列車振動(dòng)荷載下錨索預(yù)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值分析

賈曉云，朱永全

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都　610031；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊　050043)

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列車振動(dòng)荷載下錨索預(yù)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值分析

賈曉云1，2，朱永全2

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊050043)

振動(dòng)會(huì)引起基坑加固系統(tǒng)中錨索預(yù)應(yīng)力的損失，影響基坑穩(wěn)定性，而有關(guān)列車振動(dòng)荷載對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的實(shí)際影響還未見報(bào)道。因此，分析列車振動(dòng)對(duì)深大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中錨索預(yù)應(yīng)力的影響，具有重大理論意義和實(shí)際指導(dǎo)意義。以石家莊六線隧道明挖段緊鄰京廣鐵路深大基坑預(yù)應(yīng)力錨索加固體系為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，分析實(shí)際工程環(huán)境下，列車振動(dòng)荷載引起的錨索預(yù)應(yīng)力損失；采用Flac-3D軟件進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)一步印證列車振動(dòng)荷載對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的影響。綜合考慮既有線路運(yùn)行性質(zhì)和基坑使用周期，提出限速(不超過(guò)80 km/h為宜)通過(guò)明挖基坑區(qū)段，盡早施作隧道主體結(jié)構(gòu)，減小基坑暴露時(shí)間的合理化建議。以減小錨索預(yù)應(yīng)力損失，提高基坑加固效果，保證基坑安全與穩(wěn)定。

深大基坑；列車荷載；錨索預(yù)應(yīng)力；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；數(shù)值分析

預(yù)應(yīng)力錨索錨固系統(tǒng)可根據(jù)工程的實(shí)際地層情況，有效提高地層的強(qiáng)度，從而提高地層承載能力，因此在相關(guān)加固工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力錨索將受到眾多外界因素的影響，從而導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力發(fā)生大幅度的變化[3]。一方面，由于巖土體的蠕變、錨具的回彈變形、灌漿材料的徐變以及錨索桿體材料的松弛等原因均會(huì)使錨索預(yù)應(yīng)力降低[4]。另一方面，在降雨、強(qiáng)烈的晝夜溫度變化以及沖擊振動(dòng)荷載等因素的作用下，也會(huì)導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化[5]，而預(yù)應(yīng)力的波動(dòng)變化很可能導(dǎo)致桿體材料產(chǎn)生疲勞破壞，從而造成其錨固功能的減弱或失效，進(jìn)而影響錨固工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[6]。

針對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索加固的相關(guān)問(wèn)題，雖然海內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)作了大量的研究工作。但由于預(yù)應(yīng)力錨索錨固機(jī)理比較復(fù)雜，錨索預(yù)應(yīng)力損失影響因素較多[7，8]，眾多學(xué)者研究時(shí)不可能將所有因素都考慮進(jìn)去，研究過(guò)程中均作了一些粗糙的假定，但大量的研究成果為分析了解錨索的受力特征起到了積極的作用[9]。目前，有關(guān)列車振動(dòng)荷載對(duì)超大超深基坑加固工程中錨索預(yù)應(yīng)力損失影響方面的報(bào)道還未檢索到。

1　工程概況

石家莊六線隧道全長(zhǎng)4 980 m，除下穿石太直通線段采用暗挖法，過(guò)中山路、裕華路及和平路采用蓋挖法外，其余地段均采用明挖法施工。明挖段長(zhǎng)度約4 800 m，明挖段基坑(圖1)開挖寬度30～52 m，深度8.5～22 m，西側(cè)緊鄰既有京廣鐵路線，最近處距離只有10.2 m，基坑開挖8個(gè)月～1年左右施作隧道主體結(jié)構(gòu)。隧道地層條件差，結(jié)構(gòu)基本位于粉質(zhì)黏土和砂層中，全部為Ⅵ級(jí)圍巖，圍巖自穩(wěn)能力較差。在如此復(fù)雜的周邊環(huán)境下施工大跨度深基坑，既要保證基坑施工安全，又要保證既有鐵路線的正常運(yùn)營(yíng)，難度非常大。因此，現(xiàn)場(chǎng)基坑加固采用鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)?；觾蓚?cè)從上至下分別布置3道錨索，第1、第2及第3道錨索深度分別為6、10 m和14 m。

圖1　基坑施工現(xiàn)場(chǎng)

2　錨索預(yù)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1測(cè)點(diǎn)布置

在DK278+380～DK278+640之間的基坑?xùn)|西兩側(cè)分別選取9個(gè)位置，每個(gè)位置的第1、第2及第3道錨索處均布置錨索測(cè)力計(jì)，進(jìn)行錨索預(yù)應(yīng)力測(cè)試，以了解列車振動(dòng)對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的影響，測(cè)點(diǎn)布置平面如圖2所示。

2.2測(cè)試結(jié)果分析

(1)錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律

基坑施工時(shí)，對(duì)每個(gè)位置處3道錨索預(yù)應(yīng)力均進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析研究。文中僅列出受列車振動(dòng)影響較大的第1道錨索的預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律，如圖3、圖4所示。

圖2　測(cè)點(diǎn)布置平面

圖3　基坑?xùn)|側(cè)錨索預(yù)應(yīng)力變化曲線

圖4　基坑西側(cè)錨索預(yù)應(yīng)力變化曲線

由圖3和圖4可知，無(wú)論是靠近既有京廣線的基坑西側(cè)，還是遠(yuǎn)離既有線的基坑?xùn)|側(cè)，前期錨索預(yù)應(yīng)力均出現(xiàn)增長(zhǎng)現(xiàn)象，80 d左右時(shí)，預(yù)應(yīng)力達(dá)到峰值，而后錨索預(yù)應(yīng)力均呈下降趨勢(shì)，預(yù)應(yīng)力損失較為明顯。前期增長(zhǎng)主要是由于基坑繼續(xù)開挖、施作第2道及第3道錨索等施工因素，以及列車振動(dòng)使得地層在一定程度上變得相對(duì)密實(shí)而造成的。

施工結(jié)束后，在土體蠕變、列車振動(dòng)的繼續(xù)影響下，錨索預(yù)應(yīng)力呈現(xiàn)波動(dòng)性的降低趨勢(shì)，8個(gè)月時(shí)，仍沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這與相關(guān)文獻(xiàn)中提到的錨索預(yù)應(yīng)力的變化經(jīng)歷預(yù)應(yīng)力急速下降、紊亂變化和平穩(wěn)過(guò)渡3個(gè)階段[10，11]有所不同，這主要是由于列車振動(dòng)對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的影響。

(2)列車振動(dòng)對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的影響分析

深度相同的東西兩側(cè)錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖5、圖6所示，錨索預(yù)應(yīng)力損失值與損失率分別見圖7、表1。

圖5　同深度兩側(cè)錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(第1道)

圖6　同深度兩側(cè)錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(第3道)

圖7　錨索預(yù)應(yīng)力平均損失率隨基坑深度變化規(guī)律

錨索位置平均損失值/kN平均損失率/%西一39.7816.82西二13.374.51西三7.622.90東一31.3915.52東二11.693.55東三7.492.99

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可知，在列車振動(dòng)荷載作用下，對(duì)于第1道和第2道錨索，靠近既有線的西側(cè)錨索預(yù)應(yīng)力損失比東側(cè)同一深度錨索預(yù)應(yīng)力損失大。第1、第2道錨索中，西側(cè)各錨索預(yù)應(yīng)力平均損失值分別為39.78 kN、13.37 kN，平均預(yù)應(yīng)力損失率分別為16.82%、4.51%；而東側(cè)各錨索預(yù)應(yīng)力平均損失值分別為31.39、11.69 kN，平均預(yù)應(yīng)力損失率分別為15.52%、3.55%。也就是說(shuō)，第1、第2道錨索中，西側(cè)各錨索預(yù)應(yīng)力平均損失比東側(cè)分別多8.39、1.68 kN，平均預(yù)應(yīng)力損失率分別高1.30%、0.96%。即第1、2道錨索中，在其他情況基本一致的情況下，由于西側(cè)既有京廣線的列車振動(dòng)而引起的附加預(yù)應(yīng)力損失值分別為8.39 kN和1.68 kN，附加預(yù)應(yīng)力損失率約分別為1.30%、0.96%。

圖7和表1顯示，由于列車振動(dòng)帶來(lái)的附加預(yù)應(yīng)力損失是隨著基坑深度的增加而逐漸減小的。在深度為14 m的第3道錨索位置，錨索預(yù)應(yīng)力沒(méi)有受到列車振動(dòng)荷載的影響。

筆者前期對(duì)列車行駛速度對(duì)地層振動(dòng)的影響進(jìn)行了大量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，列車速度越大，對(duì)地層振動(dòng)的影響深度越大，進(jìn)而對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的影響也會(huì)加大。因此，根據(jù)既有線路運(yùn)行性質(zhì)(貨車、普通列車、動(dòng)車等)、基坑施工周期等綜合考慮，建議限速通過(guò)明挖基坑區(qū)段，列車行駛速度以不超過(guò)80 km/h為宜。同時(shí)，應(yīng)盡早施作隧道主體結(jié)構(gòu)，恢復(fù)路面，縮短基坑暴露時(shí)間。

3　錨索預(yù)應(yīng)力動(dòng)力響應(yīng)分析

為更好地控制基坑穩(wěn)定性，確保基坑順利施工和既有鐵路線的正常運(yùn)營(yíng)，采用FLAC-3D軟件建立三維數(shù)值模型，模擬列車振動(dòng)荷載對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力動(dòng)力響應(yīng)。

3.1計(jì)算模型

(1)模型及參數(shù)

為減少模型的單元數(shù)量，提高計(jì)算速度，考慮到基坑的對(duì)稱性，計(jì)算模型范圍為：X=85.4 m，Y=36 m，Z=72.75 m，基坑深度H=18.19 m。假定錨索受壓或受拉，Y方向固定，邊界條件采用模型周邊側(cè)向約束，計(jì)算模型如圖8所示。

圖8　計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)采用動(dòng)力滯后阻尼模型中的四參數(shù)S型模型，該模型擬合曲線表示為[12]

(1)

它包含了a，b，x0和y04個(gè)參數(shù)，參考武漢理工大學(xué)張亮亮的試驗(yàn)結(jié)果[13]，參數(shù)取值分別為a=0.922，b=-0.481，x0=-0.705，y0=0.082 3。地層及預(yù)應(yīng)力錨索計(jì)算參數(shù)分別如表2、表3所示。

表2　地層計(jì)算參數(shù)

表3　預(yù)應(yīng)力錨索計(jì)算參數(shù)

(2)列車荷載模擬

采用激振力函數(shù)模擬列車在不平順軌道上的行駛問(wèn)題，表達(dá)式為[14，15]

(2)

式中，P0，P1，P2，P3分別對(duì)應(yīng)于表4中的控制條件①～③中的某一典型值。假設(shè)列車簧下質(zhì)量為M0，則相應(yīng)的振動(dòng)荷載幅值為

(3)

式中，ai為典型矢高；ωi為對(duì)應(yīng)車速下不平順振動(dòng)波長(zhǎng)的圓頻率，其計(jì)算式為

(4)

式中，ν為列車的運(yùn)行速度；Li為典型波長(zhǎng)。

表4　軌道幾何不平順管理值

貨車軸重一般為24 t，簧下質(zhì)量M0=750 kg，單邊靜輪重P0=120 kN，對(duì)應(yīng)的不平順振動(dòng)波長(zhǎng)和相應(yīng)的矢高為：L1=10 m，a1=3.5 mm；L2=2 m，a2=0.4 mm；L3=0.5 m，a3=0.08 mm。激振力取v=80 km/h時(shí)前5 s的情形，為一不規(guī)則波形[16]。振動(dòng)荷載施加在距離開挖面20 m處，振動(dòng)時(shí)程曲線如圖9所示。

圖9　振動(dòng)荷載時(shí)程曲線

3.2計(jì)算結(jié)果及分析

各道錨索自由段及錨固段錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖10、圖11所示。

圖10　第1道錨索自由段應(yīng)力時(shí)程曲線

圖11　第1道錨索錨固段應(yīng)力時(shí)程曲線

計(jì)算結(jié)果顯示，第1、第2道自由段錨索預(yù)應(yīng)力均是隨時(shí)間的增加逐漸減??；第3道錨索自由段的錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間的增加出現(xiàn)了增大的現(xiàn)象。

各道錨索錨固段預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間均呈現(xiàn)出先波浪式增加后逐漸減小的趨勢(shì)，振動(dòng)初期出現(xiàn)短期預(yù)應(yīng)力增大現(xiàn)象主要是由于最初地層相對(duì)較松散，后期由于振動(dòng)作用使得地層變得密實(shí)而引起的。第3道錨索應(yīng)力減小很短的時(shí)間后又繼續(xù)增大，說(shuō)明錨索埋置深度越大，振動(dòng)荷載對(duì)錨索應(yīng)力的影響就越小，其應(yīng)力變化主要是地層逐漸密實(shí)造成的。

將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，錨索預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律基本上是一致的，只是施工現(xiàn)場(chǎng)受到的影響因素較多，波動(dòng)性更強(qiáng)。說(shuō)明采用滯后阻尼動(dòng)力四參數(shù)模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析是可行的。進(jìn)一步印證了列車振動(dòng)荷載對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的影響；施工現(xiàn)場(chǎng)采用降低行車速度，可以很好地減小錨索預(yù)應(yīng)力的損失，從而有效提高基坑加固效果，確保施工安全。

4　結(jié)論

(1)揭示了實(shí)際工程環(huán)境下，列車振動(dòng)荷載對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響，尤其對(duì)第1道錨索的影響最大，在錨索預(yù)應(yīng)力損失中，其中有1.30%的損失是列車振動(dòng)引起的；數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)規(guī)律基本相符，進(jìn)一步印證了列車振動(dòng)對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響。

(2)為了避免列車振動(dòng)對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的后期影響，根據(jù)既有線路運(yùn)行性質(zhì)(貨車、普通列車、動(dòng)車等)、基坑施工周期等綜合考慮，建議限速通過(guò)明挖基坑區(qū)段，列車行駛速度以不超過(guò)80 km/h為宜。

(3)應(yīng)盡早施作隧道主體結(jié)構(gòu)，恢復(fù)路面，縮短基坑暴露時(shí)間。

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Field Monitoring and Numerical Analysis of Anchor Cable Prestress under Train Vibration Load

JIA Xiao-yun1，2，ZHU Yong-quan2

(1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 2.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

The vibration may cause the prestress loss of anchor cables in the reinforcement system，which affects the stability of the foundation pit.The actual effect caused by the train vibration load on the prestress of the anchor cables has not been reported.Therefore，the analysis of the influence on prestressed anchor cable caused by train vibration has great theoretical and practical significance.With reference to the practical engineering of the deep foundation pit anchor reinforcement system near the existing Beijing～Guangzhou railway，the prestress loss of anchor cable caused by train vibration load is analyzed by means of field monitoring in the actual engineering environment.Numerical analysis with Flac-3D software is conducted to confirm this conclusion.It is proposed that reducing the train speed below 80 km/h and constructing the main structure of the tunnel as soon as possible can effectively reduce the prestress loss，improve the pit reinforcement effect，and ensure the safety and stability of the foundation pit.

Deep foundation; Train vibration load; Anchor prestress; Field monitoring; Numerical analysis

2016-03-22；

2016-04-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(51478277)；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究青年基金項(xiàng)目(QN2014137)

賈曉云(1977—)，女，副教授，博士研究生，2004年畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程專業(yè)，主要從事地下和隧道工程教學(xué)與研究工作，E-mail：15075796@qq.com。

1004-2954(2016)10-0004-05

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.002