1 绪论
1.1 问题的提出
煤炭开采现已密集到村庄、城市的一些道路和桥梁下面，如徐州环城高速和城北风景区的“时代大道”都建在采煤沉陷区。沉陷区的桥梁地基由于继续采矿及老采空区“活化”会产生较大垂直方向的移动变形和水平方向的移动变形及受地表曲率变形影响，改变了地基土的基本物理力学性质，桥梁结构也会产生较大的位移及附加内力，危及地面上部结构的稳定性及正常使用。解决开采沉陷对桥梁结构的影响问题，无论从技术上，还是经济上，都具有非常重要现实意义。
以淮南矿区为例，该地区为煤层群开采，地表沉陷量巨大，仅竖直方向的沉陷就超过 10m。受制于铁路路线坡度要求，采煤沉陷区铁路专用线通常需要随着地面沉陷的进行不断加高，以保持铁路原有标高基本不变。对于路基，可利用采矿产生的大量煤矸石进行填筑。桥梁以及涵洞的加固处理，可采用组合框架桥技术，即“桥上桥”技术。淮南矿业集团谢桥煤矿济河铁路中桥，全长 72m，原为钢筋混凝土箱形框架结构，受桥下工作面开采沉陷影响，该桥已历经 3 次沉陷工程治理。济河桥沉陷治理过程已经历了三个阶段，第 1 阶段工程包括 2 部分：地基采用旋喷桩进行复合地基加固；上部新建 4m高半封闭框架箱体；第 2 阶段将新建的 4m 高框架箱体进行加高和整体封闭，封闭后的框架箱体总高达到 6m；第 3 阶段在中间箱体新建施工高度为 4.5m的钢结构挡碴墙、在原桥面之上两侧箱体新建一组 4.5m 高的箱形框架。经历 3 阶段沉陷治理后，随着上部结构的增高，现既有复合地基的承载能力难以满足要求。近期测量结果显示南北两侧下沉相差 1.1m，根据谢桥矿开采工作计划，该桥将会继续下沉，初步预计地表将继续下沉十余米。为维持铁路原设计标高，还需要对原桥体进一步加高。
现有的济河铁路中桥已经进行过一次复合地基加固，而今后的桥体加高对地基承载力提出更高要求，常规既有建（构）筑物地基加固方法很难适用。在这种工程背景下，如何进行地基加固成了急需解决的工程难题。为此，本文首次提出旁侧堆载加固方法，即在桥体两侧河道中堆载煤矸石，靠两侧堆载体的重力作用，提高桥下地基的承载力。其基本示意图见图 1-1。
1.2 研究的目的和意义
目前采煤沉陷区地基土的加固，通常采用常规地基处理方法如注浆法，对于既有复合地基复杂状况下加固改造缺乏深入的研究。基于当前采煤沉陷区扰动地基基本的物理力学特性及地基土加固研究现状，本文首次提出将旁侧堆载法应用于既有复合地基再加固，并对地基加固承载机理进行研究，以掌握堆载作用下既有建（构）筑物地基承载特性的变化规律。对于将旁侧堆载法应用于采煤沉陷区复合地基再加固，研究的意义主要有以下几点：
1)使采煤沉陷区的既有建（构）筑物保护和加固理论进一步完善
采煤沉陷区建筑物既有建（构）筑物保护与加固对于提高土地资源的利用率，节约资源，推动矿区经济的发展都有重要的意义。目前对于采煤沉陷区既有建（构）筑物的上部结构及基础的加固研究已经形成比较完善的理论体系，本文研究将有助于加深旁侧堆载法对采煤沉陷区既有建（构）筑物地基承载特性的改善作用的了解，使采煤沉陷区既有建（构）筑物保护和加固理论进一步完善。
2)进一步完善堆载法在地基土加固中应用
目前旁侧堆载法利用堆载产生反向纠倾力矩，主要用于既有建筑物软弱地基的迫降纠倾，本文考虑到采动地基基本特点及采煤沉陷区建（构）筑物加固后对地基承载力的要求，对堆载法加固地基的承载机理进行研究，将有助于推广旁侧堆载法在采煤沉陷区地基土加固中的应用。
3)丰富环境岩土工程理论和应用的内涵
地下采矿活动对于环境产生各种不利的影响，开采沉陷对于既有建筑物影响最为恶劣，对于地基土的加固应尽量降低对地基土的扰动。本文对采煤沉陷区既有建筑物地基加固方法及作用机理进行研究，提出对废物煤矸石进行二次利用，将环境岩土工程的理念和方法应用于环境治理，有助于丰富环境岩土工程理论及应用的内涵。
2 框架桥旁侧堆载数值模拟方法
2.1 FLAC简介
以往土力学和岩石力学主要是被看作经验的学科，地质体的天然状态所具有的许多复杂性使得解析解很难求得，为了获得实际问题的解析解，就要做许多简化假设。但对于土和岩石等非均匀介质、非线性材料性状、现场应力条件和材料性质的空间和时间变化、几何形状的任意性、不连续以及由地质学特征所引起的一些其它因素等复杂问题来说，解析方法所做假设过多，难以得出真实解。目前，伴随着计算机技术的飞速发展，各种数值计算方法也取得了长足进步并且发展得较为完善，可以利用计算机来解决这些复杂的问题。在地质体有关领域的数值方法应用，主要使用有限单元法（FEM）、有限差分法（FDM）、边界单元法（BEM）、离散单元法（DEM）等。
FLAC3D系列程序是由美国 ITASCA 咨询集团公司利用显式有限差分法原理开发的计算机应用软件。它利用了节点位移连续的条件，可以对连续介质进行非线性大变形分析，可以模拟六种不同本构关系的材料，可以模拟地应力场生成，边坡或地下工程的开挖，混凝土衬砌、锚杆（锚索）设置、地下渗流等。高版本软件还可以对流变、热传导、动力、固流耦合等问题进行分析研究。
FLAC3D程序采用的是快速拉格朗日方法，它基于显式差分法来求解运动方程和动力方程。程序将计算区域内的介质划分为若干个二维单元，单元之间用结点相互连接。对结构某一个结点施加荷载之后，该结点的运动方程可以写成时间步长△t 的有限差分形式。在某一个微小的时段内，作用于该结点的荷载只对周围的若干结点（例如相邻结点）有影响。根据单元结点的速度变化和时段△t，程序可求出单元之间的相对位移，进而可以求出单元平均应变，根据单元材料的本构方程即可求出单元应力。随着时段的增长，这一过程将扩展到整个计算范围，直到边界。
2.2 数值计算模型
2.2.1 模型简化
为模拟地基承载力的实际工况，综合考虑到运算效率及计算精度，模型做以下简化：
1)考虑到旁侧堆载为对称堆载的形式，沿桥长方向取地基基础的一半进行分析。
2)在分析旁侧堆载对既有复合地基承载特性影响时，把复合地基简化为复合双层地基形式，建模时把桩土复合土层用一种复合材料来代替。
3)为简化分析，不考虑基础的埋深，只考虑堆载体形状、位置参数及土的重度，模拟沉陷区桥梁浅基础的地基承载力。
4)静水压力的存在对地基承载特性是有利的，为保守分析在建模时不考虑水的作用，而堆载填料采用浮容重。
5)忽略上部桥梁结构对地基承载特性影响，即只建下部地基土单元，采用在基底施加位移荷载，累加不平衡力的方法模拟加载情况。
2.2.2 模型几何参数
FLAC3D模型计算区域的选取直接关系到计算的效率及计算结果的准确性。计算区域的选取需要同时考虑两方面的因素：一、满足计算精度和计算的硬件要求，二、模型应尽可能小，以提高数值计算的效率。考虑堆载形式变化对地基承载力影响，建立三维实体模型进行分析。由于在桥体两侧对称堆载煤矸石后纵向和横向的对称性，沿桥长方向取桥梁地基二分之一作为计算区域，模型尺寸的确定以基础加载引起的塑性区及附加位移不足以影响模型边界为原则。
1)天然地基模型 根据试算的结果，确定地基土模型长 100m，宽 200m，高 100m，旁侧堆载后地基计算模型见图 2-3。在不同堆载设计工况下，计算模型在 y 方向都有一定的调整，基础底面及堆载加固区网格进行适当的加密。
2)复合地基模型 为与理论分析方法相一致，复合地基模型的建立根据复合双层地基理论，加固区以一种介于桩土之间复合材料代替，考虑到边界效应的影响，地基土模型长 100m，宽 200m，高 100m，地基加固区部分长 36m，宽 20m，深度为 15m，旁侧堆载后地基模型见图 2-4。在不同堆载设计工况下，计算模型在 y 方向都有一定的调整，基础底面及堆载加固区网格进行适当的加密。
3 旁侧堆载对地基承载特性影响规律研究 ......... 31
3.1 旁侧堆载对天然地基承载力影响规律 ............ 31
3.2 旁侧堆载对既有复合地基承载力的影响规律 .................. 42
3.3 本章小结 ................... 46
4 旁侧堆载地基承载力理论研究 ........................ 47
4.1 概述 ................... 47
4.2 规范法确定地基承载力 ........................... 48
5 工程应用 .................... 66
5.1 工程概况 ............ 66
5.2 工程地质概况 ................. 68
5 工程应用
本文首次提出将旁侧堆载法应用于采煤沉陷区地基加固，前文通过 FLAC3D数值计算和理论推导两种手段对采煤沉陷区框架桥旁侧堆载加固机理的研究，得到了旁侧堆载形式参数对天然地基和既有复合地基地基承载力影响规律、堆载量与地基承载力增量的关系式。可知旁侧堆载法对采煤沉陷区铁路桥地基加固治理有较好的适用性。
淮南矿区铁路桥的下沉量已达十余米，经历三阶段加固改造后，现南北方向沉降量达到 1.1m，现有常规的加固方法难以解决问题，本章将旁侧堆载法应用到该铁路桥加固治理中，结合上文中数值模拟优化设计研究成果，分别采用 FLAC3D数值计算和理论计算两种计算方法进行加固铁路桥地基初步设计及计算。
5.1 工程概况
某矿铁路桥作为煤炭运输的专用线，该桥是保证淮南矿区正常生产和运输的必要条件。于 1996 竣工、1997 年 3 月投入使用。该桥总长 72.2m，总宽 18.1m，由 18 个箱形框架组成，每个框架纵向长 12m，框架横向宽 6m（斜交α10°= )，框架总高 8m 或 9m。框架之间设 50mm沉降缝，原桥体平面图如图 5-1，立面图见图 5-2。
6 主要结论与展望
6.1 主要结论
本文提出将旁侧堆载法应用到采煤沉陷区框架桥地基加固中，并对其加固机理进行了研究。通过对天然地基和既有复合地基在旁侧堆载情况下，地基承载特性的理论分析和数值模型试验研究，得出了天然地基和既有复合地基地基承载力增量理论公式，并在数值模拟基础上提出了堆载高度的限定条件，结合堆载后地基承载力变化规律指导沉陷区桥梁地基加固设计。
具体结论如下：
1)本文将旁侧堆载法成功应用到淮南矿区济河桥加固治理中，设计计算结果表明加固区地基承载力提升近 5.4%，下卧层天然地基承载力提高约 14.9%。旁侧堆载法在采煤沉陷区桥梁地基加固治理中有较好的适用性，将应用于济河桥加固设计。
2)复合地基数值模拟结果和天然地基近似一致，根据改变煤矸石堆载体尺寸及位置参数得到堆载体的高度、顶宽、坡度及堆载距离对地基极限承载力的影响及它们之间相互作用效应的研究成果，可知影响地基加固效果主要因素为堆载高度，随着高度增加，基底附加应力增大，基底抗滑力矩增大，在堆载高度达到 6m 后对地基承载力的影响不明显。
3)堆载体的物理力学参数如粘聚力、内摩擦角，使其具有一定抗剪切破坏的能力，对加固后地基的承载特性有一定的影响。数值模拟计算结果表明煤矸石填料容重的作用效应较显著，增加容重直接影响到地表超载的大小，地基承载力的增加值与容重的增量近似成正比。地基承载力提高的幅度是以上堆载体各力学参数共同作用的结果，因此在堆载设计时应采用土质较好的材料。相对于土质材料，煤矸石对地基承载力提升幅度较高，在采煤沉陷区可优先采用煤矸石材料。
参考文献（略）