霍治澎,鄭海
(延安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,陜西延安 716000)
采空區(qū)是指在人類(lèi)挖掘采礦的過(guò)程中,或者在天然的地質(zhì)活動(dòng)中,在地表或者地表之下產(chǎn)生的“空洞”。采空區(qū)的存在使得礦上的山體存在著很大的安全威脅,作為建筑地基更會(huì)存在長(zhǎng)久的潛在威脅。
采空區(qū)分為露天采空區(qū)和地下采空區(qū)。露天采空區(qū)是指露天采礦或天然地質(zhì)活動(dòng)所留下的人們可以直接觀察到的采空區(qū);地下采空區(qū)是指地下采礦或地質(zhì)活動(dòng)留下的,需要根據(jù)資料記載或者現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)機(jī)械設(shè)備勘探才能發(fā)現(xiàn)的“地下空洞”[1](圖1)。
圖1 采空區(qū)
采空區(qū)如果處理不當(dāng),有可能會(huì)因?yàn)椴痪鶆虺两底饔茫瑢?duì)采空區(qū)之上建筑物的結(jié)構(gòu)帶來(lái)?yè)p害,嚴(yán)重地會(huì)造成筑物的局部發(fā)生開(kāi)裂、傾斜、甚至倒塌。
由于地下采空區(qū)的空間分布沒(méi)有明顯的規(guī)律特征,隱伏性較強(qiáng),而且采空區(qū)頂板處容易發(fā)生冒落塌陷等情況,因此,如何正確判斷地下采空區(qū)的分布范圍,掌握采空區(qū)的空間形態(tài)特征和采空區(qū)的冒落狀況等,一直是工程技術(shù)人員對(duì)采空區(qū)進(jìn)行潛在危害性評(píng)價(jià)的難題,對(duì)如何合理制定采空區(qū)治理對(duì)策造成困擾。而且,工程建設(shè)會(huì)引發(fā)或加劇采空塌陷,所以在含有采空區(qū)的地區(qū)進(jìn)行建筑施工前,一定要確保地基處理的可靠性。地基處理稍有不當(dāng),將會(huì)給建筑物帶來(lái)嚴(yán)重的危害。
同時(shí),隨著礦山向內(nèi)不斷挖掘,地球?qū)ζ鋲毫Σ粩嘣龃?,采空區(qū)在強(qiáng)大的地壓下,容易造成崩塌。另外,在地下開(kāi)采的過(guò)程中遺留下來(lái)大量的采場(chǎng)、巷道、硐室,如果不及時(shí)做好處理工作,在這種地基上建造房屋會(huì)有極大的安全隱患,也會(huì)給這些地區(qū)廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的威脅[2-3](圖2)。
圖2 采空區(qū)的危害
露天采空區(qū)的處理相對(duì)簡(jiǎn)單,大部分情況都可以直接利用回填技術(shù)解決,只需考慮經(jīng)濟(jì)性原則。地下采空區(qū)的處理較為復(fù)雜,只有經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料或進(jìn)行地質(zhì)勘探后,方可制定合適的施工處理方案,常見(jiàn)的地下采空區(qū)的處理方法有以下幾種。
注漿法是利用加壓設(shè)備或者電化學(xué)原理,通過(guò)注漿管將各種常用的灌漿材料,如水泥系漿材、化學(xué)漿材和混合型漿材等注入到地基之中(圖3)。這些材料填充在采空區(qū)之中,通過(guò)滲透和擠密的方式,將土顆?;驇r石裂隙中的水分和空氣等排出采空區(qū),占據(jù)其位置。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后,這些膠凝材料將原來(lái)松散的土粒膠結(jié)成一個(gè)整體,這樣就達(dá)到了改善地基土的效果。這種方法也可用于提高建筑物下的地基承載力,改善建筑物地基土的性質(zhì),減小地基土變形;或者用來(lái)提高土地基土的抗?jié)B性,有效防止地基土出現(xiàn)流沙管涌等不良現(xiàn)象;或者用于提高壓縮模量,減小土的壓縮性,例如用注漿法來(lái)處理基坑被動(dòng)區(qū)的土體,不但能減小圍護(hù)樁的位移,還能有效地處理建筑物的糾正和頂升問(wèn)題。
圖3 注漿法施工
圖4 強(qiáng)夯法施工
強(qiáng)夯法指將10~25t的重錘利用起吊設(shè)備,提升到距離所需夯擊土層的10~25m高處下松開(kāi)控制,使其重錘在重力作用下做自由落體運(yùn)動(dòng),依靠重錘在下落過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)大夯擊能和沖擊波來(lái)夯實(shí)土層(圖4)。強(qiáng)夯法主要適用于非飽和狀粘性土、砂性土與雜填土地基。對(duì)非飽和狀的粘性土地基,一般需要連續(xù)多次夯擊、多遍間歇性夯擊,并結(jié)合工程的實(shí)際情況根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定需要夯實(shí)的次數(shù)和有效夯實(shí)的深度。根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)表明:在100~200噸米夯實(shí)能量下,有效夯實(shí)深度大約在3~6m之間[4]。
沉管夯擴(kuò)灌注樁,簡(jiǎn)稱(chēng)夯擴(kuò)樁。它是利用打樁設(shè)備將內(nèi)樁和外樁管同步沉入土層內(nèi)部,通過(guò)錘擊內(nèi)樁管夯擴(kuò)端部混凝土,使樁端形成擴(kuò)大頭,再灌注樁身混凝土,拔出外樁管時(shí),用內(nèi)樁管和樁錘壓頂在管內(nèi)混凝土面上,使樁身密實(shí)成行。夯擴(kuò)樁擴(kuò)大頭直徑在500~900mm之間,樁身直徑一般在500mm左右,樁長(zhǎng)最好不得大于20m。這種操作方法一般適用于中低壓縮性粘土、粉土、砂土、碎石土、強(qiáng)風(fēng)化巖等[5](圖5)。
圖5 沉管夯擴(kuò)灌注樁示意圖
延安市子長(zhǎng)縣芽坪村安置點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)用地位于子長(zhǎng)縣瓦窯堡鎮(zhèn)芽坪村,總占地面積155721.8m2,總建筑用地面積為84945.33m2。 該工程擬建(構(gòu))建筑物包括:33棟6層住宅、1棟幼兒園、1棟2層會(huì)所活動(dòng)中心、1棟3層社區(qū)養(yǎng)老中心、1棟3層商業(yè)中心及附屬商業(yè)、局部一層地下車(chē)庫(kù),由于附近存在原小煤窯窯口,擬建場(chǎng)地存在一定規(guī)模的采空區(qū),對(duì)擬建建筑物的安全存在潛在威脅。周邊相對(duì)建筑物較遠(yuǎn),交通便利,擬建建筑物場(chǎng)地未平整,局部地形起伏較大,地面標(biāo)高介于1093.20~1116.57m之間,最大高差23.37m。根據(jù)民調(diào)及現(xiàn)有煤礦調(diào)查,擬建場(chǎng)地下部約50~80m有采空區(qū)或壓礦等不良的地質(zhì)現(xiàn)象,場(chǎng)地地層自上而下依次由近期人工堆積的素填土(Q4ml)、第四紀(jì)全新世沖積粉土(Q4al)、第三紀(jì)上更新世沖積粉土(N2)及侏羅紀(jì)泥巖、砂巖(J)構(gòu)成。計(jì)劃在該場(chǎng)地上建造33棟6層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓,且均為地上建筑,室內(nèi)外高差為0.300m,建筑高度約為17.900m,建筑物基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深-2.200m,最大基底反力為200kPa,擬建住宅樓為丙級(jí)建筑,查相應(yīng)巖土勘探規(guī)范可知,該工程重要性等級(jí)為二級(jí),場(chǎng)地等級(jí)為三級(jí),地基等級(jí)屬二級(jí),巖土工程勘察等級(jí)為乙級(jí)。建筑抗震設(shè)防分類(lèi)丙類(lèi),建筑物安全等級(jí)要求二級(jí),建筑場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度6度,地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)丙級(jí),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年。該工程始建于2015年4月,某棟樓的一層平面布置圖如圖6所示。
根據(jù)勘探部門(mén)現(xiàn)場(chǎng)18個(gè)驗(yàn)證鉆孔揭露地層情況,勘查區(qū)工程地質(zhì)條件如下:
圖6 擬建場(chǎng)地一層建筑平面圖
(1)填土:素填土為主,黃褐色、稍密、稍濕, 厚度0~6.9m,2#、9#、13#、16#鉆孔有揭露,厚度分別為6.9m、5.4m、5.1m、1.7m;
(2) 黃土Q4eal+al:淺黃色粉質(zhì)粘土,硬可塑,厚度介于2.4~27.1m之間,為第四系黃土層,沖洪積成因,上部局部為褐黃色粉土,土質(zhì)均勻,具大空隙,含鐵錳結(jié)核;
(3)泥巖與砂巖互層T3w5:砂巖淺灰色,泥巖灰黑色,厚度介于43.6~56.6m之間,上部中細(xì)粒結(jié)構(gòu),中厚層構(gòu)造,表面風(fēng)化嚴(yán)重,破碎嚴(yán)重,裂隙發(fā)育,局部變相為泥巖,下部淡藍(lán)色中粗粒結(jié)構(gòu),中層狀構(gòu)造,破碎嚴(yán)重。該巖組作為煤系地層的主要巖組,直接關(guān)系著煤系的開(kāi)采。該層土的土質(zhì)主要包括泥質(zhì)粉砂巖和泥巖,還含有砂質(zhì)泥巖及薄煤層等巖體。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得在干燥狀態(tài)下,該層土的單軸抗壓強(qiáng)度為33.2~106.9MPa,平均值為69.75MPa,巖石呈半堅(jiān)硬的狀態(tài)。長(zhǎng)時(shí)間浸水或者裸露在大氣之中,過(guò)長(zhǎng)巖石可能沿著其層理方向離析成為巖石薄片。飽和狀態(tài)下,測(cè)得該層巖石的抗壓強(qiáng)度在0.9~61.7MPa之間,平均抗壓強(qiáng)度大約為15.28MPa,軟化系數(shù)平均值0.24,故該巖層呈現(xiàn)出穩(wěn)定性較差的特點(diǎn)。巖石的質(zhì)量指標(biāo)平均值為73.38%,說(shuō)明巖石質(zhì)量較好(Ⅲ),巖體呈中等完整狀態(tài);
(4)采空區(qū)或3#煤層:采空區(qū)或3#煤層厚度在0.8~3.1m之間,3#煤層飽和狀態(tài)下測(cè)得抗壓強(qiáng)度6.7~9.2MPa,干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度介于14.7~18.3MPa之間,軟化系數(shù)大約0.48左右。飽和抗拉強(qiáng)度1.2MPa,干燥狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度2.9MPa。飽和抗剪斷強(qiáng)度C=1.97MPa,Φ=35.9MPa;
(5)砂巖T3w5:該層未揭穿,以中粒砂巖和細(xì)粒砂巖為主,局部為粗粒砂巖,多形成煤層的基本頂或老底。原生結(jié)構(gòu)面由平行層理、塊狀層理和大型板狀交錯(cuò)層理等組成,單層厚度大,構(gòu)造結(jié)構(gòu)面主要呈節(jié)理狀態(tài)。干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度54.70~64.45MPa,飽和抗壓強(qiáng)度20.2~28.7MPa,軟化系數(shù)大約為0.5,抗水性能好,抗凍性能好,工程地質(zhì)性質(zhì)較好。巖石的質(zhì)量指標(biāo)為78.5%~89.9%,該層巖石質(zhì)量屬中等至好,巖體質(zhì)量中等。
根據(jù)調(diào)查、走訪、物探解譯及現(xiàn)場(chǎng)鉆探驗(yàn)證,建設(shè)場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)存在采空區(qū),采空區(qū)的形成主要是由于小煤窯開(kāi)采,采用的方法主要是條帶式,條帶采空區(qū)異常區(qū)寬度7.0~60.0m之間,可以分為三個(gè)條帶采空區(qū),圖7為延安市子長(zhǎng)縣芽坪村安置點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目小煤窯采空區(qū)場(chǎng)地采空區(qū)分布圖。采空區(qū)分布情況詳見(jiàn)表1。
結(jié)合該施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和各種采空區(qū)的處理方法的適用條件綜合考率,該工程最后擬選用沉管夯擴(kuò)鋼筋混凝土樁的施工方法。地基及基礎(chǔ)方案可根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的巖土工程勘察任務(wù)委托書(shū),設(shè)計(jì)室內(nèi)±0.000m標(biāo)高、荷載、結(jié)構(gòu)、功能特征和地基土工程性質(zhì)綜合而定。根據(jù)勘察成果,擬建場(chǎng)地素填土、飽和粉土厚度較大,密實(shí)度不均勻,場(chǎng)地大部地段屬不均勻地基。根據(jù)地基土工程性能特征及分布條件、建筑物荷載特點(diǎn)、基礎(chǔ)埋置深度等,通過(guò)對(duì)地基基礎(chǔ)方案進(jìn)行論證,一致認(rèn)為采用沉管夯擴(kuò)鋼筋混凝土樁比較適宜,且施工比較方便、經(jīng)濟(jì)。
圖7 采空區(qū)分布圖
表1 擬建場(chǎng)地內(nèi)采空區(qū)分布一覽表
4.4.1 沉管夯擴(kuò)鋼筋混凝土樁設(shè)計(jì)
沉管夯擴(kuò)鋼筋混凝土樁是近年來(lái)興起的一種新的地基處理方法,該樁型已在2015年正式成為地方規(guī)范《沉管夯擴(kuò)樁技術(shù)規(guī)程》DBJ 61/T102-2015。該種樁成孔采用擠密不取土方法,樁底部用干硬性混凝土夯擊成大頭狀,增大了樁端與持力層接觸面積,大大提高了單樁承載力及復(fù)合地基承載力。同時(shí),該種樁現(xiàn)場(chǎng)施工,干凈、無(wú)污染、地下水位對(duì)其影響較小,施工速度較快、工期短、成本相對(duì)較低,是近年來(lái)使用較多的地基處理新方法,在西安地區(qū)已有許多成功運(yùn)用的工程案例。根據(jù)勘察報(bào)告、地層結(jié)構(gòu)資料,結(jié)合《沉管夯擴(kuò)樁技術(shù)規(guī)程》要求,提供沉管夯擴(kuò)樁有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù),如表2所示。
根據(jù)擬建物結(jié)構(gòu)特征,采用沉管夯擴(kuò)樁可在條形基礎(chǔ)或獨(dú)立基礎(chǔ)下布樁,也可采用單柱單樁。設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照《沉管夯擴(kuò)樁技術(shù)規(guī)程》DBJ 61/T102-2015執(zhí)行,該種樁型主要以端承力及側(cè)阻力發(fā)揮作用,設(shè)計(jì)單位可根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù),及不同建筑物對(duì)地基的不同要求和其所在地基土工程特征的不同,選擇不同的樁徑樁長(zhǎng)。
表2 沉管夯擴(kuò)樁設(shè)計(jì)參數(shù)
采用沉管夯擴(kuò)樁方案設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意下列問(wèn)題:
(1)樁基工程正式施工前,應(yīng)注意在現(xiàn)場(chǎng)試樁,驗(yàn)證單樁承載力是否滿(mǎn)足規(guī)范要求,核實(shí)該工程現(xiàn)場(chǎng)施工條件,確定好相應(yīng)的樁尖標(biāo)高,評(píng)判樁尖穿透硬夾層的可能性。必要時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作適當(dāng)調(diào)整;
(2)沉管夯擴(kuò)樁施工前應(yīng)進(jìn)行試樁,單樁承載力的靜載荷試驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79-2012附錄的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。試樁報(bào)告應(yīng)及時(shí)送交設(shè)計(jì)單位,經(jīng)設(shè)計(jì)單位認(rèn)可后方可施工工程樁。
當(dāng)設(shè)計(jì)上有特殊要求或受施工條件的限制時(shí),不排除采用其它地基處理方法,但無(wú)論采用何種處理方法,都必須經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)檢測(cè)地基的承載力,嚴(yán)格按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79-2012及相應(yīng)的施工規(guī)范中的有關(guān)要求進(jìn)行,以確保地基處理后達(dá)到預(yù)期效果。
樁平面布置圖和試樁、工程樁的有效樁長(zhǎng)、入巖深度、沉渣、灌入度樁焊接、承載力簡(jiǎn)圖如圖8、圖9所示。
圖8 采空區(qū)樁平面布置圖
圖9 采空區(qū)工程樁及試樁示意圖
現(xiàn)場(chǎng)地四周與已有建筑物、道路均有一定的安全距離,坑壁主要為①層素填土、②層粉土、③層粉質(zhì)粘土,應(yīng)根據(jù)擬建建筑物基礎(chǔ)埋深及周?chē)ㄖ闆r,看是否具備開(kāi)挖放坡條件。若具備,則放坡坡度①層素填土可按1:1.4進(jìn)行,②層粉土、③層粉質(zhì)粘土可按1:1.25進(jìn)行。若需進(jìn)行支護(hù),支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)、抗剪強(qiáng)度參數(shù)及天然重度,建議采用如下數(shù)值,如表3所示。
(1)為了保證地基土原狀結(jié)構(gòu)不受破壞,基坑開(kāi)挖應(yīng)在基底面以上預(yù)留一定厚度土層,地基處理施工后進(jìn)行清理。
表3 基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)建議參數(shù)表
(2)基坑開(kāi)挖出來(lái)的土不應(yīng)堆放在基坑邊,應(yīng)及時(shí)外運(yùn)或遠(yuǎn)離基坑邊,以保證邊坡的穩(wěn)定性。
(3)同時(shí),做好場(chǎng)地排水設(shè)計(jì),及時(shí)排除場(chǎng)地雨水,防止地表水、施工用水及生活用水滲入地下造成對(duì)地基和邊坡的危害。
勘察期間,擬建場(chǎng)地在鉆探深度內(nèi)未揭露到地下水,場(chǎng)地內(nèi)分布上層滯水,粉土與粉質(zhì)粘土界限處含水量較大,在擾動(dòng)作用下明顯出現(xiàn)橡皮泥或縮孔現(xiàn)象,類(lèi)似地下水位,根據(jù)多日在鉆孔內(nèi)觀察及民調(diào),水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和地表水的滲入,如需要排水,建議采用集水明排法進(jìn)行。
擬建場(chǎng)地附近未發(fā)現(xiàn)有影響施工的因素,上部土為松散的素填土、粉土和粉質(zhì)粘土,粉土與粉質(zhì)粘土界限處含水量較大,在擾動(dòng)作用下明顯出現(xiàn)橡皮泥或縮孔現(xiàn)象,采用大開(kāi)挖時(shí)易引起坍塌,建議開(kāi)挖時(shí)采取簡(jiǎn)單的支護(hù)措施,以免影響后續(xù)正常施工。
該采空區(qū)案例已建成3年多,至今采空區(qū)治理效果良好,是一個(gè)典型的采煤區(qū)下的采空區(qū)的案例。采空區(qū)的處理問(wèn)題是當(dāng)今建筑領(lǐng)域的一大技術(shù)難題,各種處理方法都存在一定的局限性,在施工之前,要因地制宜,合理結(jié)合采空區(qū)的幾種處理方法,必須做到安全可靠之后方可進(jìn)行基礎(chǔ)施工。