高速鐵路采空區(qū)群樁受力機(jī)理數(shù)值模擬

梁 鑫,程謙恭,楊 颋,李傳寶,黃太武

( 1.西南交通大學(xué), 成都 610031； 2.廣西科技大學(xué),柳州 545006； 3. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

高速鐵路采空區(qū)群樁受力機(jī)理數(shù)值模擬

梁 鑫1,2,程謙恭1,楊 颋1,李傳寶3,黃太武3

( 1.西南交通大學(xué), 成都 610031； 2.廣西科技大學(xué),柳州 545006； 3. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

對(duì)高速鐵路采空區(qū)橋梁群樁基礎(chǔ)的受力機(jī)理研究,目前還非常少見(jiàn)。以合肥至福州高速鐵路官山底特大橋采空區(qū)群樁基礎(chǔ)為原型,通過(guò)數(shù)值模擬獲得群樁受力規(guī)律。研究表明：隨著荷載增大,樁上部軸力變化明顯,樁身軸力沿深度逐漸減小,在采空巷道內(nèi)樁身軸力不變,所有樁均為端承摩擦樁；樁側(cè)摩阻力沿樁身先增大后減小,整個(gè)樁的側(cè)摩阻力分布重心下移,穿過(guò)采空區(qū)的樁側(cè)摩阻力分布重心比未穿越采空區(qū)的樁下移深度略深；承臺(tái)下中部的樁間土應(yīng)力要大于承臺(tái)邊角位置的樁間土應(yīng)力,隨著荷載增大,樁間土應(yīng)力增長(zhǎng)速率小于樁頂應(yīng)力,樁身開(kāi)始承擔(dān)更多荷載。

高速鐵路；采空區(qū)；群樁基礎(chǔ)；受力機(jī)理；數(shù)值模擬

目前已有多條普速鐵路穿越采空區(qū)的工程實(shí)例，并取得了一定的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)。高速鐵路線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)高，遇到大型采空區(qū)一般采取繞避措施；但對(duì)小型采空區(qū)完全繞避在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上并不是最優(yōu)選擇，采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?，小型采空區(qū)是完全可以安全通過(guò)的。高速鐵路采空區(qū)橋梁群樁基礎(chǔ)的研究成果較少，樁基設(shè)計(jì)中經(jīng)驗(yàn)比重較大。樁受力研究最為可靠的方式是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，但資金投入巨大和時(shí)間較長(zhǎng)，不能大量采用，而數(shù)值模擬方法能低投入、快速、完整地模擬實(shí)際復(fù)雜情況，可以彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究的不足[1]。合肥至福州客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，經(jīng)過(guò)安徽省、江西省，福建省，線(xiàn)路通過(guò)的上饒段采空區(qū)主要以小型煤礦采空區(qū)為主，橋梁下伏采空區(qū)以群樁為主要處理措施，以官山底特大橋采空區(qū)橋基為原型，對(duì)其受力機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 工程概況

官山底特大橋位于江西省上饒市四十八鎮(zhèn)與應(yīng)家鄉(xiāng)境內(nèi)，橋址起訖里程為DK497+695.75～DK499+885.26，橋梁結(jié)構(gòu)形式為簡(jiǎn)支梁。62號(hào)橋墩群樁基礎(chǔ)，里程DK499+682.28；承臺(tái)沿橋順?lè)较蜷L(zhǎng)9 m，橫向?qū)?2.6 m，高2.5 m；樁徑1.25 m，橫向樁間距為3.4 m，縱向樁間距為3.3 m，樁長(zhǎng)均為49.5 m，共11根樁。采空巷道頂板深度為26 m，采空巷道延伸方向與鐵路走向呈90°角，其底板寬3.3 m，底板中心距離頂板高度為3 m。承臺(tái)平面見(jiàn)圖1(a)。

基礎(chǔ)地層主要有4層，從上到下依次是：(1)素填土；(2)全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖，設(shè)計(jì)承載力為σ0=200 kPa；(3)強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖，設(shè)計(jì)承載力為σ0=350 kPa；(4)弱風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖，設(shè)計(jì)承載力為σ0=500 kPa。地層和采空巷道情況見(jiàn)圖1(b)和圖1(c)。

2 模型建立及計(jì)算

2.1 模型參數(shù)

采用FLAC3D軟件數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。模型計(jì)算深度取80 m，橫向?qū)挾葹?0 m，縱向?qū)挾热?0 m。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)邊界設(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。

承臺(tái)采用各向同性彈性本構(gòu)模型，材料參數(shù)有密度、體積模量、剪切模量；地層采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，材料參數(shù)有密度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、體積模量、剪切模量。根據(jù)官山底特大橋工程地質(zhì)勘察報(bào)告和鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[2]確定承臺(tái)下地層的巖土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

樁單元采用FLAC3D自帶的樁單元模型，樁單元尺寸按實(shí)際尺寸建立，其他參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[3-4]選取。樁單元穿過(guò)了不同的土層，因此需要對(duì)不同地層的樁賦予相應(yīng)的參數(shù)，參數(shù)的正確性是影響數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素之一，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建議[5-6]cs_scoh(剪切耦合彈簧的內(nèi)聚力)取值采用公式(1)，cs_sfric(剪切耦合彈簧的摩擦角)取值采用公式(2)，cs_sk(剪切耦合彈簧的剛度)的取值采用公式(3)

式中,c為土體黏聚力，p為樁周長(zhǎng)。

式中，φ為土體的內(nèi)摩擦角。

式中，k為土壓力系數(shù)；γ為土體的重度，N/m3；z為計(jì)算處樁的平均入土深度，m；φ為土體的摩擦角，(°)。

樁單元所有參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算流程

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)。

完成初始地應(yīng)力場(chǎng)的生成以后，進(jìn)行樁單元的生成。由于部分樁單元穿過(guò)采空巷道，并且經(jīng)過(guò)了不同的土層，所以對(duì)同一編號(hào)樁基礎(chǔ)進(jìn)行分段生成，根據(jù)土層參數(shù)對(duì)其分別賦值，賦值完成在節(jié)點(diǎn)相連合并為一根樁。完成樁的建立后，在承臺(tái)墩部對(duì)應(yīng)位置施加荷載，荷載分為5級(jí)，前一級(jí)荷載施加計(jì)算完成后在此基礎(chǔ)上再施加下一級(jí)荷載，依次用solve命令計(jì)算至平衡狀態(tài)，提取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。承臺(tái)上部荷載主要由墩身自重、梁自重以及列車(chē)荷載[7]組成，施加于承臺(tái)墩身作用截面。為了研究基礎(chǔ)的受力特征，荷載分為5次加載，荷載分級(jí)見(jiàn)表4。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分為3類(lèi)，分別為樁頂應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)、樁間土應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)和樁身軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。采用FLAC3D軟件的hist命令進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

(1)Z1～Z4為樁頂應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其位置分別對(duì)應(yīng)1、2、5、6號(hào)樁的樁頂，如圖3(a)所示，因群樁樁位和荷載均為對(duì)稱(chēng)布置，這4根樁的受力特征能代表整個(gè)群樁中所有樁的受力特征；

(2)T1～T4為樁間土應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，T1、T3位于兩樁之間，T2、T4位于三樁之間，如圖3(a)所示；

(3)沿1、2、5號(hào)和6號(hào)樁樁身布置軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3(b)、圖3(c)所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 樁身軸力

圖4為1、2、5、6號(hào)樁的樁身軸力隨深度變化曲線(xiàn)。其中1、2號(hào)樁是未穿過(guò)采空巷道的樁，5、6號(hào)樁是穿過(guò)采空巷道的樁。由圖可以看出，樁身軸力從樁頂?shù)綐兜?，隨著深度的增加而逐漸減小。荷載較小的時(shí)候，樁身軸力也較小，隨著荷載的增大，樁身軸力也逐漸增大，特別是在樁頂變化明顯，樁底軸力變化相對(duì)較小。1號(hào)樁未穿過(guò)采空巷道，第5次加載后，從樁頂?shù)?8.5 m處，軸力隨深度從1 610 kN減小到1 140 kN，樁身軸力衰減較快；從28.5 m到樁底，軸力隨深度繼續(xù)減小，其樁底部軸力為597 kN，但是軸力衰減相對(duì)減慢，這表明由于樁土相對(duì)位移減小，樁側(cè)摩阻力也在減小。5號(hào)樁穿過(guò)采空巷道，第5次加載后，從樁頂?shù)?6 m處，軸力隨深度從1 818.27 kN減小到1 342.82 kN，樁身軸力衰減較快，該段隨著荷載增大，樁土間產(chǎn)生相對(duì)位移的趨勢(shì)也在增大，所以側(cè)摩阻力逐漸增大，因此樁身軸力逐漸減??；29～32 m由于處于采空巷道段，該段軸力不變?yōu)? 217.38 kN，之后軸力隨深度繼續(xù)減小，其樁底部軸力為599.58 kN，但是軸力衰減相對(duì)減慢。6號(hào)樁也穿過(guò)采空巷道，受力情況與5號(hào)樁相似。在第5次加載后，4根樁的荷載分布和樁類(lèi)型如表5所示，4根樁均以側(cè)摩阻力為主，為端承摩擦樁，2、5號(hào)和6號(hào)樁樁頂荷載十分接近，1號(hào)樁處于角樁位置，荷載較小。

3.2 樁側(cè)摩阻力

圖5為樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線(xiàn)。由圖可以看出，樁側(cè)摩阻力從樁頂?shù)綐兜紫仍龃蠛鬁p小。荷載較小的時(shí)候，由于樁身軸力較小，側(cè)摩阻力變化不明顯，隨著荷載的增大，樁身軸力逐漸增大，側(cè)摩阻力也隨之增大。樁底端軸力較小，側(cè)摩阻力較小。1號(hào)樁未穿過(guò)采空巷道，第5次加載時(shí)，側(cè)摩阻力從深度2.5～25.5 m呈上升趨勢(shì)，該段側(cè)摩阻力從2.90 kPa增大到6.64 kPa，變化明顯；側(cè)摩阻力在25.5～28.5 m段達(dá)到最大為9.34 kPa；從28.5 m到樁底端，側(cè)摩阻力逐漸減小。2號(hào)樁與1號(hào)樁受力情況相似。5號(hào)樁穿過(guò)采空巷道，在第5次加載時(shí)，側(cè)摩阻力從深度2.5～26 m，逐漸增大，該段側(cè)摩阻力從3.3 kPa增大到8.85 kPa，因?yàn)殡S深度增加，樁土相對(duì)位移較大，側(cè)摩阻力變化愈加明顯。采空巷道段(26～29 m)樁側(cè)摩阻力為零，側(cè)摩阻力在29～32.5 m處達(dá)到最大為10.65 kPa。從32.5 m到樁底端，側(cè)摩阻力逐漸減小。6號(hào)樁穿過(guò)采空巷道，受力情況與5號(hào)樁相似。本工點(diǎn)承臺(tái)為低承臺(tái)，荷載作用下承臺(tái)下樁間土受力，較淺地層發(fā)生了較大沉降，減小了較淺處地層的樁土相對(duì)位移，樁上部側(cè)摩阻力未得到很好發(fā)揮，整個(gè)樁的側(cè)摩阻力分布重心下移[8，9]，2、5號(hào)和6號(hào)樁第5次加載時(shí)樁頂荷載基本一致，處于采空區(qū)位置的5號(hào)和6號(hào)樁側(cè)摩阻力分布重心在30～35 m，比未穿越采空區(qū)的1號(hào)樁深5 m左右(25～30 m)，原因?yàn)椴煽諈^(qū)頂板在樁側(cè)摩阻力下拉作用和樁間土應(yīng)力作用下變形比其他樁土層更大，較大的沉降減小了樁土相對(duì)位移量，限制了淺層地基側(cè)摩阻力的發(fā)揮。

3.3 樁間土應(yīng)力與樁頂應(yīng)力

圖6為樁間土應(yīng)力隨荷載變化曲線(xiàn)，圖7為樁頂應(yīng)力隨荷載變化曲線(xiàn)。由圖6可以看出，隨著荷載的增大，樁間土應(yīng)力也逐漸增大。兩樁之間和三樁之間的土應(yīng)力隨荷載增加而增加，且增加速率大致相同，T2、T4兩點(diǎn)位于三樁之間，樁間土應(yīng)力分別為161.26 kPa 和220.45 kPa 。T1、T3位于兩樁之間，由于T3靠近承臺(tái)中心，受力較大，所以應(yīng)力略大，樁間土應(yīng)力為172.24 kPa ；T1離承臺(tái)中心較遠(yuǎn)，所以應(yīng)力略小于其他三點(diǎn)，其樁間土應(yīng)力為133.09 kPa。由于荷載主要施加在中心，所以承臺(tái)下中部的樁間土應(yīng)力要大于承臺(tái)下邊角位置的樁間土應(yīng)力。

由圖7可以看出，隨著荷載的增大，樁頂應(yīng)力逐漸增大。前3次加載后4根樁樁頂應(yīng)力基本一樣，后2次加載處于角樁位置的1號(hào)樁樁頂應(yīng)力明顯的要小于其他3根樁。

樁土應(yīng)力比為樁頂應(yīng)力與樁間土應(yīng)力的比值。圖8為樁土應(yīng)力比變化曲線(xiàn)。本文把4個(gè)樁間土應(yīng)力的平均值作為該圖的樁間土應(yīng)力，把4個(gè)樁頂應(yīng)力平均值作為該圖的樁頂應(yīng)力。由圖8可以看出，樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力相差比較大，隨著荷載的增加，樁土應(yīng)力比從2.6左右增加到9.0左右，說(shuō)明樁頂應(yīng)力比樁間土應(yīng)力增長(zhǎng)要快，樁身開(kāi)始承擔(dān)更多的荷載。

3.4 樁荷載分擔(dān)比

表6為樁荷載分擔(dān)比。圖9為樁荷載分擔(dān)比變化曲線(xiàn)。樁荷載分擔(dān)比為樁承擔(dān)的荷載與總荷載的比值。由圖9可以看出，隨著荷載的增加，樁身所承擔(dān)的荷載逐漸增加。在第1次加載的時(shí)候，樁身承擔(dān)荷載占總荷載的25.4%，隨著荷載的增加，在第5次加載后，樁身應(yīng)力逐漸增大，樁身承擔(dān)荷載占總荷載的52.0%，建議在此類(lèi)樁基設(shè)計(jì)中可適當(dāng)?shù)乜紤]承臺(tái)下樁間土分擔(dān)荷載的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)官山底特大橋橋梁群樁基礎(chǔ)的數(shù)值模擬研究，得出了荷載作用下采空區(qū)群樁受力機(jī)理，主要結(jié)論如下。

(1)樁身軸力隨著荷載的增大而增大，樁上部軸力變化明顯，樁身軸力沿深度逐漸減小，在采空巷道內(nèi)樁身軸力不變，所有樁均以側(cè)摩阻力為主，類(lèi)型為端承摩擦樁。

(2)樁側(cè)摩阻力沿樁身先增大后減小。穿過(guò)采空巷道的樁，在該段側(cè)摩阻力為零，整個(gè)樁的側(cè)摩阻力分布重心下移，穿過(guò)采空區(qū)的樁側(cè)摩阻力分布重心比未穿越采空區(qū)的樁下移深度略深。

(3)樁間土、樁頂應(yīng)力隨著荷載的增大而增大，承臺(tái)下中部的樁間土應(yīng)力要大于承臺(tái)底邊角位置的樁間土應(yīng)力，荷載較小時(shí)樁頂應(yīng)力基本一致，加載后期角樁位置樁頂應(yīng)力最小。

(4)隨著荷載增大，樁間土應(yīng)力增長(zhǎng)速率小于樁頂應(yīng)力，樁身開(kāi)始承擔(dān)更多荷載，樁荷載分擔(dān)比也因此逐漸增大。此類(lèi)樁基設(shè)計(jì)中可適當(dāng)?shù)乜紤]承臺(tái)下樁間土分擔(dān)荷載的作用。

本次數(shù)值模擬的采空區(qū)正好處于基礎(chǔ)正下方，從受力和均勻沉降來(lái)說(shuō)對(duì)工程是有利的。眾多工程中采空區(qū)的位置和群樁布置[10-12]是多種多樣的，今后可以開(kāi)展多種工況下的研究，使采空區(qū)群樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論形成一個(gè)完整的體系，更好地為工程服務(wù)。

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NumericalSimulationonMechanicalMechanismofPile-GroupFoundationofHigh-speedRailwayinGoafArea

LIANG Xin1, 2, CHENG Qian-gong1, YANG Ting1, LI Chuan-bao3, HUANG Tai-wu3

(1.Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.Faculty of Civil Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China;3.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

The aim of this paper was to study the mechanical mechanism of bridge pile-group foundation of high-speed railway in goaf area, while a study of this kind still remains very rare at present. In this paper, the pile-group foundation of Guanshandi super-major bridge on Hefei-Fuzhou high-speed railway was taken as the example, and then the mechanical behavior of the pile-group foundation was revealed by the use of numerical simulation. The research result shows: (a) With the increasing of load, the pile-shaft axial force obviously changes at the upper part of the pile, gradually decreases along the pile shaft towards the bottom, and remains the same within the range of goaf roadway; all the piles are of end-bearing friction pile. (b) The pile side friction increases at first and then decreases along the pile shaft, and the distribution centroid of the pile side friction of the whole pile lowers down; the distribution centroid of the pile side friction of the piles passing through the goaf area is deeper than that of piles not passing through the goaf area. (c) The soil stress between piles below the bearing platform at the center place is larger than that at the edge places; and with the increasing of load, the increment rate of soil stress between piles is slower than that of pile top stress, that is to say, the pile top begins to bear a larger proportion of load.

high-speed railway; goaf area; pile-group foundation; mechanical mechanism; numerical simulation

2013-08-19；

：2013-09-14

鐵四院科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題(2010K31)

梁 鑫(1979—)，男，講師，博士研究生，E-mail：liangxin819@126.com。

1004-2954(2014)05-0049-06

U238； U443.15

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.05.012