煤礦區橋梁抗采動地基加固設計研究

周興國， 王東權

1同濟大學（200092） 2徐州市市政設計院有限公司（221002） 3中國礦業大學（221000）

當煤從地下被開采出來后,采空區上方覆蓋的巖層失去支撐而導致平衡條件被破壞，應力重分布，直至達到新的平衡，這是一個十分復雜的物理力學變化過程。在此過程中，采空區上部巖體變形和移動會向上波及地表,地層內部巖石的強度和內聚力會大大降低，宏觀上在地表呈現出塌陷、裂縫和臺階等多種形式的變形，并形成地表移動盆地，稱為采動區。

1 工程背景

沱河路西流河橋位于沱河東路西流河上,橋梁與西流河中心線呈65°角斜交，橋位區河道寬35m。設計采用3m×12m抗采動變形箱性結構橋梁，箱高10m。單側橋梁每排有2個獨立箱體構成,寬度分別為13.0 m和11.0 m,箱體頂板厚0.8m，底板厚1.0m，側墻厚0.8m。

場地內地層屬第四系河流沖積堆積物，層理構造清晰，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，結構松軟，孔隙比大，呈中高壓縮性，強度弱，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，正常固結狀，呈中壓縮性，工程特性一般；⑤層黏土屬老黏土，結構性強，密實，低壓縮性，土層強度大，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號煤層開采,下沉量可達3m，將來還要受到6號煤層開采塌陷影響，總下沉量達5m。

表1 土層承載力容許值

2 采動區橋梁地基承載能力計算

淮北西流河橋采動擾動地基極限承載力采用《建規》地基承載力公式算得。

當荷載偏心距小于等于1/30基底寬度時,采動擾動過程中西流河橋梁地基承載力降低值可以按《建規》地基承載力公式計算:

式中:fa為采動擾動過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，根據基底以下土體擾動后摩擦角標準值φk確定；ck為采動擾動過程中地基土體黏聚力降低后的標準值；φk為采動擾動過程中地基土體摩擦角降低后的標準值；b為基礎寬度（m），當 b＞6m 時，取 6m，對于砂土b＜3 m時按3 m計；d為基礎埋深；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）計算出沱河路西流河橋地基土體在不同采動采高后地基承載能力變化,計算條件是:基礎寬度b=11.25＞6m基礎埋深d=1m，最可能的采動擾動率擾動。計算結果見表 2、表 3。

通過上述計算分析可知:

1）采動擾動過程中地基承載能力會發生較大幅度降低，采動下沉3m過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，在采動下沉3 m過程中降低后的承載力值僅為86.9 kPa和105.2 kPa,無法滿足橋梁對地基承載力的要求，必須進行加固處理，方能保證采動過程其上橋梁結構在采動過程中的安全和穩定。

3）應針對采動過程地基變化進行專門采動地基加固設計和抗采動變形基礎設計。

3 抗采動地基加固設計

抗采動整體柔性復合地基加固的設計內容包括：樁體布置幾何設計，采動地基承載能力確定（加固地基承載能力確定、加固地基之下采動擾動地基承載能力確定）。

3.1 采動地基加固方案

抗采動地基加固采用水泥土樁復合地基，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:平面布置以機動車道中間箱體形心為基準點，縱橫向間距1.5 m網格布置；箱體及擋墻周圍以超出結構外輪廓線設置2排樁體為宜,這部分樁體長度取8m；橋頭非結構物下樁體布置以超出結構外輪廓線布置7排樁體為宜，這部分樁體長度取6m。

圖2為以機動車道中間箱體形心為基準點,樁體的橫向布置圖。

表2 采動前沱河路西流河橋地基土體承載力特征值

表3 采動下沉3 m過程中沱河路西流河橋地基土體承載力特征值

3.2 采動地基承載能力確定

采動地基承載能力確定包括2部分內容:

1）橋梁基礎之下整體柔性復合地基加固的地基承載能力確定。

2）加固地基之下采動擾動地基承載能力確定。

3.2.1 復合地基承載能力確定

采用抗采動整體柔性復合地基加固橋梁地基可以消除采動對加固范圍內地基承載能力影響,可以不考慮采動影響，仍然按有關地基處理技術規范進行復合地基設計。

1）單樁承載能力

單樁承載能力由樁體強度和樁側阻與端阻決定,按下式計算:

式中:η為樁體強度折減系數，干法可取0.20～0.30；濕法可取 0.25～0.33；fcu·k為樁身試塊無側限抗壓強度平均值，對于高壓旋噴樁 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層土的摩擦力的標準值；α為樁端天然地基土的承載力折減系數，可取0.4～0.6，采動地基可以按采動影響進行折減；qp為樁端天然地基地基土承載力的標準值。

2）復合地基承載能力

式中:fspk為復合地基承載能力標準值；Ae為一根樁承擔的處理面積；β為樁間天然地基土承載能力折減系數；fsk為樁間天然地基土承載能力。

復合地基承載能力fspk應大于地基最終下沉后所需地基承載能力fk。 經計算，=140.1kN；fspk=203.9 kPa；橋梁地基荷載 fk=1.3×176.0 kPa=228.8 kPa。

采動后采動下沉過程中橋梁地基承載力不能滿足地基荷載要求，采用水泥土樁復合地基加固后的地基承載力完全能滿足采動下沉的要求。

3.2.2 采動擾動地基承載能力計算

采動擾動過程中復合地基之下采動擾動地基承載力建議按《建規》地基承載力公式計算確定。

采動擾動過程中加固復合地基之下采動擾動地基所需承受外力為:

式中:αc為應力系數,按建筑樁基基礎規范（JCJ94-2008）查得；p為橋梁基礎壓應力;γ為復合地基重度;h為復合地基深度。

要保證采動過程中復合地基之下采動擾動地基穩定，采動擾動過程中復合地基之下天然地基承載力降低值應大于其上所需承載力。即:

按（4）式算得加固地基下采動擾動土體上的荷載效應見表4。按σz=αc·p算得采動過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結果表明，加固深度超過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，橋梁兩側高填方橋頭地基土加固深度為6m。

表4 加固地基下采動擾動土體上的荷載效應

表5 采動過程中加固地基之下地基土承載能力特征值

4 結論

1）沱河路西流河橋在開采下沉過程中地基承載能力會大幅度降低，采動下沉3m地基承載能力可降低50%。

2）采用水泥土攪拌樁復合地基對沱河路西流河橋采動地基進行抗采動加固是經濟可靠的方法,地基加固參數為:樁徑D=0.6 m，樁間距 B=1.5 m，樁長 h=8 m（橋下地基）、h=6 m（橋頭高填方路堤），可以滿足采動下沉要求，確保沱河路西流河橋地基在正常使用和采動過程中的安全、穩定。

[1]于廣云,夏軍武,王東權.采動區鐵路橋沉陷加固治理[J].中國礦業大學學報,2004,33(1).

[2]胡中雄.土力學與環境土工學[M].上海:同濟大學出版社,1997.

[3]于廣云.采動區大變形擾動土物理力學性質演變及工程相應研究[D].中國礦業大學.2009.4.