煤矿区桥梁抗采动地基加固设计研究

周兴国， 王东权

1同济大学（200092） 2徐州市市政设计院有限公司（221002） 3中国矿业大学（221000）

当煤从地下被开采出来后,采空区上方覆盖的岩层失去支撑而导致平衡条件被破坏，应力重分布，直至达到新的平衡，这是一个十分复杂的物理力学变化过程。在此过程中，采空区上部岩体变形和移动会向上波及地表,地层内部岩石的强度和内聚力会大大降低，宏观上在地表呈现出塌陷、裂缝和台阶等多种形式的变形，并形成地表移动盆地，称为采动区。

1 工程背景

沱河路西流河桥位于沱河东路西流河上,桥梁与西流河中心线呈65°角斜交，桥位区河道宽35m。设计采用3m×12m抗采动变形箱性结构桥梁，箱高10m。单侧桥梁每排有2个独立箱体构成,宽度分别为13.0 m和11.0 m,箱体顶板厚0.8m，底板厚1.0m，侧墙厚0.8m。

场地内地层属第四系河流冲积堆积物，层理构造清晰，按其工程性状分为以下几种类型,自上向下基本特征如下:①层土属新近堆填土层，结构松软，孔隙比大，呈中高压缩性，强度弱，工程特性差，埋深两岸为3.6～5.1m，河道为1.0～1.5 m；②～④层土属一般沉积土层，正常固结状，呈中压缩性，工程特性一般；⑤层黏土属老黏土，结构性强，密实，低压缩性，土层强度大，工程特性好。同层土性状在水平方向分布均匀。各土层容许承载力见表1。

沱河路西流河桥下近期5号煤层开采,下沉量可达3m，将来还要受到6号煤层开采塌陷影响，总下沉量达5m。

表1 土层承载力容许值

2 采动区桥梁地基承载能力计算

淮北西流河桥采动扰动地基极限承载力采用《建规》地基承载力公式算得。

当荷载偏心距小于等于1/30基底宽度时,采动扰动过程中西流河桥梁地基承载力降低值可以按《建规》地基承载力公式计算:

式中:fa为采动扰动过程中桥梁地基承载力降低后的特征值；Mb、Md和Mc为承载力系数，根据基底以下土体扰动后摩擦角标准值φk确定；ck为采动扰动过程中地基土体黏聚力降低后的标准值；φk为采动扰动过程中地基土体摩擦角降低后的标准值；b为基础宽度（m），当 b＞6m 时，取 6m，对于砂土b＜3 m时按3 m计；d为基础埋深；γ为基底以下持力层土的天然重度；γm为基底以上土的天然重度。

采用公式（1）计算出沱河路西流河桥地基土体在不同采动采高后地基承载能力变化,计算条件是:基础宽度b=11.25＞6m基础埋深d=1m，最可能的采动扰动率扰动。计算结果见表 2、表 3。

通过上述计算分析可知:

1）采动扰动过程中地基承载能力会发生较大幅度降低，采动下沉3m过程中地基承载力降低平均为50%。

2）近地表的②层和③层黏土，在采动下沉3 m过程中降低后的承载力值仅为86.9 kPa和105.2 kPa,无法满足桥梁对地基承载力的要求，必须进行加固处理，方能保证采动过程其上桥梁结构在采动过程中的安全和稳定。

3）应针对采动过程地基变化进行专门采动地基加固设计和抗采动变形基础设计。

3 抗采动地基加固设计

抗采动整体柔性复合地基加固的设计内容包括：桩体布置几何设计，采动地基承载能力确定（加固地基承载能力确定、加固地基之下采动扰动地基承载能力确定）。

3.1 采动地基加固方案

抗采动地基加固采用水泥土桩复合地基，选第②层黏土作为持力层,加固深度初步定位6～8m。水泥搅拌桩直径0.6 m，桩间距1.5 m，单桩承担面积2.25 m2。素混凝土垫层+砂石垫层厚度定为0.8～1.0m。桥下水泥搅拌桩平面布置见图1。其中水泥搅拌桩的布置原则为:平面布置以机动车道中间箱体形心为基准点，纵横向间距1.5 m网格布置；箱体及挡墙周围以超出结构外轮廓线设置2排桩体为宜,这部分桩体长度取8m；桥头非结构物下桩体布置以超出结构外轮廓线布置7排桩体为宜，这部分桩体长度取6m。

图2为以机动车道中间箱体形心为基准点,桩体的横向布置图。

表2 采动前沱河路西流河桥地基土体承载力特征值

表3 采动下沉3 m过程中沱河路西流河桥地基土体承载力特征值

3.2 采动地基承载能力确定

采动地基承载能力确定包括2部分内容:

1）桥梁基础之下整体柔性复合地基加固的地基承载能力确定。

2）加固地基之下采动扰动地基承载能力确定。

3.2.1 复合地基承载能力确定

采用抗采动整体柔性复合地基加固桥梁地基可以消除采动对加固范围内地基承载能力影响,可以不考虑采动影响，仍然按有关地基处理技术规范进行复合地基设计。

1）单桩承载能力

单桩承载能力由桩体强度和桩侧阻与端阻决定,按下式计算:

式中:η为桩体强度折减系数，干法可取0.20～0.30；湿法可取 0.25～0.33；fcu·k为桩身试块无侧限抗压强度平均值，对于高压旋喷桩 fcu·k=3～8 MPa;粉喷桩或水泥搅拌桩:28天 fcu·k=0.8～1.0 MPa，90 天 fcu·k=1.2～1.5 MPa；Ap为桩有效截面面积；D为桩有效直径；hi为桩周第i层土的厚度；qsi为桩周第i层土的摩擦力的标准值；α为桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6，采动地基可以按采动影响进行折减；qp为桩端天然地基地基土承载力的标准值。

2）复合地基承载能力

式中:fspk为复合地基承载能力标准值；Ae为一根桩承担的处理面积；β为桩间天然地基土承载能力折减系数；fsk为桩间天然地基土承载能力。

复合地基承载能力fspk应大于地基最终下沉后所需地基承载能力fk。 经计算，=140.1kN；fspk=203.9 kPa；桥梁地基荷载 fk=1.3×176.0 kPa=228.8 kPa。

采动后采动下沉过程中桥梁地基承载力不能满足地基荷载要求，采用水泥土桩复合地基加固后的地基承载力完全能满足采动下沉的要求。

3.2.2 采动扰动地基承载能力计算

采动扰动过程中复合地基之下采动扰动地基承载力建议按《建规》地基承载力公式计算确定。

采动扰动过程中加固复合地基之下采动扰动地基所需承受外力为:

式中:αc为应力系数,按建筑桩基基础规范（JCJ94-2008）查得；p为桥梁基础压应力;γ为复合地基重度;h为复合地基深度。

要保证采动过程中复合地基之下采动扰动地基稳定，采动扰动过程中复合地基之下天然地基承载力降低值应大于其上所需承载力。即:

按（4）式算得加固地基下采动扰动土体上的荷载效应见表4。按σz=αc·p算得采动过程中加固地基之下地基土承载能力特征值见表5。

表4、表5结果表明，加固深度超过6 m可以满足。因此，考虑施工等因素，选定沱河路西流河桥桥下地基土加固深度为8m，桥梁两侧高填方桥头地基土加固深度为6m。

表4 加固地基下采动扰动土体上的荷载效应

表5 采动过程中加固地基之下地基土承载能力特征值

4 结论

1）沱河路西流河桥在开采下沉过程中地基承载能力会大幅度降低，采动下沉3m地基承载能力可降低50%。

2）采用水泥土搅拌桩复合地基对沱河路西流河桥采动地基进行抗采动加固是经济可靠的方法,地基加固参数为:桩径D=0.6 m，桩间距 B=1.5 m，桩长 h=8 m（桥下地基）、h=6 m（桥头高填方路堤），可以满足采动下沉要求，确保沱河路西流河桥地基在正常使用和采动过程中的安全、稳定。

[1]于广云,夏军武,王东权.采动区铁路桥沉陷加固治理[J].中国矿业大学学报,2004,33(1).

[2]胡中雄.土力学与环境土工学[M].上海:同济大学出版社,1997.

[3]于广云.采动区大变形扰动土物理力学性质演变及工程相应研究[D].中国矿业大学.2009.4.