趙冠剛

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院,濟南 250022)

1 工程概況

某公路橋跨越單線鐵路，采用16孔20 m簡支空心板梁，單幅，橋面全寬26.51 m，全橋長330.12 m，采用三柱式橋墩，U形橋臺，樁基礎(chǔ)。因道路穿越區(qū)域內(nèi)廠礦企業(yè)眾多，為避免大量拆遷、降低工程造價，部分橋位處于煤礦采空區(qū)內(nèi)，地質(zhì)情況復雜，下部基礎(chǔ)設(shè)計難度較大。

2 橋址處采空區(qū)現(xiàn)狀及穩(wěn)定性評價

橋址區(qū)主要不良地質(zhì)為鐵路以北的A煤礦采空區(qū)及古空區(qū)。

2.1 現(xiàn)狀

A煤礦采空區(qū)：20世紀60年代進行開采，主要開采對象是起始橋臺以北的13煤和15煤，南側(cè)分布有巷道和風井，廢棄后水砂充填。

古空區(qū)：古采空區(qū)為清朝末年，民國時期有資本家進行淺層開采，古空區(qū)埋深6.5～37.8 m，巷道埋深26.4～40.5 m，有一百多年的開采歷史。

采空區(qū)與橋位的平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 采空區(qū)與橋梁平面位置關(guān)系

2.2 特點

2.2.1 A煤礦采空區(qū)

(1)采空區(qū)緩傾，該區(qū)總體構(gòu)造形態(tài)為一單斜，構(gòu)造傾角20°～25°。

(2)該區(qū)分布有多層煤，煤層比較集中，煤層間距不大，立體上為多層開采，橋址區(qū)開采層數(shù)為2層，開采時間跨度大；廢棄以后水砂充填。

(3)多層開采的變形量比單層開采要大的多，且變形復雜、穩(wěn)定時間較長。

(4)由于煤層緩傾，傾角較小，且各煤層淺部均有露頭，致使采空區(qū)埋深較淺。

2.2.2 古空區(qū)

(1)沿煤層露頭自淺而深開采，開采無規(guī)律。

(2)頂板大部塌落，充填煤泥、煤矸石等，干鉆難以鉆進，水鉆采取率低。

2.3 穩(wěn)定性評價

2.3.1 A煤采空區(qū)

根據(jù)開采情況、地表移動盆地特征和地表變形值的大小，計算結(jié)果為不穩(wěn)定區(qū)域，不宜建筑。

2.3.2 古空區(qū)

采用小型采空區(qū)計算原理，古空區(qū)和巷道的頂板及地基評定為穩(wěn)定性差。

3 工程設(shè)計技術(shù)依據(jù)

(1)根據(jù)調(diào)查，橋位左邊的熱電廠、右邊的粉煤灰場，在建設(shè)時已對其下部的采空區(qū)進行了適當處理，經(jīng)歷近30年的檢驗，變形很小，證明是可行的。

(2)通過對橋址范圍內(nèi)采空區(qū)進行全面翔實的勘察，并根據(jù)其自身特點進行適當處理，將其由不可控變?yōu)榭煽貭顟B(tài)，主要控制地表的沉降變形。

圖2 采空區(qū)與橋梁立面關(guān)系(單位：cm)

(3)選擇對變形適應性好的橋梁結(jié)構(gòu)體系，并加強和改進結(jié)構(gòu)措施，提高全橋?qū)ψ冃蔚倪m應能力。

(4)充分考慮采空區(qū)對工程的不利影響，合理增加結(jié)構(gòu)的安全儲備，如：基礎(chǔ)考慮負摩擦力的影響等。

(5)建立工后橋梁變形的監(jiān)測體系，在使用過程中進行全面觀測，如發(fā)現(xiàn)超出設(shè)計允許值的變形，及時采取可靠的處理措施。

4 采空區(qū)處理

5 橋梁主體的優(yōu)化設(shè)計

5.1 橋梁布設(shè)范圍的確定

橋梁布設(shè)應盡可能躲避不宜作為建筑場地的地段，即A煤礦采空區(qū)，本橋0號臺實際處于A煤礦采空區(qū)的變形影響邊緣。

5.2 上部梁跨選擇

(1)為適應總體沉降及相鄰墩臺不均勻沉降的影響，上部采用了跨徑20 m的簡支板梁，并每隔2孔梁設(shè)伸縮縫1道。

(2)為消除理論計算與實際沉降的差值，采用可調(diào)支座。

5.3 下部及基礎(chǔ)選擇

(1)因非機動車道利用既有框架橋下穿鐵路，為預留橋下空間，設(shè)計采用三柱式橋墩。

(2)受表層地質(zhì)和采空區(qū)的影響，下部采用樁基礎(chǔ)，樁基設(shè)計考慮負摩擦力及側(cè)向土體變形等不利影響。

全橋與采空區(qū)的立面關(guān)系見圖2。

6 橋梁樁基的優(yōu)化設(shè)計

以本工程第3號墩為例，3號墩柱徑1.5 m，柱高8 m(不包括蓋梁)，樁徑1.6 m，樁長59.5 m。

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6.1 減小采空區(qū)不利影響的措施

樁基設(shè)計時應減小或消除采空區(qū)的不利影響，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全，設(shè)計主要從以下3個方面解決。

(1)根據(jù)不同墩位采空區(qū)的埋深，盡量將樁基穿過采空區(qū)進入穩(wěn)定區(qū)域并支撐于巖石上，增加樁身穩(wěn)固受力范圍。

(2)采空區(qū)處理后仍有剩余下沉位移，故樁基計算考慮負摩擦力的不利作用，并采取措施減小負摩阻的影響。

(3)對處于有土體側(cè)向變形土層內(nèi)的樁基，考慮土體的水平位移對樁身的不利影響，合理增加結(jié)構(gòu)的安全儲備。

6.2 合理劃分樁長范圍內(nèi)摩阻作用區(qū)域

根據(jù)地質(zhì)勘察報告中采空區(qū)沉降值由下而上逐漸變小的規(guī)律，設(shè)計將樁周土層劃分為以下3個區(qū)域，詳見圖3。

圖3 3號墩橫向立面與采空區(qū)關(guān)系

(1)地系梁以下7 m土層以雜填土為主，樁身向下位移小于土層下沉位移，將產(chǎn)生負摩擦力，故在樁周灌入瀝青瑪蹄脂作為隔離涂層[3]，使土體與樁身摩阻力為0。

(2)13煤采空區(qū)以上27 m范圍，樁身向下位移由上而下逐漸減小，而土層壓縮由下而上逐漸變小。因樁底置于中風化石灰?guī)r上，正負摩阻力變化的中性點深度與樁周沉降變形土層下限深度ln/l0取1[3]，即13煤采空區(qū)以上有13.5 m范圍，考慮土體下沉位移產(chǎn)生負摩阻的不利影響。

(3)13煤采空區(qū)以下部分，考慮樁基與土體的正摩擦力作用。

6.3 樁基長度及配筋檢算

樁基設(shè)計執(zhí)行《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)，計算采用西安方舟計算機公司的《橋梁通CAD 7.78》軟件。

6.3.1考慮采空區(qū)剩余沉降產(chǎn)生的負摩擦力，確定樁長

負摩阻力的影響因素眾多，很難從理論上進行分析，而采空區(qū)內(nèi)樁基設(shè)計又很少有文獻提及，故設(shè)計趨于保守且簡單易行，將正摩阻力反向，按摩擦樁計算單樁軸向受壓承載力容許值

(1)[1]

其中，

qik=moλ[fao]+k2γ2(h-3)

(2)

(1)單樁(控制工況)樁頂外力為Nmax=7 862 kN，Mmax=340 kN·m，Pmax=81.7 kN，計算得，單樁軸向受壓承載力N=9 954.17 kN。

(2)13.5 m負摩阻區(qū)域產(chǎn)生的負摩擦力為-14 680 kN，正摩阻區(qū)域25 m范圍提供的正摩阻力為25 780 kN，單樁軸向壓力承載力容許值[Ra]=11 107 kN。

(3)判斷，因為N=9 954.17 kN<[Ra]=11 107 kN，故樁長滿足要求。

6.3.2將采空區(qū)剩余水平位移視為土的彈性抗力，驗算樁身配筋

按照“m”法[1]計算彈性樁水平位移及作用效應值，將采空區(qū)土層的剩余水平位移等同于樁身受上部荷載產(chǎn)生的內(nèi)力及變形，采用2種辦法相互結(jié)合以達到等同效果。

(1)通過加大樁身外力值使其產(chǎn)生一定的變形。

(2)改變樁周土層水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值，增大或減小水平抗力來影響樁身內(nèi)力及變形。

考慮采空區(qū)剩余水平位移的影響，控制工況主要數(shù)值比較見表1。

表1 單樁考慮采空區(qū)水平位移影響前、后比較

最終樁基配筋量，系根據(jù)樁身配筋率[2]及構(gòu)造要求綜合確定，實際配30根φ22 mm HRB335鋼筋。

7 結(jié)語

該工程竣工通車已近1年，經(jīng)過持續(xù)觀測，未發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可見的工后變形，說明設(shè)計采取的針對性措施基本能滿足本例工程的需要，但采空區(qū)的形式復雜多樣，特點也各有不同，產(chǎn)生的直接和次生危害也大小不一，一般工程還應盡量避讓。當無法躲避時，應視具體情況綜合分析并區(qū)別對待，對采空區(qū)和結(jié)構(gòu)物采取合理的處理措施，才能達到理想的效果。

[1] 中華人民共和國交通部.JTG D63—2007 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2007．

[2] 中華人民共和國交通部.JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004．

[3] 李亮，魏麗敏.基礎(chǔ)工程[M].湖南：中南大學出版社，2005.

[4] 婁峰.小直徑鋼管樁在采空區(qū)橋梁基礎(chǔ)處理中的應用[J].鐵道標準設(shè)計，2007(6)：37-39.