高速鐵路采空巷道樁板路基受力機(jī)理數(shù)值分析

[摘 要] 文章以合福高速鐵路采空巷道上方車站路基為研究對(duì)象，對(duì)采空巷道路基樁板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)受力機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬，分析結(jié)構(gòu)在不同工況下受力規(guī)律，為采空巷道上方樁板路基內(nèi)力分析提供依據(jù)。研究表明，該基礎(chǔ)能較好滿足采空區(qū)路基加固要求，完善高速鐵路采空區(qū)加固地基的理論，具有一定理論價(jià)值。

[關(guān)鍵詞] 高速鐵路；采空巷道；樁板基礎(chǔ)；受力機(jī)理

[作者簡(jiǎn)介] 魯濤濤，中鐵十九局集團(tuán)有限公司助理工程師，研究方向：鐵路施工技術(shù)，遼寧 大連，116100

[中圖分類號(hào)] TU41 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-7723（2013）05-0025-0005

目前采空區(qū)對(duì)鐵路項(xiàng)目建設(shè)影響越來(lái)越大，對(duì)采空區(qū)的研究成果也逐漸增多[1]。樁板結(jié)構(gòu)已成功運(yùn)用于京津[2]、京滬[3]高鐵軟土路基、鄭西[4]高鐵濕陷性黃土路基、遂渝[5]高鐵川東紅土路基等高速鐵路，但采用樁板結(jié)構(gòu)對(duì)下伏采空區(qū)地基的處理尚屬于較新穎的研究課題，現(xiàn)有研究成果極少，如何對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理及結(jié)構(gòu)受力機(jī)理課題仍然需要做大量的研究。本文對(duì)合福高鐵上饒段五府山車站采空區(qū)上方樁板路基進(jìn)行研究，分析其受力機(jī)理，為今后樁板結(jié)構(gòu)處理下伏采空區(qū)路基提供理論依據(jù)。

一、工程概況

五府山車站（DK499+763.83～DK500+835.00）位于上饒縣城正南37km處四十八鎮(zhèn)，為無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)，共有四股軌道。該車站位于北山村小學(xué)右側(cè)的山坡上，前（福州方向）接官山底特大橋，后（合肥方向）接四十八鎮(zhèn)1#大橋，為橋橋過(guò)渡段。路基采用C35混凝土灌注樁和C35鋼筋混凝土承載板加固，人工挖孔灌注樁直徑1.0m，樁間距5.0m，樁長(zhǎng)12.0～25.0m。承載板結(jié)構(gòu)采用C35鋼筋混凝土，厚1.2m。承載板以上路堤填土采用的是摻3%水泥的級(jí)配碎石。

五府山車站段采空區(qū)，為民國(guó)及20世紀(jì)80年代采煤形成，主要為采空巷道、風(fēng)井。DK499+940斷面左側(cè)埋深10.5～12.5m，中部埋深19.8～22.6m為采空巷道，采空巷道的高度分別為2.0m、2.8m。地層從上至下主要有全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、弱風(fēng)化灰?guī)r三層，采空巷道位于弱風(fēng)化灰?guī)r層。地層、采空區(qū)及灌注樁位置示意圖如圖1（a）所示，圖1（a）中灌注樁編號(hào)從左至右依此為1～7號(hào)，長(zhǎng)度依次為12m、20m、25m、24m、25m、25m、25m，斷面路堤填高3.0m，路基頂面寬26m，路基底面寬35m，邊坡坡率1∶1.5。灌注樁平面布置示意圖如圖1（b）。

二、模型建立及計(jì)算

本文采用FLAC3D軟件數(shù)值模擬。模型邊界取線路橫截面方向?qū)?05m，承載板以下深度取60m，線路方向以DK499+940斷面為中心前后延伸12.5m（共25m）；對(duì)模型底面邊界設(shè)置X、Y、Z三個(gè)方向的約束，即固定支座約束；左右和前后兩側(cè)設(shè)置水平約束，豎向無(wú)約束，即豎向滑動(dòng)支座約束；上部則是自由邊界。計(jì)算模型如圖2所示。承載板采用彈性本構(gòu)模型，巖土體采用Mohr -Coulomb本構(gòu)模型。根據(jù)五府山車站工程地質(zhì)勘察報(bào)告[6]和鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[7]得到數(shù)值計(jì)算所需的各層巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。樁單元采用FLAC3D的Pile樁單元模型[8][9]。路基高度為3m，采用分層填筑施工，每層填筑高度為1m。按施工工況將荷載分為3級(jí)，板樁結(jié)構(gòu)+第一層填土為第一級(jí)荷載，填土高度2m時(shí)為第二級(jí)荷載，3m完成時(shí)為第三級(jí)荷載。

在FLAC3D的地層模型建立好以后，為相應(yīng)模型賦予正確的參數(shù)，然后對(duì)其邊界進(jìn)行約束以后，在自重力作用下進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)的生成，用solve命令計(jì)算至平衡狀態(tài)。然后按工況進(jìn)行加載計(jì)算，共三次，每次計(jì)算均在前一級(jí)計(jì)算完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

三、樁體受力研究結(jié)果與分析

（一）樁身軸力

本文選取了監(jiān)測(cè)斷面的1號(hào)、4號(hào)和7號(hào)樁作為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)樁位置示意圖如圖3，其中1號(hào)和4號(hào)樁穿過(guò)采空巷道。

圖4為監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)樁樁身軸力沿深度變化曲線。

從圖中可以看出：

（1）在不同填筑荷載作用下，軸力沿樁身呈非線性分布，軸力總體趨勢(shì)呈上大下小，而且隨著荷載的增加軸力沿樁身整體增大。

（2）對(duì)于穿過(guò)采空巷道的樁身軸力的變化可以分為上、中、下三段。上段樁身軸力傳遞較快，主要是因?yàn)闃锻料鄬?duì)位移較大，側(cè)摩阻力較高；中段位樁身軸力衰減較慢，表明樁側(cè)摩阻力在減小，原因是樁土相對(duì)位移減?。辉诓煽障锏酪?yàn)闆]有樁側(cè)摩阻力，所以軸力保持不變；下段位于采空巷道底板以下范圍，該段軸力繼續(xù)減小，但減小幅度小于上、中段，說(shuō)明該段側(cè)摩阻力要小于上、中段側(cè)摩阻力。

（3）對(duì)于未穿過(guò)采空巷道的樁身軸力的變化可以分為上、下兩段。7號(hào)樁上段軸力傳遞較快，這主要是由于樁土相對(duì)位移較大，側(cè)摩阻力較高，且隨深度增加而增加；下段軸力衰減相對(duì)較慢，樁側(cè)摩阻力的受力機(jī)理是上部側(cè)摩阻力先發(fā)揮，下部側(cè)摩阻力后發(fā)揮，隨著荷載的增大下部側(cè)摩阻力也在逐漸增大。

（4）由圖還可以看出樁頂荷載是逐漸從上向下傳遞的，上部軸力大、下部軸力小，減少的軸力為側(cè)摩阻力所分擔(dān)，而且隨著荷載的增大，樁端力也在逐漸增大。1號(hào)樁的受力特性為摩擦端承樁，以端承力為主；4號(hào)樁、7號(hào)樁為端承摩擦樁，以側(cè)摩阻力為主。樁端阻力占樁頂荷載的具體比例及樁的類型分別見表2。

（二）樁側(cè)摩阻力

各樁段側(cè)摩阻力可根據(jù)實(shí)測(cè)的軸力計(jì)算得到，圖5為在填筑荷載作用下樁側(cè)摩阻力沿深度變化曲線，由圖5可知：

（1）樁側(cè)摩阻力隨著荷載的增加而增大，而且增幅也隨荷載的增加而增大[10]。

（2）對(duì)于穿過(guò)采空巷道的樁身側(cè)摩阻力沿深度的變化可以分為上、中、下三段。上段為側(cè)摩阻力從小變大，中段為側(cè)摩阻力從最大值逐漸減小，到達(dá)采空巷道時(shí)突然變?yōu)榱恪?/p>

（3）對(duì)于沒有穿過(guò)采空巷道的樁，樁側(cè)摩阻力沿深度的變化可以分為上、下兩段。上段為樁身側(cè)摩阻力從小變大，下段為樁身側(cè)摩阻力從大變小。樁身上部的側(cè)摩阻力先發(fā)揮、下部的側(cè)摩阻力后發(fā)揮。

（三）樁間土應(yīng)力

樁間土應(yīng)力和樁頂應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示，T1～T6為樁間土應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，Z1和Z2為樁頂應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)； T1、T2和T6位于兩樁之間，T3、T4和T5位于四樁之間。

圖7為樁間土應(yīng)力隨填土高度變化曲線，從圖中可以看出：

（1）與路堤填筑荷載相對(duì)應(yīng)，樁間土應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出明顯的階梯狀變化，在填筑施工期，樁間土壓應(yīng)力增長(zhǎng)較快。

（2）在同一橫剖面處，四樁中心樁間土應(yīng)力與兩樁中心樁間土應(yīng)力相差很小，四樁中心樁間土應(yīng)力略微小于兩樁中心樁間土應(yīng)力，表現(xiàn)在曲線上為四樁中心樁間土應(yīng)力曲線與兩樁中心應(yīng)力曲線基本重合。這與樁間土沉降的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，表明承載板作為一個(gè)剛度較大板，在荷載作用下承載板沉降較為均勻，同一橫剖面沉降量相同。

（3）距離路基中心近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁間土應(yīng)力大，距離路基中心遠(yuǎn)的樁間土應(yīng)力小。

（4）從圖中還可以看出，樁間土應(yīng)力隨著填筑荷載的施加增加的幅度越來(lái)越小，從側(cè)面反映出樁承擔(dān)的荷載在增加而且幅度越來(lái)越大。

（四）樁頂應(yīng)力

Z1和Z2為1號(hào)和4號(hào)樁樁頂應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如圖6），圖7為樁頂應(yīng)力隨填土高度變化曲線，從圖中可以看出：

（1）樁頂應(yīng)力曲線隨填土高度的變化趨勢(shì)與樁間土應(yīng)力曲線隨填土高度的變化趨勢(shì)是相同的，同樣是隨著填土高度的增加樁頂應(yīng)力增大，Z2監(jiān)測(cè)點(diǎn)在第一級(jí)、第二級(jí)、第三級(jí)填筑荷載作用下樁頂應(yīng)力分別為166kPa、491kPa、840 kPa，可以看出隨著荷載的增大樁頂應(yīng)力也在增大。

（2）隨著填土高度的增加，樁頂應(yīng)力的增幅是不斷增大的，這也說(shuō)明了樁分擔(dān)總荷載的比重在增大。

（五）荷載分擔(dān)比

樁土荷載分擔(dān)比是樁土承擔(dān)的荷載與總荷載的比值。圖8為樁土荷載分擔(dān)比隨荷載增加的變化曲線。由圖8可以看出：

（1）隨著總荷載的增加，樁分擔(dān)的比例有所增加，樁間土分擔(dān)的比例有所減小。隨著荷載的增加樁分擔(dān)的比例從0增大47%。

（2）從曲線上可以看出，樁分擔(dān)比例的曲線為一上凸的曲線，而且隨著荷載的增大曲線接近為水平直線，說(shuō)明樁分擔(dān)比例的增大幅度越來(lái)越小，直至達(dá)到一穩(wěn)定值。樁間土分擔(dān)比例的曲線為一下凹的曲線，隨著荷載的增大樁間土分擔(dān)的比例在減小，直至達(dá)到一穩(wěn)定值。最終二者分擔(dān)荷載的比例都趨于穩(wěn)定在50%。

四、結(jié) 論

通過(guò)對(duì)五府山車站板樁路基三維數(shù)值進(jìn)行模擬，得出樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、樁間土應(yīng)力、樁頂應(yīng)力和荷載分擔(dān)比等規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1. 不同填筑荷載作用下，軸力沿樁身呈非線性分布，即軸力不是隨深度直線分布，而是有轉(zhuǎn)折點(diǎn)，軸力總體趨勢(shì)呈上大下小，在采空巷道范圍內(nèi)軸力保持不變。

2. 樁身側(cè)摩阻力沿樁身分布總體呈先增大后減小，有采空巷道處樁側(cè)摩阻力為零。

3. 在填筑荷載初期，樁頂和樁間土應(yīng)力都增長(zhǎng)得十分快，但樁頂應(yīng)力增長(zhǎng)的速率要大于樁間土應(yīng)力增長(zhǎng)的速率；樁頂和樁間土應(yīng)力曲線在路基填筑荷載作用下同樣具有明顯的階梯狀。

4. 樁土應(yīng)力比是由樁頂應(yīng)力除以樁間土應(yīng)力得出，樁土應(yīng)力比隨著荷載的增加而增大但最終趨于一穩(wěn)定值；樁土荷載分擔(dān)比，隨著總荷載的增大，樁分擔(dān)的比例逐漸增大，土分擔(dān)的比例逐漸減小，最后樁土荷載分擔(dān)比例達(dá)到一定值。二者分擔(dān)荷載的比例都趨于穩(wěn)定在50%。

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