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。
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)。
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)。
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)。
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。
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。
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]。
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。
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。
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。
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。