多年填矸地基上的基礎(chǔ)設(shè)計問題

1、多年填矸地基上的基礎(chǔ)設(shè)計問題                        【摘要】在老的煤礦礦區(qū)，通常都會有多年廢棄的煤矸石占據(jù)大面積土地。隨著我國城鄉(xiāng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，國土資源越來越緊缺。因此，在老礦區(qū)城市建設(shè)中，如何適當(dāng)改造并按其特性把它用來做建筑場地，或者說是如何利用這些場地作建筑場地的問題，應(yīng)當(dāng)引起建設(shè)主管部門、科研部門、設(shè)計部門、勘察部門共同關(guān)注，

2、并把它作為一個課題來進(jìn)行研究。本文著重闡述多年填矸地基上的基礎(chǔ)設(shè)計問題，介紹了筆者在這方面的一些既往經(jīng)驗，可供各路同行參考?！娟P(guān)鍵詞】填矸地基；基礎(chǔ)設(shè)【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 scarc

3、e. 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 departm

4、ent 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 f

5、oundation 1. 引言遼寧省阜新市城區(qū)是一個歷史久遠(yuǎn)的煤礦礦區(qū)。在市區(qū)周圍，有很多土地都被多年煤炭生產(chǎn)中開采出來的廢棄物、煤炭洗選分離出來的廢棄物、露天開采剝離出來的廢棄物，統(tǒng)稱為煤矸石堆占著。各處堆積的厚度不等，少則幾米，多的達(dá)幾十米（阜新市厚的有60多米）。僅以2005年終產(chǎn)報廢的海州露天煤礦排土場為例，占據(jù)面積就超過13.40平方公里。如果加上終產(chǎn)報廢的新邱煤礦、新邱露天煤礦、高德煤礦、東梁煤礦等的煤矸石占據(jù)土地，總占地面積就有25平方公里以上。這些多年煤矸石場地，具有自然下沉、遇水下陷、早期自燃發(fā)火等現(xiàn)象，長期以來人們不敢涉足在這些場地上興建永久建筑物。隨著我國現(xiàn)代化的進(jìn)程和城

6、鄉(xiāng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)所需的土地資源越來越缺。那些已被多年煤矸石堆占的場地，能否經(jīng)適當(dāng)改造或者說是如何按其特性開發(fā)利用成建設(shè)場地，已經(jīng)成為了這類城區(qū)建設(shè)發(fā)展面臨的問題。事實上，近十幾年來，已經(jīng)有人在研究開發(fā)利用這些場地。但目前大多數(shù)仍以植樹綠化、林果種植、養(yǎng)殖復(fù)墾為其主要目的，還未發(fā)展到如何開發(fā)利用成為居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、文化教育或工業(yè)生產(chǎn)園區(qū)的深度。即使這樣，就是以農(nóng)業(yè)、林業(yè)、養(yǎng)殖、種植的開發(fā)事業(yè)中，也已經(jīng)遇到了相應(yīng)配套的場區(qū)辦公用房、宿舍、食堂、庫房等中小型建筑物，在這樣的地基上如何進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計的問題。這樣問題，在阜新礦區(qū)已經(jīng)遇到；在其它老煤礦礦區(qū)也會遇到，因此，研究和探討這個問題，就具有

7、一定的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。筆者在阜新礦區(qū)工作過30多年 ，在這個課題上積累過一些經(jīng)驗；考察過 一些情況；有一些自己的看法。本文將集中作一些闡述，以圖引起有關(guān)部門，各界同仁的重視和討論。這個課題，擬名為多年填矸地基上的基礎(chǔ)設(shè)計問題。 2. 多年填矸地基的定義多年填矸地基系指在煤礦生產(chǎn)中挖掘或洗選出來的各種巖土碎塊或不同粒度的煤矸石等廢棄物（包括露天開采剝離出來的巖土廢棄物）；由運輸工具（自卸汽車、自卸礦車、傳輸皮帶）翻卸堆積形成的地層；并且用來作為建筑物地基的一類特殊地基。這個定義中有三個要點： 2.1形成地基的土層是煤矸石或煤礦開采出來的廢棄物。 2.2是由機(jī)械或人工自然堆積的。堆積過程中無規(guī)

8、則、無分層、無碾壓；沒有采取過為在若干年后要作建筑地基而采取的任何技術(shù)措施。                              2.3這種地基堆積過程的時間和堆積后靜置的時間很長，地基在正常自然條件下已經(jīng)完成了自重固結(jié)。根據(jù)筆者的觀察和工程實踐，在遼寧阜新地區(qū)，這個“多年”，我們把它界定在30年以上；這個“填矸

9、地基”，是指填矸層的厚度已經(jīng)超過基底附加應(yīng)力影響深度，或者就擬建的建筑物而言，對這類地基如采取全部換填施工方法難度太大，在工程費用上也不合算的填矸地基。 3. 多年填矸地基的主要特點多年填矸地基就地基分類屬于雜填土地基。這類雜填土地基它既不同于以擾動土、城市建筑垃圾、生活垃圾為主的雜填土地基，也不同于以工業(yè)廢渣為主的雜填土地基。它具有如下特點： 3.1組成物甚為復(fù)雜：在以礦井生產(chǎn)開采出來的多年填矸地基中，主要組成物有天然物，有各種巖石及其碎快，有各種含碳量的煤矸石和各類土。就巖石而言，有極易風(fēng)化或已經(jīng)風(fēng)化的泥質(zhì)巖、玄武巖等；也有不易風(fēng)化的砂巖及其它巖漿巖；有些塊徑很小，已成碎?；蛏傲?；也有塊徑

10、很大（300400mm）。在以海州露天煤礦用蘇制4m3電鎬挖掘出來的巖塊，最大塊徑有1米多的頑石。以煤炭洗選加工出來的煤矸石為主的多年填矸地基，則以含碳量極高的泥質(zhì)頁巖塊為主，其塊徑較小，也比較均勻，大部份已風(fēng)化并呈鱗片狀。上述不同組成成份多年填矸地基，比較共性的是大都攙夾有煤塊或半煤巖塊。這些成份在阜新天干少雨的氣候條件，經(jīng)過自燃會變成陶粒類的燒結(jié)物或半燒結(jié)物。但不論什么情況，本文闡述的多年填矸地基，都不含生活垃圾、工業(yè)廢渣，也不具有流沙夾層，更不具有可液化的細(xì)砂或粉沙層。 3.2孔隙比大，密實度極不均勻：多年填矸地基在堆積過程中，未經(jīng)分層和碾壓，全靠自重堆積，所以有很大的孔隙率，而且極不均

11、勻。在露天剝離物堆積的多年填矸地基中，會有許多由于巖塊相互擱置形成的空洞。在鉆探中，可能出現(xiàn)“掉鉆”現(xiàn)象。只有以洗選加工出來的多年填矸地基中，沉積才比較均勻，但其孔隙比也在0.91.20范圍內(nèi)。 3.3具有一定的濕陷性。多年填矸地基由于形成過程中是自由的、松散的堆積，巖塊之間相互擱置形成空隙，在正常條件下能形成平衡，但一遇水，就可能加快巖塊的崩析破碎，或者潤滑了接觸點面，巖塊之間重新疊合，這樣就會出現(xiàn)濕陷。同時，當(dāng)填矸中有大量可燃性矸石時，矸石在自燃中也會發(fā)生分解，釋放出氣體，形成空隙，一遇到水也會發(fā)生濕陷。這種濕陷在填矸地基堆積初期十分明顯。隨著堆積年限的增加，經(jīng)多年風(fēng)霜雨雪和自重作用，也會

12、穩(wěn)定。從阜新礦區(qū)現(xiàn)有多年填矸地塊來看，日偽時期以及建國以后50年代和60年代初期形成的地基，已經(jīng)完成了自重濕陷；新近堆積的填矸地基，如已超過20年限，也基本完成了自重濕陷。 3.4化學(xué)特性與含水特性：在阜新地區(qū)的多年填矸地基中，其組成物都不具明顯的酸堿性。在現(xiàn)有為數(shù)很少的填矸地基上建筑物基礎(chǔ)中，尚未了解到遭化學(xué)性腐蝕基礎(chǔ)的情況。但在基坑開挖到陶?；虬胩樟Ｍ林校l(fā)現(xiàn)過一些呈灰白色的石灰類（碳酸鈣）小塊。這些小塊尚不足以對建筑物基礎(chǔ)造成危害。多年填矸地基由于空隙比大，透水性強(qiáng)，這種地基本身不可能有上層滯水，也沒有潛水。只有當(dāng)填矸堆積在盆形場地時，這種地基才可能有潛水。 4. 多年填矸地基的勘察 多

13、年填矸地基的勘察工作，原則上應(yīng)遵循巖土工程勘察規(guī)范GB50021-2001進(jìn)行。由于多年填矸地基無規(guī)則、不分層，有些勘探方法（如觸探）不完全適用，因此勘察工作必須從實際出發(fā)，注意吸收一些從事過這方面探討的專家的經(jīng)驗，力使勘察成果更具有適用性和可靠性。 多年以來，筆者在阜新礦區(qū)工作中，接觸過一些多年填矸地基的勘察，其主要方法是現(xiàn)場踏勘、雨后觀察和坑探、槽探。就一般低層、多層建筑基礎(chǔ)設(shè)計而言，勘察工作的主要內(nèi)容是調(diào)查填矸地基的堆積年限、堆積深度、表層風(fēng)化程度、植被發(fā)育情況，挖掘若干個探坑勘察其主要組成物情況，煤矸石自燃程度等。其主要經(jīng)驗如下：    

14、0;                         4.1調(diào)查堆積年限主要是為了判定填矸地基是否已完成了自重固結(jié)。調(diào)查的方法可查閱檔案資料，亦可咨詢當(dāng)?shù)厝嘶虍?dāng)事人。堆積年限數(shù)據(jù)不一定能了解得完全準(zhǔn)確，大體能確切到30年以上，50年以上，100年以上就可以進(jìn)行判定。 4.2調(diào)查堆積深度是為了更便于在設(shè)計時確定基礎(chǔ)型式，選用淺基礎(chǔ)還是不能用淺基礎(chǔ)。用淺基礎(chǔ)時，要判定一下

15、基底壓力影響深度是否已超過填矸深度。如果影響深度超過填矸深度，則應(yīng)對原地表土層狀況進(jìn)行了解；如果影響深度沒有超過填矸深度，就可以不去考慮原地表土層賦存情況了。調(diào)查方法也可以查閱檔案資料、咨詢當(dāng)?shù)厝嘶虍?dāng)事人。必要時用鉆探來解決。 4.3現(xiàn)場踏勘填矸地基表層風(fēng)化程度和植被情況，主要是為了證實或判定填矸地基是否已完成了自重固結(jié)。當(dāng)填矸表層大塊矸石已完全破碎，形成魚鱗式薄片，或者泥質(zhì)頁巖類矸石已風(fēng)化成粘土類土，場地表層已雜草叢生，甚至生長出各類小樹，一般堆積年限都已超過30年，填矸地基也已完成了自重固結(jié)。 4.4在現(xiàn)場踏勘時還有一項重要內(nèi)容是調(diào)查煤矸石的自燃狀況。在矸石堆上仍在自燃著火冒煙的，堆積年限

16、都不太長，它具有較強(qiáng)濕陷性，這種場地不能作建筑地基。另外一種情況，是填矸地基中的煤矸石雖然已經(jīng)熄滅了自燃，現(xiàn)場看不到冒煙，但表層植被很少發(fā)育，說明煤矸石自燃終止年限不長，這種填矸地基也會有濕陷性，用作建筑地基應(yīng)慎重對待。如果有條件，觀察者能在當(dāng)?shù)叵卤┯昵昂髮Ρ扔^察，看看地層表面在暴雨前后有無陷坑，那對填矸地基有無濕陷性判斷就更清楚了。 4.5鑒于填矸地基的不分層、無規(guī)則，觸探方法所得的錘擊次數(shù)差異很大，往往難以據(jù)此推斷地基承載力和沉積可靠程度，因此坑（槽）探應(yīng)當(dāng)是填矸地基的主要勘探方法。坑探個數(shù)無需太多，一般沿建筑物縱向每3050米一個，沿橫向每2030米一個?？犹降纳疃瓤纱笾峦诘筋A(yù)計的基礎(chǔ)底

17、面下1米即可，坑探結(jié)果應(yīng)當(dāng)繪出柱狀圖作出描述。主要查看填矸的組成物及堆積情況，空隙是否特多特大；有沒有在一定深度內(nèi)灌漿沖填必要和可能；還有沒有殘留的煤塊和可燃的煤矸石堆積在一起，形成自燃的可能性等。必要時可作一兩個坑的浸水試驗；重要的建筑物，應(yīng)作靜力荷載試驗。 4.6鑒于填矸地基的復(fù)雜性，筆者建議建設(shè)單位在委托勘察時，應(yīng)同時確定設(shè)計單位，并要求兩個單位共同配合，商定勘察目的、勘察內(nèi)容、勘察方法、勘察結(jié)果，以達(dá)到事半功倍的效果。 5. 多年填矸地基承載力特征值的判定 5.1多年填矸地基承載力特征值的判定，原則應(yīng)當(dāng)依照巖土工程勘察規(guī)范GB50021-2001的要求，進(jìn)行詳細(xì)勘察，并按素填類土進(jìn)行判

18、定。 5.2判定多年填矸地基承載力特征值，首先必須對地基自重固結(jié)情況進(jìn)行判定。對于已經(jīng)完成自重固結(jié)的多年填矸土，可以判定它的承載力特征值；對于沒有完成自重固結(jié)的多年填矸土，不能判定它的承載力特征值，也就是說，這類多年填矸土，尚不能作建筑物地基。             5.5對于需要進(jìn)行變形驗算的地基，工程地質(zhì)勘察報告應(yīng)當(dāng)提供土的變形模量E0 。值可根據(jù)矸石堆積年限，以動力觸探平均擊數(shù)、填矸土的主要成份、勘查時掌握的地基離散情況和靜載試驗結(jié)果來綜合判定。根據(jù)我們以往的工程經(jīng)驗

19、，阜新地區(qū)多年填矸地基的E0值，可介定在10.0014.50 MPa之間。             7.3運輸部斜槽選煤廠。19831984年建設(shè)。該廠為一條手選皮帶廊和一座篩分樓，用以篩選回收各礦遺棄的煤矸石中的雜煤顆粒，年產(chǎn)約10萬噸。建筑場地為阜新高德東山矸石堆上。該處矸石堆高約60m，堆積年限3040年，大部份煤矸石都已經(jīng)自燃燒成陶粒狀。結(jié)構(gòu)設(shè)計皮帶廊為磚混結(jié)構(gòu)，篩分樓為現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)。兩項工程都體型甚小，設(shè)計取用地基容許承載力按當(dāng)時設(shè)計規(guī)范為10T/。建成后使用情況正

20、常。使用十年后因煤矸石拋卸地點轉(zhuǎn)移而終產(chǎn)報廢。 7.4新邱露天煤礦自翻車檢修廠房。19811984年建設(shè)。廠房為雙跨予制鋼筋砼排架結(jié)構(gòu)，T形鋼屋架加大型屋面板。主跨18.00m，設(shè)一臺10T橋式吊車，吊車軌面標(biāo)高7.20m。附跨9.00m，T形薄腹梁加大型面板，不設(shè)吊車。該廠房主跨排架柱基礎(chǔ)持力層為粘土，地基容許承載力為15T/(按當(dāng)時規(guī)范)，而附跨外柱基礎(chǔ)落到了該露天礦早年開溝后返填的煤矸在層上，深約20米，堆積年限愈30年，開挖后尚可見黑土狀煤矸石廠成堆聚成分。設(shè)計采用了加大柱基底面積（矸石地基承載力按8T/計標(biāo)），T形薄腹梁與主跨柱上牛腿連結(jié)采用了滾支座等兩項措施，建成后使用情況良好。 7.5海州露天殘煤公司坑底選煤廠房。2005年建設(shè)。該廠房為鋼框架結(jié)構(gòu)，寬7.00米，長31.50米，高14.30米，三層。廠房內(nèi)裝設(shè)兩臺振動篩及附屬設(shè)備，設(shè)計年處理毛煤煤量約15萬噸。該廠房建造在海天露開煤礦采掘大坑-260米左右水平，基底為采掘廢棄物拋填的大溝，堆積深約14米，堆積年限約20年左右。基礎(chǔ)設(shè)計采取了：（1）加大基底面積，取地基承載力特征值為100KPa計算；（2）加大埋深為-4.00米；（3）設(shè)置構(gòu)架式地梁等三項措施。這項工程自投產(chǎn)使用后至今未出現(xiàn)異常。在以上幾個工程實例中，最后一個是在堆置年限不足30年的填矸地基上建成的，至今雖未見異常，但我們認(rèn)為應(yīng)當(dāng)盡量