陳鳳閣
(中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司,天津 300120)
大型露天煤礦排土場排土厚度多在百米以上,一般采用“由上向下,自然堆積,平整頂部,不斷延伸”的排放方式,排土未分層碾壓,均勻性差,長期處于欠固結(jié)狀態(tài),沉降大,歷時時間長。針對排土場土石混合體的強(qiáng)度、滲透性等問題,國內(nèi)外學(xué)者開展了很多有意義的基礎(chǔ)性的研究[1-4],排土場多通過土地復(fù)墾的方式實(shí)現(xiàn)再利用,很少進(jìn)行工程建設(shè)。而礦區(qū)由于生產(chǎn)需要,在排土場建設(shè)輸煤系統(tǒng)、小型場地不可避免,該類建(構(gòu))筑物重要性等級低,荷載小,變形要求不高,對全部填土深度范圍進(jìn)行地基處理可行性差,亦無必要。如何在保證安全、維持運(yùn)行、降低造價(jià)之間找尋平衡點(diǎn),是該類項(xiàng)目地基處理方式選擇的關(guān)鍵,很多工程采用強(qiáng)夯、強(qiáng)夯置換、碎石樁等地基處理方式,取得了一定的效果[5-7]。為此,通過對露天煤礦排土場深厚拋填土特點(diǎn)進(jìn)行分析,對一般地基處理原則進(jìn)行探討,為后續(xù)工程建設(shè)提供參考。
露天煤礦排土場為通過汽車等方式將采掘場內(nèi)煤層上覆土、巖運(yùn)輸至固定位置拋填而形成,多呈土石混合狀態(tài),其物理力學(xué)性質(zhì)和變形特性與常規(guī)意義上的第四紀(jì)堆積物有著明顯的區(qū)別,常具有如下特點(diǎn):
1)排土場多采用“由上向下、機(jī)械拋填、平整頂部、不斷延伸”的排放方式,填土回填過程中沒有經(jīng)過人工分選,顆粒大小嚴(yán)重不均,顆粒間接觸不規(guī)則,且剝離巖層易風(fēng)化,浸水易軟化;填土孔隙發(fā)育,鉆機(jī)鉆進(jìn)過程泥漿無法形成循環(huán),漏漿異常嚴(yán)重;回填過程未采取分層碾壓等相關(guān)措施,導(dǎo)致密實(shí)度差異較大,土質(zhì)嚴(yán)重不均勻。
2)自卸堆積剝離巖物沿斜坡的滾落具有一定的分選性(粒度偏析現(xiàn)象),整體上來說大顆粒滾落到每一級邊坡坡腳位置,中等粒度分布在該級邊坡中部,較細(xì)顆粒留在頂部,但由于拋填土的性質(zhì)不一,平面上及垂直方向上的地層性質(zhì)變化很大。
3)拋填土顆粒骨架大小不一、性質(zhì)不同,相互之間接觸不規(guī)則,臨時穩(wěn)定后,在外力及雨水侵入等作用下極易發(fā)生二次變形。
4)在自身固結(jié)沉降以及雨水等的作用下,排土場形成后1~2 年是沉降集中發(fā)生的階段,隨著時間的推移,沉降速率逐漸趨緩。
5)汽車運(yùn)輸使得每一級邊坡頂部一定深度范圍內(nèi)(汽車荷載影響深度)的拋填土體具有一定的壓實(shí)作用,且只限于汽車經(jīng)過區(qū)域,下部依靠自重固結(jié),整體壓實(shí)度差,如此形成1 個排土分層。
6)排土場分為多層進(jìn)行“拋填”覆土,每層厚度在30~40 m 左右,整個排土深度范圍內(nèi)相當(dāng)于多個排土分層,每個排土分層整體上由上而下顆粒逐漸變大,下部相對上部工程性質(zhì)相對較差,但由于拋填土水平及垂直方向的嚴(yán)重不均勻性,并無嚴(yán)格的規(guī)律性。
7)場地的沉降和差異沉降較大并長期存在,規(guī)律性差,難以準(zhǔn)確計(jì)算;生產(chǎn)過程中,排土場平面及豎向經(jīng)常產(chǎn)生變化,局部裂縫滲水、排水不暢匯集滲水等原因又加劇了排土場的差異沉降問題。
基于排土場深厚拋填土厚度大、不均勻、顆粒間穩(wěn)定性差等特點(diǎn),僅對上部土層進(jìn)行處理一般情況下無法滿足變形要求,而實(shí)現(xiàn)全部填土深度范圍的處理以達(dá)到處理后的地基同時滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性要求可行性較低,尤其是針對小型建設(shè)場地、非重要建(構(gòu))筑物,目前多是采取措施對地基主要受力層深度范圍填土進(jìn)行加固,滿足地基承載力、穩(wěn)定性要求的前提下,通過建筑結(jié)構(gòu)、后期管理等措施降低對平均沉降的要求,最大限度地控制差異沉降,以達(dá)到使用要求。
某原煤運(yùn)輸系統(tǒng)位于大型露天煤礦內(nèi)排土場,主要建(構(gòu))筑物包括轉(zhuǎn)載點(diǎn)、棧橋、機(jī)道等。根據(jù)搜集資料,1 號轉(zhuǎn)載點(diǎn)至2 號轉(zhuǎn)載點(diǎn)填土厚度在160 m左右,底部為二疊系砂巖,排土場分層填土厚度一般介于30~40 m,最后1 分層填土?xí)r間均在10 年以內(nèi),其中1 號轉(zhuǎn)載點(diǎn)、破碎站區(qū)域最后1 分層填土?xí)r間最晚,為工程實(shí)施前2 個月完成。
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根據(jù)場地勘察資料,擬建場地地層主要為素填土,由礦坑開挖后搬運(yùn)“拋填”而成,色雜,密實(shí)度差異大,稍濕,主要由砂巖、泥巖巖塊及少量煤矸石組成,局部以黏性土、風(fēng)化巖碎屑為主,鉆進(jìn)過程塌孔、卡鉆、埋鉆現(xiàn)象時有發(fā)生。
考慮擬建建(構(gòu))筑物等級、造價(jià)、工期等因素,確定場地地基處理方案時,僅對基底以下主要受力層范圍內(nèi)拋填土體進(jìn)行加固,減少處理深度范圍內(nèi)拋填土體自身的沉降及差異沉降(直接影響擬建建(構(gòu))筑物的變形),減少建(構(gòu))筑物荷載引起的二次沉降。深層拋填土體的固結(jié)變形無法消除,允許擬建場地建成后繼續(xù)發(fā)生一定的沉降,通過提高基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的抗變形能力、編制后期加固維修預(yù)案、提升整體管理水平等方式來協(xié)調(diào)場地的沉降問題。
基于以上原則,僅對轉(zhuǎn)載點(diǎn)、棧橋等建(構(gòu))筑物采用了表層強(qiáng)夯(8 000 kN·m)的地基處理方式,針對后期的沉降問題,按照可能出現(xiàn)的情況編制了應(yīng)急預(yù)案,明確了使用期間重點(diǎn)關(guān)注問題及緊急處置措施,主動作為減少周邊裂縫、滲水等原因造成的沉降隱患,使其滿足使用功能要求。
主要建(構(gòu))筑物于2019 年9 月完成基礎(chǔ)施工,開始進(jìn)行沉降觀測,期間由于上部結(jié)構(gòu)施工時觀測點(diǎn)整體遭到損壞,重新設(shè)置觀測點(diǎn),分前后2 個階段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。第1 階段主要建(構(gòu))筑物沉降統(tǒng)計(jì)見表1,第2 階段主要建(構(gòu))筑物沉降統(tǒng)計(jì)見表2。表中:單體最大差異沉降為當(dāng)次觀測沉降最大值與最小值之差;單體平均沉降為各階段最后1 次觀測與初次觀測觀測點(diǎn)平均標(biāo)高變化情況,正數(shù)表示下沉。
表1 第1 階段主要建(構(gòu))筑物沉降統(tǒng)計(jì)
表2 第2 階段主要建(構(gòu))筑物沉降統(tǒng)計(jì)
根據(jù)觀測結(jié)果,各單體建(構(gòu))筑物均產(chǎn)生了較大的沉降,且沉降仍在繼續(xù),整體尚未達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),但沉降速率逐漸趨緩;除2 號轉(zhuǎn)載點(diǎn)因距離邊坡坡頂較近,受豎向沉降及水平變形雙重作用,差異沉降仍在持續(xù)發(fā)展,其余單體建(構(gòu))筑物差異沉降整體處于逐漸減緩的趨勢。
2 號轉(zhuǎn)載點(diǎn)室外消防管路埋設(shè)施工期間,發(fā)現(xiàn)東南側(cè)筏板基礎(chǔ)與地基土局部出現(xiàn)脫離現(xiàn)象,也說明地基在持續(xù)產(chǎn)生沉降及差異沉降。建設(shè)后期及使用期間及時對周邊裂縫等進(jìn)行了處理,對局部地基基礎(chǔ)脫離進(jìn)行了灌漿,并要求根據(jù)排土場生產(chǎn)情況適時調(diào)整場地為豎向布置,保證有效的截排水措施。目前該工程驗(yàn)收運(yùn)行至今已近2 年,項(xiàng)目整體運(yùn)行情況良好。
根據(jù)現(xiàn)場情況分析,擬建原煤運(yùn)輸系統(tǒng)沿線地基產(chǎn)生不同程度的沉降及差異沉降的主要原因?yàn)椋?/p>
2)場地建設(shè)以及附近排土場排土等原因?qū)е轮苓叚h(huán)境變化較大,而當(dāng)年雨季雨量較大,局部截排水措施未及時進(jìn)行調(diào)整造成排水不暢匯集,且場地及周邊地表出現(xiàn)裂縫后未及時對裂縫進(jìn)行處理,雨水匯集下滲加劇了場地的沉降及差異沉降。
3)2 號轉(zhuǎn)載點(diǎn)區(qū)域差異沉降最為明顯,除拋填土自身豎向沉降外,該區(qū)域距離邊坡較近,邊坡水平變形也加劇了轉(zhuǎn)載點(diǎn)基礎(chǔ)變形。
4)機(jī)道沿線周邊排土點(diǎn)持續(xù)排土,在附加應(yīng)力作用下,加劇了周邊建(構(gòu))筑物的沉降。
深厚拋填土場地建造非重要建(構(gòu))筑物,僅通過地基處理方式進(jìn)行一次性徹底治理難度大、造價(jià)高,采用合理的平面布置、采取適當(dāng)?shù)鼗幚泶胧σ欢ㄉ疃确秶钔吝M(jìn)行加固,并結(jié)合基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)以及后續(xù)使用期間的維護(hù)加固措施,可實(shí)現(xiàn)建(構(gòu))筑物功能的正常使用。
1)優(yōu)化平面布置,協(xié)調(diào)排土計(jì)劃。擬建建(構(gòu))筑物平面布置時應(yīng)盡量避免位于2 年以內(nèi)回填土場地,與邊坡保持安全距離,并與礦方溝通排土計(jì)劃,使新排土場地位于影響范圍以外,以減少拋填土前期劇烈沉降、邊坡變形以及新排土場地引起的附加應(yīng)力的影響。降低水害對建(構(gòu))筑物沉降的影響,應(yīng)做好周邊的截排水工作,并根據(jù)排土場生產(chǎn)情況及時調(diào)整排水方案,使雨水等順利排離開。
2)建立地基處理、結(jié)構(gòu)措施配合后期維修加固的整體處理理念。地基土均存在一定的壓縮性,在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)剛度不變的情況下,地基土越軟弱,基礎(chǔ)的相對撓曲和內(nèi)力就越大[8],產(chǎn)生差異沉降的幾率就越大,增加主要受力層范圍內(nèi)地基的剛度可以有效減少差異沉降。對于轉(zhuǎn)載點(diǎn)、棧橋等建(構(gòu))筑物,可采用高(超高)能級強(qiáng)夯結(jié)合上部一定厚度加筋土墊層的地基處理方式,對于長距離的輸煤帶式輸送機(jī)基礎(chǔ),可采用中等能級強(qiáng)夯的地基處理方式,以增加地基主要受力層范圍內(nèi)地層的剛度,減少差異沉降。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在增加基礎(chǔ)剛度的同時,對高棧橋等構(gòu)筑物可考慮設(shè)置基礎(chǔ)變形調(diào)節(jié)裝置,以實(shí)現(xiàn)發(fā)生差異沉降后的變形調(diào)節(jié)功能。使用期間發(fā)生差異沉降后,應(yīng)采取對應(yīng)的維修加固措施??稍谧冃握{(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上,采用陶土糾偏、水平或豎向注漿加固等處理方式;對于長距離的運(yùn)煤帶式輸送機(jī)基礎(chǔ)等,可采用調(diào)整地腳螺栓長度或增加墊塊的設(shè)備基礎(chǔ)調(diào)整方式。
3)樹立全過程管理的理念。對深厚拋填土場地,地基處理無法一次到位,只能通過相關(guān)措施來減緩沉降及差異沉降對建(構(gòu))筑物的影響,并且由于沉降的發(fā)展是長期的,進(jìn)行地基加固可能要經(jīng)過多次才能趨于穩(wěn)定。即在通過以上措施滿足地基承載力及穩(wěn)定性要求的前提下,通過工程的全過程管理實(shí)現(xiàn)變形的全過程管控,以滿足使用功能要求。因此在編制項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件時,應(yīng)同時編制使用期間出現(xiàn)不同程度沉降和差異沉降時的應(yīng)急加固預(yù)案,明確使用期間周邊平面變化、人員巡查巡視重點(diǎn)內(nèi)容等要求,使管理人員熟悉了解可能出現(xiàn)的問題,尤其重視局部裂縫滲水、排水不暢匯集滲水等造成的差異沉降問題,以便使用過程中做到遇見問題及時處理,避免影響建(構(gòu))筑物功能的正常使用。
1)排土場深厚拋填土的性質(zhì)決定了場地的沉降和差異沉降長期存在,規(guī)律性差,難以準(zhǔn)確計(jì)算。
2)深厚拋填土場地建造非重要建(構(gòu))筑物,進(jìn)行一次性徹底治理難度大、造價(jià)高,采用合理的平面布置、采取適當(dāng)?shù)鼗幚泶胧┎⒔Y(jié)合基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)及后續(xù)使用期間的維護(hù)加固措施,可使地基承載力及穩(wěn)定性滿足建(構(gòu))筑物使用要求。
3)對深厚拋填土場地,考慮可行性、造價(jià)等因素,地基處理無法一次到位,應(yīng)提高使用期間的管理能力,建立全過程的變形監(jiān)測體系、巡查巡視體系,樹立全過程管理的理念,以實(shí)現(xiàn)變形的全過程管控。