采空塌陷區(qū)橋跨結構探討

趙志軍

1 工程概況

棗木高速公路在K87+150.2處與魯南化肥廠專用線平交。公鐵平交影響了棗木高速的通行能力和服務水平,有關部門決定在此建一座公鐵立交橋。由于擬建地點在煤炭開采形成的采空區(qū)上方,雖然地下開采早已結束,地表下沉的活躍期和衰退期也已經結束,但采動覆巖的殘余變形及地下巖層的再次失穩(wěn)危險仍然存在。因此,有必要對擬建區(qū)域進行治理,對擬建橋梁的受力狀況作出模擬和分析。

2 采空塌陷區(qū)治理及殘余變形預測

2.1 棗木高速公路下伏采空區(qū)工程注漿治理

此采空塌陷區(qū)采用注漿治理。注漿孔分為中間注漿孔和邊緣注漿孔,中間孔主要是起到充填加固地基作用,邊緣孔主要起到帷幕作用,防止?jié){液流失。公路路基填筑范圍內為采空區(qū)治理重點部位,各排鉆孔間距應較小;路基兩側保護帶為輔助治理部位,孔間距相對要大些,具體間距根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。治理范圍邊緣部位布置邊緣帷幕孔,以防漿液流失。

充填注漿材料采用粉煤灰。開始注漿時可用天然砂礫與粉煤灰混合注入,為改善粉煤灰漿體的性能,可加入懸浮劑或其他外加劑,必要時加入水泥、水玻璃等。如果以粉煤灰為主要原料,摻少量水泥制成水泥粉煤灰,再以水泥粉煤灰為主要原料進行注漿,那么通過調整粉煤灰與水泥的配比,則可以調整注漿充填物硬化后的硬度和強度,即達到注漿要求。

2.2 殘余變形預測

高速公路路基下伏采空區(qū)變形與穩(wěn)定性的研究,在國內外都沒有系統(tǒng)的研究成果。到目前為止,針對高速公路下伏采空區(qū)問題的研究報道比較少,尚未形成成熟的理論及工程設計體系,無規(guī)范、規(guī)程可循[1],僅能借助于一些類似工程的成功經驗來分析。采空區(qū)變形穩(wěn)定性評價方法主要有經驗公式法,概率積分法,數(shù)值分析法,結構力學法等。

山東棗莊礦區(qū)多年來的生產實踐經驗以及相鄰礦井實測資料數(shù)據(jù)表明,礦區(qū)采煤地表移動與變形分布曲線形態(tài)基本符合概率積分型分布。本文采用概率積分法預計數(shù)學模型。

下沉公式[1]:

通過理論計算和數(shù)值模擬分析,該區(qū)域的沉陷殘余下沉量約50 mm。

3 梁橋受力狀況模擬

兩跨連續(xù)梁橋受力狀況模擬以無下沉無車輛荷載、無下沉有車輛荷載、有下沉而沒有車輛荷載和有下沉且有車輛荷載四種情況做對比分析。

3.1 中墩下沉時的分析

沒有車輛荷載作用下的彎矩和剪力如圖1,圖2所示。有車輛荷載作用的彎矩和剪力如圖3,圖4所示。其最不利車輛荷載布置為:計算彎矩值時,均布荷載(10 500 N/m)在兩跨橋梁上滿布,集中荷載(240 000 N)作用在兩跨的跨中;計算剪力值時,均布荷載(10 500 N/m)在兩跨橋梁上滿布,集中荷載(240 000 N)作用在1號,3號墩頂部的梁上。

3.2 邊墩下沉時的分析

兩跨連續(xù)梁橋邊墩下沉而沒有車輛荷載作用時,其產生的彎矩和剪力如圖5,圖6所示。有車輛荷載作用時,其產生的彎矩和剪力如圖7,圖8所示。其最不利車輛荷載布置為:計算彎矩值時,均布荷載(10 500 N/m)在兩跨橋梁上滿布,集中荷載(240 000 N)作用在兩跨的跨中;計算剪力值時,均布荷載(10 500 N/m)在兩跨橋梁上滿布,集中荷載(240 000 N)作用在1號,3號墩頂部的梁上。

兩跨連續(xù)梁在各種變形和荷載作用下的彎矩、剪力對比情況如表1所示。

表1 彎矩和剪力對比表

4 結語

采空區(qū)注漿處理后,采用兩跨連續(xù)梁的形式通過采空區(qū),在各種最不利變形和車載的共同作用下,橋梁沒有出現(xiàn)各種形式的破壞。即使在最不利的情況下,剪力值的增長幅度也較小。因此,采空區(qū)經過注漿處理后,采用兩跨連續(xù)梁形式通過采空塌陷區(qū)在理論上是可行的,對采空區(qū)橋梁設計具有一定的指導意義。

[1]童立元,劉松玉,邱 鈺.高速公路下伏采空區(qū)危害性評價與處治技術[M].南京:東南大學出版社,2007.

[2]邢玉東,楊 昊.錦州至阜新高速公路煤礦采空區(qū)處治設計[J].東北公路,2002,24(4):11-13.

[3]孟廣文,趙衛(wèi)國.簡明公路橋涵設計實用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]康 寧,白文彪.談采空區(qū)建筑物抗變形措施[J].山西建筑,2008,34(20):81-82.