基礎(chǔ)，采用橋梁通過該采砂采空區(qū)。

（3）應(yīng)結(jié)合土層分布情況，特別關(guān)注采砂擾動土層的厚度和其力學(xué)參數(shù)指標，計算分析擾動土層對基樁承載力的影響。有條件時，基樁長度宜穿越采砂擾動區(qū)。

（4）對層厚較大的采砂擾動層，可考慮采用鉆孔灌注樁后注漿方案，盡量消除后期土層固結(jié)可能產(chǎn)生的樁基負摩擦力的影響。

（5）本項目涉及的采砂采空區(qū)，如果采用直徑1.6 m、樁長80 m的基樁，考慮采砂擾動的影響，其單樁軸向受壓承載力特征值的變化在12000～16000 kN之間，土層后期演變對樁基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響的可能性小。

（6）在對采砂采空區(qū)進行處置時，應(yīng)根據(jù)其具體采砂工況，采用多種方法相結(jié)合，在科學(xué)準確評價采空區(qū)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提出有針對性的處置方法。