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【摘要】在老的煤矿矿区,通常都会有多年废弃的煤矸石占据大面积土地。随着我国城乡建设事业的发展,国土资源越来越紧缺。因此,在老矿区城市建设中,如何适当改造并按其特性把它用来做建筑场地,或者说是如何利用这些场地作建筑场地的问题,应当引起建设主管部门、科研部门、设计部门、勘察部门共同关注,并把它作为一个课题来进行研究。本文着重阐述多年填矸地基上的基础设计问题,介绍了笔者在这方面的一些既往经验,可供各路同行参考。
【关键词】填矸地基;基础设计
Design of foundation on the ground with long-term filled coal gangue
Jiang Liang-yu1,Jiang Hong-ning2
(1.Aged Association for Science and Technologh, Fuxin Mine CorporationFuxinLiaoning123000;
2.Pulssant Rock Company, Fuxin Mine CorporationFuxinLiaoning123000)
【Abstract】In the area with old coal mines there are always a lot of abandoned coal gangue which occupied much land. With the devolopement of the citys and villages in our country the source of land becomes more and more scarce. So, the problem how to build on the ground with long-term filled coal gangue after suitable modification for construction ground or how to utilize the ground as conctruction ground should be paid attentions by management department, research department, design department and investigation department and be researched as a project. In this paper the problems on design of foundation on the ground with long-term filled coal gangue are presented and the author's experience about these problems are shown as the referenc for engineerings.
【Key words】 ground with filled coal gangue;design of foundation
1. 引言
辽宁省阜新市城区是一个历史久远的煤矿矿区。在市区周围,有很多土地都被多年煤炭生产中开采出来的废弃物、煤炭洗选分离出来的废弃物、露天开采剥离出来的废弃物,统称为煤矸石堆占着。各处堆积的厚度不等,少则几米,多的达几十米(阜新市厚的有60多米)。仅以2005年终产报废的海州露天煤矿排土场为例,占据面积就超过13.40平方公里。如果加上终产报废的新邱煤矿、新邱露天煤矿、高德煤矿、东梁煤矿等的煤矸石占据土地,总占地面积就有25平方公里以上。这些多年煤矸石场地,具有自然下沉、遇水下陷、早期自燃发火等现象,长期以来人们不敢涉足在这些场地上兴建永久建筑物。
随着我国现代化的进程和城乡建设事业的发展,城乡建设所需的土地资源越来越缺。那些已被多年煤矸石堆占的场地,能否经适当改造或者说是如何按其特性开发利用成建设场地,已经成为了这类城区建设发展面临的问题。
事实上,近十几年来,已经有人在研究开发利用这些场地。但目前大多数仍以植树绿化、林果种植、养殖复垦为其主要目的,还未发展到如何开发利用成为居住区、商业区、文化教育或工业生产园区的深度。即使这样,就是以农业、林业、养殖、种植的开发事业中,也已经遇到了相应配套的场区办公用房、宿舍、食堂、库房等中小型建筑物,在这样的地基上如何进行基础设计的问题。这样问题,在阜新矿区已经遇到;在其它老煤矿矿区也会遇到,因此,研究和探讨这个问题,就具有一定的社会意义和经济意义。
笔者在阜新矿区工作过30多年 ,在这个课题上积累过一些经验;考察过 一些情况;有一些自己的看法。本文将集中作一些阐述,以图引起有关部门,各界同仁的重视和讨论。
这个课题,拟名为《多年填矸地基上的基础设计问题》。
2. 多年填矸地基的定义
多年填矸地基系指在煤矿生产中挖掘或洗选出来的各种岩土碎块或不同粒度的煤矸石等废弃物(包括露天开采剥离出来的岩土废弃物);由运输工具(自卸汽车、自卸矿车、传输皮带)翻卸堆积形成的地层;并且用来作为建筑物地基的一类特殊地基。
这个定义中有三个要点:
2.1形成地基的土层是煤矸石或煤矿开采出来的废弃物。
2.2是由机械或人工自然堆积的。堆积过程中无规则、无分层、无碾压;没有采取过为在若干年后要作建筑地基而采取的任何技术措施。
2.3这种地基堆积过程的时间和堆积后静置的时间很长,地基在正常自然条件下已经完成了自重固结。
根据笔者的观察和工程实践,在辽宁阜新地区,这个“多年”,我们把它界定在30年以上;这个“填矸地基”,是指填矸层的厚度已经超过基底附加应力影响深度,或者就拟建的建筑物而言,对这类地基如采取全部换填施工方法难度太大,在工程费用上也不合算的填矸地基。
3. 多年填矸地基的主要特点
多年填矸地基就地基分类属于杂填土地基。这类杂填土地基它既不同于以扰动土、城市建筑垃圾、生活垃圾为主的杂填土地基,也不同于以工业废渣为主的杂填土地基。它具有如下特点:
3.1组成物甚为复杂:在以矿井生产开采出来的多年填矸地基中,主要组成物有天然物,有各种岩石及其碎快,有各种含碳量的煤矸石和各类土。就岩石而言,有极易风化或已经风化的泥质岩、玄武岩等;也有不易风化的砂岩及其它岩浆岩;有些块径很小,已成碎粒或砂粒;也有块径很大(300～400mm)。在以海州露天煤矿用苏制4m3电镐挖掘出来的岩块,最大块径有1米多的顽石。以煤炭洗选加工出来的煤矸石为主的多年填矸地基,则以含碳量极高的泥质页岩块为主,其块径较小,也比较均匀,大部份已风化并呈鳞片状。
上述不同组成成份多年填矸地基,比较共性的是大都搀夹有煤块或半煤岩块。这些成份在阜新天干少雨的气候条件,经过自燃会变成陶粒类的烧结物或半烧结物。但不论什么情况,本文阐述的多年填矸地基,都不含生活垃圾、工业废渣,也不具有流沙夹层,更不具有可液
化的细砂或粉沙层。
3.2孔隙比大,密实度极不均匀:多年填矸地基在堆积过程中,未经分层和碾压,全靠自重堆积,所以有很大的孔隙率,而且极不均匀。在露天剥离物堆积的多年填矸地基中,会有许多由于岩块相互搁置形成的空洞。在钻探中,可能出现“掉钻”现象。只有以洗选加工出来的多年填矸地基中,沉积才比较均匀,但其孔隙比也在0.9～1.20范围内。
3.3具有一定的湿陷性。多年填矸地基由于形成过程中是自由的、松散的堆积,岩块之间相互搁置形成空隙,在正常条件下能形成平衡,但一遇水,就可能加快岩块的崩析破碎,或者润滑了接触点面,岩块之间重新叠合,这样就会出现湿陷。同时,当填矸中有大量可燃性矸石时,矸石在自燃中也会发生分解,释放出气体,形成空隙,一遇到水也会发生湿陷。这种湿陷在填矸地基堆积初期十分明显。随着堆积年限的增加,经多年风霜雨雪和自重作用,也会稳定。从阜新矿区现有多年填矸地块来看,日伪时期以及建国以后50年代和60年代初期形成的地基,已经完成了自重湿陷;新近堆积的填矸地基,如已超过20年限,也基本完成了自重湿陷。
3.4化学特性与含水特性:在阜新地区的多年填矸地基中,其组成物都不具明显的酸碱性。在现有为数很少的填矸地基上建筑物基础中,尚未了解到遭化学性腐蚀基础的情况。但在基坑开挖到陶粒或半陶粒土中,发现过一些呈灰白色的石灰类(碳酸钙)小块。这些小块尚不足以对建筑物基础造成危害。
多年填矸地基由于空隙比大,透水性强,这种地基本身不可能有上层滞水,也没有潜水。只有当填矸堆积在盆形场地时,这种地基才可能有潜水。
4. 多年填矸地基的勘察
多年填矸地基的勘察工作,原则上应遵循《岩土工程勘察规范》GB50021-2001进行。由于多年填矸地基无规则、不分层,有些勘探方法(如触探)不完全适用,因此勘察工作必须从实际出发,注意吸收一些从事过这方面探讨的专家的经验,力使勘察成果更具有适用性和可靠性。
多年以来,笔者在阜新矿区工作中,接触过一些多年填矸地基的勘察,其主要方法是现场踏勘、雨后观察和坑探、槽探。就一般低层、多层建筑基础设计而言,勘察工作的主要内容是调查填矸地基的堆积年限、堆积深度、表层风化程度、植被发育情况,挖掘若干个探坑勘察其主要组成物情况,煤矸石自燃程度等。其主要经验如下:
4.1调查堆积年限主要是为了判定填矸地基是否已完成了自重固结。调查的方法可查阅档案资料,亦可咨询当地人或当事人。堆积年限数据不一定能了解得完全准确,大体能确切到30年以上,50年以上,100年以上就可以进行判定。
4.2调查堆积深度是为了更便于在设计时确定基础型式,选用浅基础还是不能用浅基础。用浅基础时,要判定一下基底压力影响深度是否已超过填矸深度。如果影响深度超过填矸深度,则应对原地表土层状况进行了解;如果影响深度没有超过填矸深度,就可以不去考虑原地表土层赋存情况了。调查方法也可以查阅档案资料、咨询当地人或当事人。必要时用钻探来解决。
4.3现场踏勘填矸地基表层风化程度和植被情况,主要是为了证实或判定填矸地基是否已完成了自重固结。当填矸表层大块矸石已完全破碎,形成鱼鳞式薄片,或者泥质页岩类矸石已风化成粘土类土,场地表层已杂草丛生,甚至生长出各类小树,一般堆积年限都已超过30年,填矸地基也已完成了自重固结。
4.4在现场踏勘时还有一项重要内容是调查煤矸石的自燃状况。在矸石堆上仍在自燃着火冒烟的,堆积年限都不太长,它具有较强湿陷性,这种场地不能作建筑地基。另外一种情况,是填矸地基中的煤矸石虽然已经熄灭了自燃,现场看不到冒烟,但表层植被很少发育,说明煤矸石自燃终止年限不长,这种填矸地基也会有湿陷性,用作建筑地基应慎重对待。如果有条件,观察者能在当地下暴雨前后对比观察,看看地层表面在暴雨前后有无陷坑,那对填矸地基有无湿陷性判断就更清楚了。
4.5鉴于填矸地基的不分层、无规则,触探方法所得的锤击次数差异很大,往往难以据此推断地基承载力和沉积可靠程度,因此坑(槽)探应当是填矸地基的主要勘探方法。坑探个数无需太多,一般沿建筑物纵向每30～50米一个,沿横向每20～30米一个。坑探的深度可大致挖到预计的基础底面下1米即可,坑探结果应当绘出柱状图作出描述。主要查看填矸的组成物及堆积情况,空隙是否特多特大;有没有在一定深度内灌浆冲填必要和可能;还有没有残留的煤块和可燃的煤矸石堆积在一起,形成自燃的可能性等。必要时可作一两个坑的浸水试验;重要的建筑物,应作静力荷载试验。
4.6鉴于填矸地基的复杂性,笔者建议建设单位在委托勘察时,应同时确定设计单位,并要求两个单位共同配合,商定勘察目的、勘察内容、勘察方法、勘察结果,以达到事半功倍的效果。
5. 多年填矸地基承载力特征值的判定
5.1多年填矸地基承载力特征值的判定,原则应当依照《岩土工程勘察规范》GB50021-2001的要求,进行详细勘察,并按素填类土进行判定。
5.2判定多年填矸地基承载力特征值,首先必须对地基自重固结情况进行判定。对于已经完成自重固结的多年填矸土,可以判定它的承载力特征值;对于没有完成自重固结的多年填矸土,不能判定它的承载力特征值,也就是说,这类多年填矸土,尚不能作建筑物地基。
5.3判定多年填矸土是否完成了自重固结,可以采取如下方法:
5.3.1堆积年限推定法:一般30年以上可以判定为己经完成自重固结。
5.3.2重型动力触探法:当钻孔各控制深度内各点触探击数平均大于5击,可判定为已完成自重固结。
5.3.3静载试验法:当按静载试验得到的地基承载力特征值大于100KPa时,可判定已完成自重固结。
5.4工程地质勘察时报告判定地基承载力特征值主要依据为重力触探击数结果,并按照规范GB50021-2001表F.0.4-1进行判定。目前,在尚未取得大量科研测试数据以前,建议多年填矸地基承载力特征值介定在130～190KPa之间。对于表F.0.4-1列N63.5中9～17的数据,我们在实际工程中,尚未遇到,这类情况,应当慎用。对于建造乙类建筑物的地基,尚应进行静载试验,且不应少于3处。
5.5对于需要进行变形验算的地基,工程地质勘察报告应当提供土的变形模量E0 。值可根据矸石堆积年限,以动力触探平均击数、填矸土的主要成份、勘查时掌握的地基离散情况和静载试验结果来综合判定。根据我们以往的工程经验,阜新地区多年填矸地基的E0值,可介定在10.00～14.50 MPa之间。
6. 多年填矸地基上的基础设计
6.1基础设计的基本原则:
6.1.1在对多年填矸地基特征值未作系统试验研究以前,这类地基上不应建造甲级建筑物;应当慎重建造乙级建筑物;在有勘察资料,且有以往设计经验可参照情况下,应当允许建造丙类工业及民用建筑物。
在为节约土地资源,合理开发利用多年填矸地基场地的情况下,应当提倡建筑丙类建筑物,适当建造乙类建筑物。
6.1.2建筑设计力求平面及造型简单,高低差不大(不超过总高的1/3,不超过二层,不超过8米)。
6.1.3主体结构设计应按照相关设计规范采取适当的防止不均匀沉陷的措施。
6.1.4基础设计应当遵循《地基及基础设计规范》GB50007-2002(以下简称《规范》)的有关规定。其中基础设计等级按《规范》第3.0.1条,一般定为丙级。
6.2基础设计中的技术要点:
6.2.1基础埋置深度应遵循《规范》第5.1.1条规定。填矸地基一般不含水,可称为不冻土。但填矸地基由于孔隙特大,冬季雨雪易渗入结冻,因此基础的埋深在一般情况下,应该大于或等于该地区的标准冻深。
6.2.2基础的底面压力计算,可按《规范》第5.2节规定。但由于多年填矸土的内聚力小,有偏心荷载作用时,建议设计基底宽度尺寸时不应出现偏心矩e>b/6的情况。
6.2.3当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时,填矸地基的承载力特征值可以也应当修正,并按《规范》5.2.4式进行计标。其修正系数可参照表5.2.4中的“中砂,粗砂和碎石土”类的取值再适当降低10～30%取用。
6.2.4当需要进行变形验算时,多年填矸地基的勘察报告应当提出地基的Es值。设计人应对勘探报告提出的Es值进行核定。
6.3基础设计的构造细节:
6.3.1对于砌体结构下的条形基础。基础材料应尽量选用毛石砼基础,不用或慎用浆砌毛石基础。当低层(三层及三屋以下)砌体结构选用浆砌毛石基础更加经济合算时,应当在毛石基础上加钢筋砼地梁。
6.3.2对于柱下钢筋砼独立基础,可按正常条件下进行计算和设计,但当荷载较大,基底尺寸较大(大于2.0×2.0m时),建议对素砼垫层选用C15砼,并将厚度定为150mm,以改善基底接触面条件。
6.3.3对于荷载特大,特别集中,需要采用桩基础更为合适时,建议选用载体桩基础,不用予制摩擦桩、钻孔灌注桩等桩基型式。
6.3.4对于大面积荷载或其他需要提高多年填矸地基承载力特征值时,应当试用高压旋喷加固地基,而慎用碎石桩、灰土桩、复合桩等方式如固地基。
7. 多年填矸地基上基础设计的几个实例
近30多年来,因矿区生产生活需要,曾经在上述多年填矸地基上建造过一些建筑物,现就笔者设计、指导设计或参与设计的一些工程简况,介绍如下:
7.1海州露天煤矿东开闭所:1978年8月建设,为一单层砖混结构,高4.50米,进深5.70米,长33.40米。场地是海州矿排土场,填矸高度约45米。基础设计为浆砌毛石基础,加设240高钢筋砼地梁。勘察工作是由笔者在现场基槽开挖后判定的。地基承载力按当时设计规范定为10T/m2,,建成后正常使用。现该工程已随着海州矿终产报废拆除。
6.2海州矿集体公司煤矸石砖厂。
1978年～1982年建设。该砖厂设有两条24万块/年隧道窑两条。建设中除隧道窑之外,还配有原料磨机房、窑头机房、变电所、水塔、辅助厂房等多项工程。地基为海州露天煤矿开工建设时“拉沟”的填土地基,堆积厚度约20～40米,堆积年度为1953～1957年,沉积年限为30余年。设计依勘察报告按承载力12T/m2设计,采取了一些防止不均匀沉陷措施。建成后各类建筑物使用情况基本正常。特别是25m高200m3砖支筒水塔安然无恙,未出现不均匀沉陷或倾斜情况。在这群建筑物中,也曾有其中一处单层砖砌体木屋盖结构辅助厂房,因为有一夜自来水管跑水,致使一个砖垛沉陷约200毫米,木屋盖局部变形,经停水后修复仍维持使用。现该砖厂因经营不善早于1988年停产报废,大部分工程拆除,但多年停用的水塔还在。
7.3运输部斜槽选煤厂。
1983～1984年建设。该厂为一条手选皮带廊和一座筛分楼,用以筛选回收各矿遗弃的煤矸石中的杂煤颗粒,年产约10万吨。建筑场地为阜新高德东山矸石堆上。该处矸石堆高约60m,堆积年限30~40年,大部份煤矸石都已经自燃烧成陶粒状。结构设计皮带廊为砖混结构,筛分楼为现浇框架结构。两项工程都体型甚小,设计取用地基容许承载力按当时设计规范为10T/㎡。建成后使用情况正常。使用十年后因煤矸石抛卸地点转移而终产报废。
7.4新邱露天煤矿自翻车检修厂房。
1981～1984年建设。厂房为双跨予制钢筋砼排架结构,T形钢屋架加大型屋面板。主跨18.00m,设一台10T桥式吊车,吊车轨面标高7.20m。附跨9.00m,T形薄腹梁加大型面板,不设吊车。
该厂房主跨排架柱基础持力层为粘土,地基容许承载力为15T/㎡(按当时规范),而附跨外柱基础落到了该露天矿早年开沟后返填的煤矸在层上,深约20米,堆积年限愈30年,开挖后尚可见黑土状煤矸石厂成堆聚成分。设计采用了加大柱基底面积(矸石地基承载力按8T/㎡计标),T形薄腹梁与主跨柱上牛腿连结采用了滚支座等两项措施,建成后使用情况良好。
7.5海州露天残煤公司坑底选煤厂房。
2005年建设。该厂房为钢框架结构,宽7.00米,长31.50米,高14.30米,三层。厂房内装设两台振动筛及附属设备,设计年处理毛煤煤量约15万吨。该厂房建造在海天露开煤矿采掘大坑-260米左右水平,基底为采掘废弃物抛填的大沟,堆积深约14米,堆积年限约20年左右。基础设计采取了:(1)加大基底面积,取地基承载力特征值为100KPa计算;(2)加大埋深为-4.00米;(3)设置构架式地梁等三项措施。这项工程自投产使用后至今未出现异常。
在以上几个工程实例中,最后一个是在堆置年限不足30年的填矸地基上建成的,至今虽未见异常,但我们认为应当尽量避免这种情况。
8. 结语
8.1实践证明,将多年填矸地基(30年及以上)直接作为丙类建筑的地基,在经过慎重勘察、处理和适当的结构措施后,也可作为乙类建筑物地基,这种这作法对多年以煤矿生产为主的城市,节约国土资源,发展地方经济将有很大的意义。这也是我国现在以大规模开发矿产, 换取资金建设小康社会所必须解决的可持续发展的问题。
8.2在多年填矸地基上修建建筑物,应当掌握规律性。勘察和设计单位在接受这类项工程任务时,应当认真吸取有一定实践经验的部门和专家的指导或咨询意见,防止出现重大失误。
8.3多年填矸地基上的基础设计课题,目前研究还很不够。这个课题应当引起有关政府部门重视,组织各方面的力量,适当投入并列入科研课题,进行必要的检测、试验和研究。并在试验的基础上,制定出必要的行业规程或条例,来倡导这项课题的实际应用。
参考文献
[1]《地基及基础》教科书 天津大学、哈尔滨建筑工程学院、西安冶金建筑学院、重庆建筑工程学院合编中国建筑工业出版社1978年第一版北京
[2]《地基及基础》教科书华南工学院、南京工学院、浙江大学、湖南大学合编
中国建筑工业出版社 1981年6月第一版北京
[3]《土力学地基基础》教科书陈希哲编著 清华大学出版社2004年4月第4版北京
[4]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002 中国建筑工业出版社2002年 北京
[5]《岩土工程勘察规范》GB50021-2001中国建筑工业出版社2002年 北京
[6]《岩土工程勘察报告》工程编号2008-002阜新大地工程勘察公司2008年辽宁阜新
[文章编号]1006-7619(2010)02-01-67
[作者简介]蒋良禹:1966年湖南大学土木系毕业,辽宁阜矿集团老年科协专家组成员,土建专业高级工程师国家一级注册结构师。
蒋洪宁(1978.2-),2005年中南大学土木工程专业毕业,辽宁阜矿集团金石科技有限公司,土建工程师。
【关键词】填矸地基;基础设计
Design of foundation on the ground with long-term filled coal gangue
Jiang Liang-yu1,Jiang Hong-ning2
(1.Aged Association for Science and Technologh, Fuxin Mine CorporationFuxinLiaoning123000;
2.Pulssant Rock Company, Fuxin Mine CorporationFuxinLiaoning123000)
【Abstract】In the area with old coal mines there are always a lot of abandoned coal gangue which occupied much land. With the devolopement of the citys and villages in our country the source of land becomes more and more scarce. So, the problem how to build on the ground with long-term filled coal gangue after suitable modification for construction ground or how to utilize the ground as conctruction ground should be paid attentions by management department, research department, design department and investigation department and be researched as a project. In this paper the problems on design of foundation on the ground with long-term filled coal gangue are presented and the author's experience about these problems are shown as the referenc for engineerings.
【Key words】 ground with filled coal gangue;design of foundation
1. 引言
辽宁省阜新市城区是一个历史久远的煤矿矿区。在市区周围,有很多土地都被多年煤炭生产中开采出来的废弃物、煤炭洗选分离出来的废弃物、露天开采剥离出来的废弃物,统称为煤矸石堆占着。各处堆积的厚度不等,少则几米,多的达几十米(阜新市厚的有60多米)。仅以2005年终产报废的海州露天煤矿排土场为例,占据面积就超过13.40平方公里。如果加上终产报废的新邱煤矿、新邱露天煤矿、高德煤矿、东梁煤矿等的煤矸石占据土地,总占地面积就有25平方公里以上。这些多年煤矸石场地,具有自然下沉、遇水下陷、早期自燃发火等现象,长期以来人们不敢涉足在这些场地上兴建永久建筑物。
随着我国现代化的进程和城乡建设事业的发展,城乡建设所需的土地资源越来越缺。那些已被多年煤矸石堆占的场地,能否经适当改造或者说是如何按其特性开发利用成建设场地,已经成为了这类城区建设发展面临的问题。
事实上,近十几年来,已经有人在研究开发利用这些场地。但目前大多数仍以植树绿化、林果种植、养殖复垦为其主要目的,还未发展到如何开发利用成为居住区、商业区、文化教育或工业生产园区的深度。即使这样,就是以农业、林业、养殖、种植的开发事业中,也已经遇到了相应配套的场区办公用房、宿舍、食堂、库房等中小型建筑物,在这样的地基上如何进行基础设计的问题。这样问题,在阜新矿区已经遇到;在其它老煤矿矿区也会遇到,因此,研究和探讨这个问题,就具有一定的社会意义和经济意义。
笔者在阜新矿区工作过30多年 ,在这个课题上积累过一些经验;考察过 一些情况;有一些自己的看法。本文将集中作一些阐述,以图引起有关部门,各界同仁的重视和讨论。
这个课题,拟名为《多年填矸地基上的基础设计问题》。
2. 多年填矸地基的定义
多年填矸地基系指在煤矿生产中挖掘或洗选出来的各种岩土碎块或不同粒度的煤矸石等废弃物(包括露天开采剥离出来的岩土废弃物);由运输工具(自卸汽车、自卸矿车、传输皮带)翻卸堆积形成的地层;并且用来作为建筑物地基的一类特殊地基。
这个定义中有三个要点:
2.1形成地基的土层是煤矸石或煤矿开采出来的废弃物。
2.2是由机械或人工自然堆积的。堆积过程中无规则、无分层、无碾压;没有采取过为在若干年后要作建筑地基而采取的任何技术措施。
2.3这种地基堆积过程的时间和堆积后静置的时间很长,地基在正常自然条件下已经完成了自重固结。
根据笔者的观察和工程实践,在辽宁阜新地区,这个“多年”,我们把它界定在30年以上;这个“填矸地基”,是指填矸层的厚度已经超过基底附加应力影响深度,或者就拟建的建筑物而言,对这类地基如采取全部换填施工方法难度太大,在工程费用上也不合算的填矸地基。
3. 多年填矸地基的主要特点
多年填矸地基就地基分类属于杂填土地基。这类杂填土地基它既不同于以扰动土、城市建筑垃圾、生活垃圾为主的杂填土地基,也不同于以工业废渣为主的杂填土地基。它具有如下特点:
3.1组成物甚为复杂:在以矿井生产开采出来的多年填矸地基中,主要组成物有天然物,有各种岩石及其碎快,有各种含碳量的煤矸石和各类土。就岩石而言,有极易风化或已经风化的泥质岩、玄武岩等;也有不易风化的砂岩及其它岩浆岩;有些块径很小,已成碎粒或砂粒;也有块径很大(300～400mm)。在以海州露天煤矿用苏制4m3电镐挖掘出来的岩块,最大块径有1米多的顽石。以煤炭洗选加工出来的煤矸石为主的多年填矸地基,则以含碳量极高的泥质页岩块为主,其块径较小,也比较均匀,大部份已风化并呈鳞片状。
上述不同组成成份多年填矸地基,比较共性的是大都搀夹有煤块或半煤岩块。这些成份在阜新天干少雨的气候条件,经过自燃会变成陶粒类的烧结物或半烧结物。但不论什么情况,本文阐述的多年填矸地基,都不含生活垃圾、工业废渣,也不具有流沙夹层,更不具有可液
化的细砂或粉沙层。
3.2孔隙比大,密实度极不均匀:多年填矸地基在堆积过程中,未经分层和碾压,全靠自重堆积,所以有很大的孔隙率,而且极不均匀。在露天剥离物堆积的多年填矸地基中,会有许多由于岩块相互搁置形成的空洞。在钻探中,可能出现“掉钻”现象。只有以洗选加工出来的多年填矸地基中,沉积才比较均匀,但其孔隙比也在0.9～1.20范围内。
3.3具有一定的湿陷性。多年填矸地基由于形成过程中是自由的、松散的堆积,岩块之间相互搁置形成空隙,在正常条件下能形成平衡,但一遇水,就可能加快岩块的崩析破碎,或者润滑了接触点面,岩块之间重新叠合,这样就会出现湿陷。同时,当填矸中有大量可燃性矸石时,矸石在自燃中也会发生分解,释放出气体,形成空隙,一遇到水也会发生湿陷。这种湿陷在填矸地基堆积初期十分明显。随着堆积年限的增加,经多年风霜雨雪和自重作用,也会稳定。从阜新矿区现有多年填矸地块来看,日伪时期以及建国以后50年代和60年代初期形成的地基,已经完成了自重湿陷;新近堆积的填矸地基,如已超过20年限,也基本完成了自重湿陷。
3.4化学特性与含水特性:在阜新地区的多年填矸地基中,其组成物都不具明显的酸碱性。在现有为数很少的填矸地基上建筑物基础中,尚未了解到遭化学性腐蚀基础的情况。但在基坑开挖到陶粒或半陶粒土中,发现过一些呈灰白色的石灰类(碳酸钙)小块。这些小块尚不足以对建筑物基础造成危害。
多年填矸地基由于空隙比大,透水性强,这种地基本身不可能有上层滞水,也没有潜水。只有当填矸堆积在盆形场地时,这种地基才可能有潜水。
4. 多年填矸地基的勘察
多年填矸地基的勘察工作,原则上应遵循《岩土工程勘察规范》GB50021-2001进行。由于多年填矸地基无规则、不分层,有些勘探方法(如触探)不完全适用,因此勘察工作必须从实际出发,注意吸收一些从事过这方面探讨的专家的经验,力使勘察成果更具有适用性和可靠性。
多年以来,笔者在阜新矿区工作中,接触过一些多年填矸地基的勘察,其主要方法是现场踏勘、雨后观察和坑探、槽探。就一般低层、多层建筑基础设计而言,勘察工作的主要内容是调查填矸地基的堆积年限、堆积深度、表层风化程度、植被发育情况,挖掘若干个探坑勘察其主要组成物情况,煤矸石自燃程度等。其主要经验如下:
4.1调查堆积年限主要是为了判定填矸地基是否已完成了自重固结。调查的方法可查阅档案资料,亦可咨询当地人或当事人。堆积年限数据不一定能了解得完全准确,大体能确切到30年以上,50年以上,100年以上就可以进行判定。
4.2调查堆积深度是为了更便于在设计时确定基础型式,选用浅基础还是不能用浅基础。用浅基础时,要判定一下基底压力影响深度是否已超过填矸深度。如果影响深度超过填矸深度,则应对原地表土层状况进行了解;如果影响深度没有超过填矸深度,就可以不去考虑原地表土层赋存情况了。调查方法也可以查阅档案资料、咨询当地人或当事人。必要时用钻探来解决。
4.3现场踏勘填矸地基表层风化程度和植被情况,主要是为了证实或判定填矸地基是否已完成了自重固结。当填矸表层大块矸石已完全破碎,形成鱼鳞式薄片,或者泥质页岩类矸石已风化成粘土类土,场地表层已杂草丛生,甚至生长出各类小树,一般堆积年限都已超过30年,填矸地基也已完成了自重固结。
4.4在现场踏勘时还有一项重要内容是调查煤矸石的自燃状况。在矸石堆上仍在自燃着火冒烟的,堆积年限都不太长,它具有较强湿陷性,这种场地不能作建筑地基。另外一种情况,是填矸地基中的煤矸石虽然已经熄灭了自燃,现场看不到冒烟,但表层植被很少发育,说明煤矸石自燃终止年限不长,这种填矸地基也会有湿陷性,用作建筑地基应慎重对待。如果有条件,观察者能在当地下暴雨前后对比观察,看看地层表面在暴雨前后有无陷坑,那对填矸地基有无湿陷性判断就更清楚了。
4.5鉴于填矸地基的不分层、无规则,触探方法所得的锤击次数差异很大,往往难以据此推断地基承载力和沉积可靠程度,因此坑(槽)探应当是填矸地基的主要勘探方法。坑探个数无需太多,一般沿建筑物纵向每30～50米一个,沿横向每20～30米一个。坑探的深度可大致挖到预计的基础底面下1米即可,坑探结果应当绘出柱状图作出描述。主要查看填矸的组成物及堆积情况,空隙是否特多特大;有没有在一定深度内灌浆冲填必要和可能;还有没有残留的煤块和可燃的煤矸石堆积在一起,形成自燃的可能性等。必要时可作一两个坑的浸水试验;重要的建筑物,应作静力荷载试验。
4.6鉴于填矸地基的复杂性,笔者建议建设单位在委托勘察时,应同时确定设计单位,并要求两个单位共同配合,商定勘察目的、勘察内容、勘察方法、勘察结果,以达到事半功倍的效果。
5. 多年填矸地基承载力特征值的判定
5.1多年填矸地基承载力特征值的判定,原则应当依照《岩土工程勘察规范》GB50021-2001的要求,进行详细勘察,并按素填类土进行判定。
5.2判定多年填矸地基承载力特征值,首先必须对地基自重固结情况进行判定。对于已经完成自重固结的多年填矸土,可以判定它的承载力特征值;对于没有完成自重固结的多年填矸土,不能判定它的承载力特征值,也就是说,这类多年填矸土,尚不能作建筑物地基。
5.3判定多年填矸土是否完成了自重固结,可以采取如下方法:
5.3.1堆积年限推定法:一般30年以上可以判定为己经完成自重固结。
5.3.2重型动力触探法:当钻孔各控制深度内各点触探击数平均大于5击,可判定为已完成自重固结。
5.3.3静载试验法:当按静载试验得到的地基承载力特征值大于100KPa时,可判定已完成自重固结。
5.4工程地质勘察时报告判定地基承载力特征值主要依据为重力触探击数结果,并按照规范GB50021-2001表F.0.4-1进行判定。目前,在尚未取得大量科研测试数据以前,建议多年填矸地基承载力特征值介定在130～190KPa之间。对于表F.0.4-1列N63.5中9～17的数据,我们在实际工程中,尚未遇到,这类情况,应当慎用。对于建造乙类建筑物的地基,尚应进行静载试验,且不应少于3处。
5.5对于需要进行变形验算的地基,工程地质勘察报告应当提供土的变形模量E0 。值可根据矸石堆积年限,以动力触探平均击数、填矸土的主要成份、勘查时掌握的地基离散情况和静载试验结果来综合判定。根据我们以往的工程经验,阜新地区多年填矸地基的E0值,可介定在10.00～14.50 MPa之间。
6. 多年填矸地基上的基础设计
6.1基础设计的基本原则:
6.1.1在对多年填矸地基特征值未作系统试验研究以前,这类地基上不应建造甲级建筑物;应当慎重建造乙级建筑物;在有勘察资料,且有以往设计经验可参照情况下,应当允许建造丙类工业及民用建筑物。
在为节约土地资源,合理开发利用多年填矸地基场地的情况下,应当提倡建筑丙类建筑物,适当建造乙类建筑物。
6.1.2建筑设计力求平面及造型简单,高低差不大(不超过总高的1/3,不超过二层,不超过8米)。
6.1.3主体结构设计应按照相关设计规范采取适当的防止不均匀沉陷的措施。
6.1.4基础设计应当遵循《地基及基础设计规范》GB50007-2002(以下简称《规范》)的有关规定。其中基础设计等级按《规范》第3.0.1条,一般定为丙级。
6.2基础设计中的技术要点:
6.2.1基础埋置深度应遵循《规范》第5.1.1条规定。填矸地基一般不含水,可称为不冻土。但填矸地基由于孔隙特大,冬季雨雪易渗入结冻,因此基础的埋深在一般情况下,应该大于或等于该地区的标准冻深。
6.2.2基础的底面压力计算,可按《规范》第5.2节规定。但由于多年填矸土的内聚力小,有偏心荷载作用时,建议设计基底宽度尺寸时不应出现偏心矩e>b/6的情况。
6.2.3当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时,填矸地基的承载力特征值可以也应当修正,并按《规范》5.2.4式进行计标。其修正系数可参照表5.2.4中的“中砂,粗砂和碎石土”类的取值再适当降低10～30%取用。
6.2.4当需要进行变形验算时,多年填矸地基的勘察报告应当提出地基的Es值。设计人应对勘探报告提出的Es值进行核定。
6.3基础设计的构造细节:
6.3.1对于砌体结构下的条形基础。基础材料应尽量选用毛石砼基础,不用或慎用浆砌毛石基础。当低层(三层及三屋以下)砌体结构选用浆砌毛石基础更加经济合算时,应当在毛石基础上加钢筋砼地梁。
6.3.2对于柱下钢筋砼独立基础,可按正常条件下进行计算和设计,但当荷载较大,基底尺寸较大(大于2.0×2.0m时),建议对素砼垫层选用C15砼,并将厚度定为150mm,以改善基底接触面条件。
6.3.3对于荷载特大,特别集中,需要采用桩基础更为合适时,建议选用载体桩基础,不用予制摩擦桩、钻孔灌注桩等桩基型式。
6.3.4对于大面积荷载或其他需要提高多年填矸地基承载力特征值时,应当试用高压旋喷加固地基,而慎用碎石桩、灰土桩、复合桩等方式如固地基。
7. 多年填矸地基上基础设计的几个实例
近30多年来,因矿区生产生活需要,曾经在上述多年填矸地基上建造过一些建筑物,现就笔者设计、指导设计或参与设计的一些工程简况,介绍如下:
7.1海州露天煤矿东开闭所:1978年8月建设,为一单层砖混结构,高4.50米,进深5.70米,长33.40米。场地是海州矿排土场,填矸高度约45米。基础设计为浆砌毛石基础,加设240高钢筋砼地梁。勘察工作是由笔者在现场基槽开挖后判定的。地基承载力按当时设计规范定为10T/m2,,建成后正常使用。现该工程已随着海州矿终产报废拆除。
6.2海州矿集体公司煤矸石砖厂。
1978年～1982年建设。该砖厂设有两条24万块/年隧道窑两条。建设中除隧道窑之外,还配有原料磨机房、窑头机房、变电所、水塔、辅助厂房等多项工程。地基为海州露天煤矿开工建设时“拉沟”的填土地基,堆积厚度约20～40米,堆积年度为1953～1957年,沉积年限为30余年。设计依勘察报告按承载力12T/m2设计,采取了一些防止不均匀沉陷措施。建成后各类建筑物使用情况基本正常。特别是25m高200m3砖支筒水塔安然无恙,未出现不均匀沉陷或倾斜情况。在这群建筑物中,也曾有其中一处单层砖砌体木屋盖结构辅助厂房,因为有一夜自来水管跑水,致使一个砖垛沉陷约200毫米,木屋盖局部变形,经停水后修复仍维持使用。现该砖厂因经营不善早于1988年停产报废,大部分工程拆除,但多年停用的水塔还在。
7.3运输部斜槽选煤厂。
1983～1984年建设。该厂为一条手选皮带廊和一座筛分楼,用以筛选回收各矿遗弃的煤矸石中的杂煤颗粒,年产约10万吨。建筑场地为阜新高德东山矸石堆上。该处矸石堆高约60m,堆积年限30~40年,大部份煤矸石都已经自燃烧成陶粒状。结构设计皮带廊为砖混结构,筛分楼为现浇框架结构。两项工程都体型甚小,设计取用地基容许承载力按当时设计规范为10T/㎡。建成后使用情况正常。使用十年后因煤矸石抛卸地点转移而终产报废。
7.4新邱露天煤矿自翻车检修厂房。
1981～1984年建设。厂房为双跨予制钢筋砼排架结构,T形钢屋架加大型屋面板。主跨18.00m,设一台10T桥式吊车,吊车轨面标高7.20m。附跨9.00m,T形薄腹梁加大型面板,不设吊车。
该厂房主跨排架柱基础持力层为粘土,地基容许承载力为15T/㎡(按当时规范),而附跨外柱基础落到了该露天矿早年开沟后返填的煤矸在层上,深约20米,堆积年限愈30年,开挖后尚可见黑土状煤矸石厂成堆聚成分。设计采用了加大柱基底面积(矸石地基承载力按8T/㎡计标),T形薄腹梁与主跨柱上牛腿连结采用了滚支座等两项措施,建成后使用情况良好。
7.5海州露天残煤公司坑底选煤厂房。
2005年建设。该厂房为钢框架结构,宽7.00米,长31.50米,高14.30米,三层。厂房内装设两台振动筛及附属设备,设计年处理毛煤煤量约15万吨。该厂房建造在海天露开煤矿采掘大坑-260米左右水平,基底为采掘废弃物抛填的大沟,堆积深约14米,堆积年限约20年左右。基础设计采取了:(1)加大基底面积,取地基承载力特征值为100KPa计算;(2)加大埋深为-4.00米;(3)设置构架式地梁等三项措施。这项工程自投产使用后至今未出现异常。
在以上几个工程实例中,最后一个是在堆置年限不足30年的填矸地基上建成的,至今虽未见异常,但我们认为应当尽量避免这种情况。
8. 结语
8.1实践证明,将多年填矸地基(30年及以上)直接作为丙类建筑的地基,在经过慎重勘察、处理和适当的结构措施后,也可作为乙类建筑物地基,这种这作法对多年以煤矿生产为主的城市,节约国土资源,发展地方经济将有很大的意义。这也是我国现在以大规模开发矿产, 换取资金建设小康社会所必须解决的可持续发展的问题。
8.2在多年填矸地基上修建建筑物,应当掌握规律性。勘察和设计单位在接受这类项工程任务时,应当认真吸取有一定实践经验的部门和专家的指导或咨询意见,防止出现重大失误。
8.3多年填矸地基上的基础设计课题,目前研究还很不够。这个课题应当引起有关政府部门重视,组织各方面的力量,适当投入并列入科研课题,进行必要的检测、试验和研究。并在试验的基础上,制定出必要的行业规程或条例,来倡导这项课题的实际应用。
参考文献
[1]《地基及基础》教科书 天津大学、哈尔滨建筑工程学院、西安冶金建筑学院、重庆建筑工程学院合编中国建筑工业出版社1978年第一版北京
[2]《地基及基础》教科书华南工学院、南京工学院、浙江大学、湖南大学合编
中国建筑工业出版社 1981年6月第一版北京
[3]《土力学地基基础》教科书陈希哲编著 清华大学出版社2004年4月第4版北京
[4]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002 中国建筑工业出版社2002年 北京
[5]《岩土工程勘察规范》GB50021-2001中国建筑工业出版社2002年 北京
[6]《岩土工程勘察报告》工程编号2008-002阜新大地工程勘察公司2008年辽宁阜新
[文章编号]1006-7619(2010)02-01-67
[作者简介]蒋良禹:1966年湖南大学土木系毕业,辽宁阜矿集团老年科协专家组成员,土建专业高级工程师国家一级注册结构师。
蒋洪宁(1978.2-),2005年中南大学土木工程专业毕业,辽宁阜矿集团金石科技有限公司,土建工程师。