樊風建

（長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 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)合之處勢必會產(chǎn)生非均勻沉降，從而導致縱向裂縫的產(chǎn)生，不僅會迫使水泥混凝土面板在剪應力作用下出現(xiàn)斷板，也可使瀝青混凝土路面出現(xiàn)相應的反射裂縫[1]。此情況會對礦區(qū)運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，增大運輸時間與成本。

傳統(tǒng)管樁復合地基沉降變形計算方法利用數(shù)值簡化模式，對路基拼接帶地區(qū)進行加固處理，再通過確定樁帽與樁體間等效半徑的方式，實現(xiàn)對礦區(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)量評價入手，在確定基層底脫空路面結(jié)構(gòu)響應形式的同時，確定具體的結(jié)合帶壓實度系數(shù)，再以此為標準，對實際差異沉降控制標準進行完善。

1 礦山開采對礦區(qū)路面的影響

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

1.1 水環(huán)境質(zhì)量評價

礦區(qū)水質(zhì)較為清潔，質(zhì)量極大，但屬于自然流動用水，對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，會導致礦區(qū)路面出現(xiàn)嚴重的差異沉降行為[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，大部分污水會通過地表排泄的方式，直接進入地表水系，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)流動水資源的阿伏伽德羅常數(shù)，D1代表水環(huán)境沉降指標。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)量評價結(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)量評價

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)力水平會出現(xiàn)一定程度的下降，但在此過程中，若能著力進行生態(tài)恢復，則可在一定程度上控制路面差異沉降行為的作用強度。相對于礦山開采區(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，則會導致礦石自身的穩(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)量的評價結(jié)果，且該項條件始終屬于內(nèi)在影響因素。若礦山開采區(qū)域內(nèi)的礦點分布相對較為集中，且淺層地表環(huán)境中存在多個廢棄地，則可認為植被對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，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)量評價結(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)量評價結(jié)果的支持下，按照基層底脫空路面結(jié)構(gòu)響應、路基填筑、結(jié)合帶壓實度確定、差異沉降控制標準研究的分析流程，實現(xiàn)路面差異沉降控制方法的順利應用。

2.1 基層底脫空的路面結(jié)構(gòu)響應

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，也會使路面結(jié)構(gòu)的頂部區(qū)域產(chǎn)生明顯的向下彎拉應力，而當路基結(jié)構(gòu)所能承擔的拉應力水平超過路面結(jié)構(gòu)層所容許的最大彎拉應力數(shù)值時，則會導致基層底脫空區(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)上進行后續(xù)加寬拓建時，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待加寬的外側(cè)部分進行填筑，但由于既有差異沉降路基的存在，在填筑的同時，還需預留一定空間的物理空隙，當沉降軟基部分的載荷達到固定強度值后，才可對預留空隙進行二次填筑[7，8]。

2.3 結(jié)合帶壓實度

新舊路基結(jié)合帶通常是大型礦山壓路機壓實施工過程中的死角，極易被忽視。根據(jù)過往的路面差異沉降控制工程經(jīng)驗，老舊路基壓實不充分會直接對新擴展路基的穩(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，再借助既定計算公式，判斷路面結(jié)合帶成分的實際壓實度。

表1 結(jié)合帶壓實度計算參數(shù)

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

2.4 差異沉降控制標準

一般情況下，結(jié)構(gòu)層材料的容許拉應力數(shù)值應與路面承受的行車載荷作用值相等，而當這種臨界狀態(tài)被礦山開采等外力作用破壞后，路面結(jié)構(gòu)則會在短時間內(nèi)達到最大疲勞應力狀態(tài)，從而出現(xiàn)差異沉降行為。在實施擴建的過程中，路面結(jié)構(gòu)的附加拉應力條件應與礦區(qū)行車載荷的不均勻沉降作用強度相等，且其計算點處所承擔的拉應力數(shù)值也必須滿足容許拉應力的真實實施條件。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準表示為：

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代表路面所承擔的差異運輸載荷力數(shù)值，b0代表系數(shù)B的最小取值條件。至此，實現(xiàn)對各項指標系數(shù)量的計算與處理，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 實用性分析

為驗證新型路面差異沉降控制方法的實際應用價值，設(shè)計如下比照實驗。選取某礦區(qū)開采空間作為實驗環(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驗組，另一半基坑分配給對照組，實驗組采取新型路面差異沉降控制方法，對照組采取管樁復合地基沉降變形計算方法。

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。下表記錄了實驗組、對照組樁體模量與地基沉降行為間的實際影響變化關(guān)系。

表2 實驗組影響關(guān)系

表3 對照組影響關(guān)系

對比表2、表3可知，實驗組地基沉降水平在樁體模量等于40 GPa、60 GPa、80 GPa的情況下，均保持相對平穩(wěn)的數(shù)值變化趨勢，且隨著樁體模量值水平的增大，地基沉降水平也維持相對遞增的變化趨勢。對照組地基沉降水平在樁體模量等于40 GPa、60 GPa的情況下，能夠保持相對平穩(wěn)的數(shù)值變化趨勢，而當樁體模量達到80 GPa時，這種穩(wěn)定變化趨勢被打破，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高于實驗組。

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，實現(xiàn)對地基沉降水平的有效控制，可較好應對由礦山開采帶來的內(nèi)路面沉降現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

與管樁復合地基沉降變形計算方法相比，新型路面差異沉降控制方法能夠適應基層底脫空的路面結(jié)構(gòu)響應方式，可在對路基進行填筑的同時，實現(xiàn)對結(jié)合帶的壓實處理，不僅彌補了礦山開采在水環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量方面造成的抑制性影響，也可對差異沉降標準進行嚴格控制。