樊風(fēng)建

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

由于礦區(qū)舊路路基的沉降固結(jié)狀態(tài)不穩(wěn)，而新路路基的沉降未完全，新舊路基結(jié)合之處勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生非均勻沉降，從而導(dǎo)致縱向裂縫的產(chǎn)生，不僅會(huì)迫使水泥混凝土面板在剪應(yīng)力作用下出現(xiàn)斷板，也可使瀝青混凝土路面出現(xiàn)相應(yīng)的反射裂縫[1]。此情況會(huì)對(duì)礦區(qū)運(yùn)輸車輛的行駛造成安全隱患，大幅增加車輛的輪胎磨耗與油耗水平，增大運(yùn)輸時(shí)間與成本。

傳統(tǒng)管樁復(fù)合地基沉降變形計(jì)算方法利用數(shù)值簡(jiǎn)化模式，對(duì)路基拼接帶地區(qū)進(jìn)行加固處理，再通過確定樁帽與樁體間等效半徑的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)地基的沉降特性分析。然而此方法并不能有效治理因礦山開采而造成的路面凹陷情況。為解決上述問題，設(shè)計(jì)新型路面差異沉降控制方法，從水環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)入手，在確定基層底脫空路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)形式的同時(shí)，確定具體的結(jié)合帶壓實(shí)度系數(shù)，再以此為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)際差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善。

1 礦山開采對(duì)礦區(qū)路面的影響

礦山開采對(duì)礦區(qū)路面差異沉降行為造成的影響可分為水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。

1.1 水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

礦區(qū)水質(zhì)較為清潔，質(zhì)量極大，但屬于自然流動(dòng)用水，對(duì)于路面差異沉降行為的影響并不明顯。然而礦區(qū)內(nèi)生活污水中含有大量的污染物，如若未經(jīng)處理排放，會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)路面出現(xiàn)嚴(yán)重的差異沉降行為[2，3]。根據(jù)礦山開采區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境現(xiàn)狀水平可知，大部分污水會(huì)通過地表排泄的方式，直接進(jìn)入地表水系，并攜帶大量的泥沙及小礦石顆粒，使得路面的差異沉降現(xiàn)象愈發(fā)顯著。設(shè)NA代表礦區(qū)流動(dòng)水資源的阿伏伽德羅常數(shù)，D1代表水環(huán)境沉降指標(biāo)。聯(lián)立上述物理量，可將礦山開采環(huán)境中的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果表示為：

其中，k1代表小礦石顆粒的濾水作用系數(shù)，X1代表污水成分的地表排泄系數(shù)。

1.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

由于礦山的開發(fā)建設(shè)，區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的平均生產(chǎn)力水平會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，但在此過程中，若能著力進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，則可在一定程度上控制路面差異沉降行為的作用強(qiáng)度。相對(duì)于礦山開采區(qū)域的自然體系生產(chǎn)力保底數(shù)值而言，若開采過程中的路面差異沉降行為過大，則會(huì)導(dǎo)致礦石自身的穩(wěn)定性承載能力下降，從而使得路面的差異沉降程度持續(xù)增大[4]。就礦山開采區(qū)域來說，森林植被的覆蓋面積能夠直接決定生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果，且該項(xiàng)條件始終屬于內(nèi)在影響因素。若礦山開采區(qū)域內(nèi)的礦點(diǎn)分布相對(duì)較為集中，且淺層地表環(huán)境中存在多個(gè)廢棄地，則可認(rèn)為植被對(duì)礦石的遮擋作用是影響地面差異沉降水平的關(guān)鍵因素。設(shè)D2代表生態(tài)環(huán)境沉降指標(biāo)，聯(lián)立礦區(qū)內(nèi)植株資源的阿伏伽德羅常數(shù)N′A，可將礦山開采環(huán)境中的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果表示為：

上式中，k2代表礦區(qū)生態(tài)景觀所具備的差異沉降維持系數(shù)，X2代表生態(tài)環(huán)境中的礦點(diǎn)分布系數(shù)。

2 路面差異沉降控制方法

在水環(huán)境與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的支持下，按照基層底脫空路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)、路基填筑、結(jié)合帶壓實(shí)度確定、差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究的分析流程，實(shí)現(xiàn)路面差異沉降控制方法的順利應(yīng)用。

2.1 基層底脫空的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)

礦區(qū)公路多采用半剛性型路面結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)具有良好的整體性與較大的剛度化水平，若與路面斜坡變化相結(jié)合，礦山開采不僅會(huì)造成路面結(jié)構(gòu)層在橫斷面方向上表現(xiàn)出層底脫空的情況，也會(huì)使路面結(jié)構(gòu)的頂部區(qū)域產(chǎn)生明顯的向下彎拉應(yīng)力，而當(dāng)路基結(jié)構(gòu)所能承擔(dān)的拉應(yīng)力水平超過路面結(jié)構(gòu)層所容許的最大彎拉應(yīng)力數(shù)值時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致基層底脫空區(qū)域出現(xiàn)明顯的橫、縱向裂縫。

2.2 路基填筑

礦區(qū)公路路面在原有沉降路基的基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)加寬拓建時(shí)，除了最普通的填筑工藝外，還可以采用間隙施工原則。所謂間歇法填筑首先對(duì)待加寬的外側(cè)部分進(jìn)行填筑，但由于既有差異沉降路基的存在，在填筑的同時(shí)，還需預(yù)留一定空間的物理空隙，當(dāng)沉降軟基部分的載荷達(dá)到固定強(qiáng)度值后，才可對(duì)預(yù)留空隙進(jìn)行二次填筑[7，8]。

2.3 結(jié)合帶壓實(shí)度

新舊路基結(jié)合帶通常是大型礦山壓路機(jī)壓實(shí)施工過程中的死角，極易被忽視。根據(jù)過往的路面差異沉降控制工程經(jīng)驗(yàn)，老舊路基壓實(shí)不充分會(huì)直接對(duì)新擴(kuò)展路基的穩(wěn)定性造成影響[9]。為有效避免此種影響，需分別計(jì)算未處理區(qū)域與已處理區(qū)域間的側(cè)向位移量與沉降變形量，再借助既定計(jì)算公式，判斷路面結(jié)合帶成分的實(shí)際壓實(shí)度。

表1 結(jié)合帶壓實(shí)度計(jì)算參數(shù)

分析上述數(shù)值對(duì)比關(guān)系可知，相較于未處理的路基臺(tái)階來說，壓實(shí)處理后路基路面所承擔(dān)的沉降壓力水平明顯降低。因此，在實(shí)施礦區(qū)路面施工的過程中，須嚴(yán)格控制新老路基之間結(jié)合帶的壓實(shí)程度。

2.4 差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

一般情況下，結(jié)構(gòu)層材料的容許拉應(yīng)力數(shù)值應(yīng)與路面承受的行車載荷作用值相等，而當(dāng)這種臨界狀態(tài)被礦山開采等外力作用破壞后，路面結(jié)構(gòu)則會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大疲勞應(yīng)力狀態(tài)，從而出現(xiàn)差異沉降行為。在實(shí)施擴(kuò)建的過程中，路面結(jié)構(gòu)的附加拉應(yīng)力條件應(yīng)與礦區(qū)行車載荷的不均勻沉降作用強(qiáng)度相等，且其計(jì)算點(diǎn)處所承擔(dān)的拉應(yīng)力數(shù)值也必須滿足容許拉應(yīng)力的真實(shí)實(shí)施條件。設(shè)f代表礦區(qū)地面結(jié)構(gòu)層材料的容許拉應(yīng)力系數(shù)，聯(lián)立公式（1）、公式（2），可將礦山開采引起的路面差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)表示為：

上式中，I代表路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命值，i0代表系數(shù)I的最小取值條件，B代表路面所承擔(dān)的差異運(yùn)輸載荷力數(shù)值，b0代表系數(shù)B的最小取值條件。至此，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)系數(shù)量的計(jì)算與處理，在不考慮其他干擾條件的情況下，完成礦山開采引起路面差異沉降控制方法的研究。

3 實(shí)用性分析

為驗(yàn)證新型路面差異沉降控制方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)如下比照實(shí)驗(yàn)。選取某礦區(qū)開采空間作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將圖3所示沉降基坑一分為二，其中一半基坑分配給實(shí)驗(yàn)組，另一半基坑分配給對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組采取新型路面差異沉降控制方法，對(duì)照組采取管樁復(fù)合地基沉降變形計(jì)算方法。

圖1 礦山開采引起的路面差異沉降基坑

已知樁體模量是導(dǎo)致地基沉降行為的主要原因，一般情況下，基坑內(nèi)的樁體模量越大，地面地基的沉降行為也就越明顯。下表記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組樁體模量與地基沉降行為間的實(shí)際影響變化關(guān)系。

表2 實(shí)驗(yàn)組影響關(guān)系

表3 對(duì)照組影響關(guān)系

對(duì)比表2、表3可知，實(shí)驗(yàn)組地基沉降水平在樁體模量等于40 GPa、60 GPa、80 GPa的情況下，均保持相對(duì)平穩(wěn)的數(shù)值變化趨勢(shì)，且隨著樁體模量值水平的增大，地基沉降水平也維持相對(duì)遞增的變化趨勢(shì)。對(duì)照組地基沉降水平在樁體模量等于40 GPa、60 GPa的情況下，能夠保持相對(duì)平穩(wěn)的數(shù)值變化趨勢(shì)，而當(dāng)樁體模量達(dá)到80 GPa時(shí)，這種穩(wěn)定變化趨勢(shì)被打破，并逐漸呈現(xiàn)出持續(xù)上升的變化形式，整體均值水平更是遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組。

綜上可知，新型路面差異沉降控制方法可在樁體模量不斷增大的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)地基沉降水平的有效控制，可較好應(yīng)對(duì)由礦山開采帶來的內(nèi)路面沉降現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

與管樁復(fù)合地基沉降變形計(jì)算方法相比，新型路面差異沉降控制方法能夠適應(yīng)基層底脫空的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)方式，可在對(duì)路基進(jìn)行填筑的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)合帶的壓實(shí)處理，不僅彌補(bǔ)了礦山開采在水環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量方面造成的抑制性影響，也可對(duì)差異沉降標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格控制。