高速鐵路采空區(qū)橋基沉降變形數(shù)值模擬分析

黃太武

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

高速鐵路采空區(qū)橋基沉降變形數(shù)值模擬分析

黃太武

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

通過對采空區(qū)橋梁群樁基礎沉降進行數(shù)值模擬，分析采空區(qū)樁基在荷載作用下變形過程及特點，揭示不同工況下的基礎變形規(guī)律。研究結果表明，基礎沉降滿足規(guī)范要求，沉降主要集中在淺層土地層中;樁間土與樁頂沉降均勻;采空巷道頂板的沉降與地基其他部位沉降基本一致，樁基能夠有效限制采空巷道頂板的變形。

高速鐵路;采空區(qū);群樁基礎;數(shù)值模擬;沉降

目前已有多條普通鐵路穿越采空區(qū)的工程實例，并取得了一定量的設計施工經驗。高速鐵路線路標準高，沉降要求極為嚴格，對大型采空區(qū)一般采取繞避措施;但對小型采空區(qū)完全繞避在技術和經濟上并不是最優(yōu)選擇，采用適當?shù)墓こ檀胧?，小型采空區(qū)是完全可以安全通過的。高速鐵路在軟土沉降研究方面已取得了大量的成果，但在采空區(qū)沉降的研究方面研究極少，成果主要為線路選線研究。工程處理采空區(qū)路段現(xiàn)在還多以普通鐵路經驗為主，對高速鐵路采空區(qū)橋梁群樁基礎的沉降研究顯得較為迫切。沉降研究最為可靠的方式是現(xiàn)場監(jiān)測，但該方式無法完整地反映采空區(qū)群樁基礎沉降的規(guī)律，而數(shù)值模擬方法能較完整地模擬實際復雜情況，可以彌補現(xiàn)場監(jiān)測研究的不足［1］。合肥至福州高速鐵路設計時速350 km，經過安徽省、江西省，福建省。線路通過的上饒段采空區(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，本次研究以官山底特大橋采空區(qū)橋基為原型，對其沉降機理進行數(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)與應家鄉(xiāng)境內，橋址起訖里程為 DK497+695.75～DK499+885.26，橋梁結構形式為簡支梁。62號橋梁基礎，里程DK499+682.28;承臺沿順橋方向長9 m，橫向寬12.6m，高2.5m;樁徑1.25m，橫向樁間距為3.4m，縱向樁間距為3.3 m，樁長均為49.5 m，共11根樁。采空巷道頂板深度為26m，采空巷道延伸方向與鐵路走向呈90°角，其底板寬3.3m，底板中心距離頂板高度為3m。承臺平面見圖1(a)。

基礎地層主要有4層，從上到下依次是:(1)素填土;(2)全風化炭質頁巖;(3)強風化炭質頁巖;(4)弱風化炭質頁巖。地層和采空巷道情況見圖1(b)和圖1(c)。

圖1 橋梁基礎與地層示意(單位:m)

2 模型建立及計算

2.1 模型參數(shù)

本文采用FLAC3D軟件數(shù)值模擬，數(shù)值計算模型如圖2所示。模型計算深度取80m，橫向寬度為80m，縱向寬度取70m。對模型底面邊界設置X、Y、Z三個方向的約束，即固定支座約束，左右和前后兩側邊界設置水平約束，豎向無約束，即豎向滑動支座約束;上部則是自由邊界。

圖2 橋梁基礎FLAC3D模型

承臺采用各向同性彈性本構模型，材料參數(shù)有密度、體積模量K、剪切模量G;地層采用摩爾－庫倫彈塑性本構模型，材料參數(shù)有密度、黏聚力c、內摩擦角φ、體積模量K、剪切模量G。根據官山底特大橋工程地質勘察報告［2］和鐵路工程地質手冊［3］確定承臺下地層的巖土力學參數(shù)見表1。

樁單元采用FLAC3D自帶的樁單元模型，樁單元尺寸按實際尺寸建立，其他參數(shù)根據文獻［4，5］選取。樁單元穿過了不同的土層，因此需要對不同地層的樁賦予相應的參數(shù)，參數(shù)的正確性是影響數(shù)值模擬結果準確性的主要因素之一，根據經驗建議［6－7］cs_scoh(剪切耦合彈簧的黏聚力)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)

表1 地層巖土力學參數(shù)

式中，c為土體黏聚力;p為樁周長。

式中，φ為土體的內摩擦角。

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

樁單元參數(shù)見表2、表3。

2.2 數(shù)值模擬計算流程

在FLAC3D的地層模型建立好以后，為相應模型賦予正確的參數(shù)，然后對其邊界進行約束以后，在自重力作用下進行初始地應力場的生成，用solve命令計算至平衡狀態(tài)。

完成初始地應力場的生成以后，進行樁單元的生成。由于部分樁單元穿過采空巷道，并且經過了不同的土層，所以對同一編號樁基礎進行分段生成，根據土層參數(shù)對其分別賦值，賦值完成在節(jié)點相連合并為一根樁。完成樁的建立后，在承臺頂部對應位置施加均布荷載，荷載分為5級，前一級荷載施加計算完成后在此基礎上再施加下一級荷載，依次用solve命令計算至平衡狀態(tài)，提取相關數(shù)據進行分析。承臺上部荷載主要由墩身自重，簡支梁連續(xù)梁，以及列車荷載組成，以均布荷載形式施加于承臺墩身作用截面。為了研究基礎的沉降過程，荷載分為5次加載，荷載分級見表4。

表2 樁單元參數(shù)選取

表3 各個巖土層樁單元參數(shù)

表4 承臺加載荷載等級

2.3 監(jiān)測點的設置

基礎沉降監(jiān)測點分為5類，分別為樁頂沉降監(jiān)測點、樁間土沉降監(jiān)測點、承臺頂部沉降監(jiān)測點、采空巷道頂板沉降監(jiān)測點和地層沉降監(jiān)測點。采用FLAC3D軟件的hist命令進行監(jiān)測并記錄，監(jiān)測點布置如圖3所示。

(1)Z1～Z4為樁頂沉降監(jiān)測點，其位置分別對應1、2、5、6 號樁的樁頂，如圖 3(a)所示;

(2)T1～T4為樁間土沉降監(jiān)測點，T1、T3位于兩樁之間，T2、T4位于三樁之間，如圖3(a)所示;

(3)J1為承臺頂部沉降監(jiān)測點，位于承臺表面中心，如圖3(b)所示;

(4)J2～J4為采空巷道頂板沉降監(jiān)測點，采空巷道頂板深度為26m，頂板位置及頂板以上2m和4m分別設置監(jiān)測點，如圖3(b)所示;

(5)在兩樁(1號樁和2號樁)中心從上至下不同位置的地層中設置地層沉降監(jiān)測點，深度0～10m每2.5m設置1個監(jiān)測點，從10～52m每3m設置1個監(jiān)測點，如圖3(c)所示。

3 沉降變形結果與分析

3.1 地基最終沉降

圖4為地基最終沉降的等值線圖。從圖4可以看出，地層上部沉降等值線比較密集，變化比較快，承臺

圖4 地基最終沉降等值線(單位:mm)

上表面沉降量最大為9.9mm，隨著地層深度的增大，沉降量逐漸減小;采空巷道的深度為26 m，傳遞到該位置的附加荷載比較小且采空區(qū)處于承臺正下方，巷道頂板沉降量為0.9mm，比同一深度地層的沉降量稍大，但程度不明顯。

3.2 沉降隨荷載增大的變化規(guī)律

圖5為地層同一深度處，沉降隨荷載和計算步數(shù)的增加而變化的曲線。

從圖5可以看出，地層在多級荷載作用下沉降在不斷增加。以深度2.5m地層為例，5次加載中地層沉降值分別為 1.125、3.721、5.314、8.019 mm 和9.465mm，在荷載作用下，地層沉降速率曲線較為平緩，沒有出現(xiàn)明顯的拐點。深度超過5m后，地層沉降變化緩慢，如深度5m地層在5次加載后沉降量僅為2.248mm，深度13.5m為1.672mm，深度46.5m沉降幾乎為零。地層的深度與沉降成反比，同一荷載下，越淺的地層沉降越大，越深的地層沉降越小，即深地層的沉降量小于淺地層的沉降量。

圖5 不同深度地層沉降隨荷載的變化曲線

3.3 沉降隨深度的變化規(guī)律

圖6為基礎在不同荷載下，沉降隨地層深度增加而變化的曲線。從圖6中可以看出，淺地層的沉降最大，隨著深度的增大，沉降量逐漸減小。墩臺的沉降都主要集中在深度較小的素填土地層中。0～6.5m為素填土和全風化炭質頁巖，沉降也主要集中在該段地層，往下為強風化炭質頁巖，下部地層相對上部地層，其承載力相對較高且附加應力更小，所以沉降沒有上部地層大;6.5～44m為強風化炭質頁巖，該段地層沉降較小，且變化較慢，曲線平緩;在44～52m為弱風化炭質頁巖，沉降接近于零。

圖6 地層沉降隨深度的變化曲線

3.4 樁間土與樁頂沉降規(guī)律

圖7為樁間土的沉降隨荷載和計算步數(shù)的增大而變化的曲線。從圖7可以看出，樁間土沉降隨荷載的增大而增大。三樁之間的樁間土和兩樁之間的樁間土沉降量相差不大，T1、T3兩點處于兩樁之間，T1點沉降量為9.465mm，T3點沉降量為9.929mm，沉降量相差0.464mm，主要原因T3點離承臺中心較近，上部荷載施加于承臺中橋墩作用截面;T2、T4兩點處于三樁之間，T2點沉降量為9.614mm，T4點沉降量為9.833 mm。從數(shù)值上看這四點的沉降量基本相同，兩樁間和三樁間沉降差基本可以忽略不計，說明承臺剛度較大，較好地分散了上部荷載［8］，地基處于較為均勻的應力狀態(tài)，基礎未發(fā)生不均勻沉降。

圖7 樁間土沉降隨加載的變化曲線

3.5 樁頂沉降

圖8為樁頂沉降隨加載和計算步數(shù)的增大而變化的曲線。從圖8可以看出，第1次加載后，4根樁的樁頂沉降基本相同。第5次加載后，1號樁距離承臺中心最遠，樁頂沉降量最小，其值為9.119mm;6號樁位于承臺中心，沉降量最大，其值為9.953mm;2號樁和5號樁的樁頂?shù)某两盗坎罹嗖淮?，分別為9.663mm和9.528mm;距離承臺中心越遠，沉降量越大［9］，但是總體來說沉降量的差距很小，樁頂沉降一致。5、6號樁是穿過采空巷道的，由圖8中看出穿過采空巷道的樁的沉降量與未穿越的樁區(qū)別不明顯。

圖8 樁頂沉降隨加載的變化曲線

3.6 采空巷道頂板沉降

圖9為采空巷道頂板隨加載和計算步數(shù)的增大而變化的曲線。采空巷道位置處于強風化炭質頁巖地層中，其頂板深度位于 26 m處，沉降較小，為0.943 3mm。沉降較小有兩個原因:一是采空巷道的位置較深;二是樁對巷道有很好的加固作用，傳到采空巷道處的附加應力很小。采空巷道頂板以上2m的沉降為0.972 3mm，采空巷道頂板以上4 m的沉降為1.084mm，可以得出，采空巷道頂板以上2m處與采空巷道頂板以上4m處沉降量差值為0.111 7mm，采空巷道頂板處與采空巷道頂板以上2m處沉降量差值為0.029mm。頂板變形規(guī)律與一般地層變形規(guī)律相同，即沉降上大下小;而未經樁基穿越加固采空巷道，頂板處于冒落帶最底端，越深沉降量通常越大［10］。2種規(guī)律不同說明了本工程樁基礎形式能夠有效減小采空巷道頂板的變形。

圖9 采空巷道頂板隨加載的變化曲線

3.7 承臺頂?shù)装宄两?/p>

圖10 承臺頂?shù)装咫S加載的變化曲線

圖10為承臺頂?shù)装咫S加載和計算步數(shù)的增大而變化的曲線，主要研究承臺頂?shù)装逯行奈恢玫某两?。由圖10中可以看出，承臺頂?shù)装宓某两盗侩S加載的增大而增大，承臺頂最大沉降為9.966 mm，承臺底為9.953mm，只相差0.013mm。差值為承臺的彈性壓縮變形。合福鐵路設計時速為350 km，根據《高速鐵路設計規(guī)范》(TB 10621—2009)［11］規(guī)定，承臺沉降符合設計要求。

4 結論

通過對官山底特大橋基礎的數(shù)值模擬研究，得出了荷載作用下采空區(qū)群樁沉降規(guī)律，主要結論如下。

(1)承臺下方不同深度地層的沉降隨著荷載的增大而增大，沉降主要集中在淺地層，深度越大，沉降量越小。

(2)樁間土、樁頂沉降隨著荷載的增大而增大。由于樁與土之間參數(shù)不同，隨著荷載的變化，樁間土、樁頂?shù)某两悼炻膊煌２煌恢玫臉堕g土和樁頂沉降有差異，但數(shù)值上差別不大，基礎沉降均勻。

(3)采空巷道頂板的沉降量隨著荷載的增大而增大，采空巷道頂板的沉降反映出上大下小的規(guī)律，這與地層沉降趨勢相同，說明樁有效限制了采空巷道頂板的變形。

(4)承臺頂?shù)装宓某两惦S著荷載的增大而增大，由于承臺的剛性性質，承臺頂?shù)装宓某两盗繋缀跸嗤?/p>

(5)根據以上研究結果，該項目采空區(qū)橋梁基礎工程設計完全滿足高速鐵路沉降設計要求。

本次數(shù)值模擬的采空區(qū)正好處于基礎正下方，對基礎均勻沉降而言是有利的，計算也證明了設計的可靠性。作為一個系統(tǒng)的研究，今后將考慮多種地質條件下的處理效果，如多層采空區(qū)，采空區(qū)與基礎斜交，水平荷載下基礎的穩(wěn)定和基礎平面布置形式［12］對采空區(qū)的影響，力爭從機理上弄清采空區(qū)變形的規(guī)律，為工程設計施工提供理論依據。

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Numerical Simulation on Bridge Foundation Settlement of High-Speed Railway in Goaf Area

HUANG Tai-wu

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co．，Ltd．，Wuhan 430063，China)

This paper established a numerical model to simulate the settlement of bridge pile group foundation in goaf area，and analyzed the deformation process and characteristics of pile foundation in goaf area;further，the different deformation rules under various engineering conditions were depicted in detail．The study result reveals that:(a)the foundation settlementmeets the requirement of standard code，and the settlementmostly occurs in the shallow soil layer;(b)the settlements of soils between and on the piles are uniform;(c)the settlement of the goaf roadway roof is basically the same as thatof other parts of the foundation，and this proves that the pile foundation can effectively limit the deformation of the goaf roadway roof．

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

U443.1

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．017

1004－2954(2014)03－0071－05

2013－07－17;

2013－07－25

中鐵第四勘察設計院集團有限公司科研課題(2010K31)作者簡介:黃太武(1973—)，男，高級工程師。