區(qū)域沉降影響因素分析和計(jì)算

馮柯志

大連交通大學(xué)

區(qū)域沉降影響因素分析和計(jì)算

馮柯志

大連交通大學(xué)

區(qū)域沉降分析與預(yù)測(cè)對(duì)于沉降控制技術(shù)的發(fā)展來(lái)說(shuō)是很重要的。通過(guò)搜集與課題研究相關(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料去分析，了解了國(guó)內(nèi)外面對(duì)沉降控制這一難題時(shí)，知道該如何去更好地控制沉降，找到控制沉降最關(guān)鍵的影響因素是什么，有哪些比較可行的辦法可以適用于當(dāng)前遇到的工程問(wèn)題。本文結(jié)合德大鐵路針對(duì)地區(qū)沉降特性，以及對(duì)鐵路工程的影響，考慮影響因素，結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法對(duì)選取研究段，建立模型進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比不同因素條件下沉降最大值變化情況。

區(qū)域地面沉降；沉降因素；流固耦合；數(shù)值模擬計(jì)算

1 引言

土體變形條件、應(yīng)力平衡條件和邊界條件十分的復(fù)雜時(shí)，并且偏微分方程的變系數(shù)由土體的非線性引起，求解比較困難。這時(shí)需要結(jié)合計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)的數(shù)值分析，且土體參數(shù)關(guān)系確定，就可以求解較符合的值。目前比較常用是有限元法[1]。

對(duì)于土體進(jìn)行有限元分析，需從總應(yīng)力和有效應(yīng)力去考慮，總應(yīng)力一般不考慮滲流固結(jié)，通過(guò)土骨架和孔隙傳遞和承受應(yīng)力[2]需要同時(shí)考慮土骨架變形和孔隙水滲透，因此它比總應(yīng)力分析更合理更真實(shí)分析土體和計(jì)算其荷載響應(yīng)，同時(shí)也具有復(fù)雜性。

2 流固耦合模型建立分析

本文采用的是基于摩爾-庫(kù)倫模型，結(jié)合FLAC3D程序進(jìn)行模擬材料在各種狀態(tài)下發(fā)生的力學(xué)行為[3],因?yàn)樯婕暗胶畬拥膲嚎s與不透水層的排水固結(jié)產(chǎn)生了抽水引起的地面沉降,分析問(wèn)題的時(shí)間應(yīng)選擇在地面沉降己經(jīng)完全發(fā)生以后,因此大于釆取排水分析法,釆用先setfluid on mech off模式進(jìn)行滲流穩(wěn)態(tài)計(jì)算,再利用set fluid off mech on達(dá)到力學(xué)平衡[4]。

土層中抽取地下水引起水位變化，然后去分析土體性質(zhì)和水位變化對(duì)區(qū)域沉降影響程度。依次將土層厚度設(shè)為變化因素，計(jì)算對(duì)區(qū)域沉降的影響。

3 參數(shù)取值

因抽取地下水導(dǎo)致含水土層發(fā)生沉降，根據(jù)資料選取抽水土層的半徑范圍為200m，設(shè)初始水位為0m，地層參數(shù)如下：

表2 土層參數(shù)情況

4 建立并劃分網(wǎng)格

由地區(qū)的地下水特征，以抽水點(diǎn)為中心，建立邊長(zhǎng)為300m的正方形區(qū)域，水平方向劃分15格，釆用變尺寸網(wǎng)格劃分,豎直方向1m劃分一個(gè)網(wǎng)格。對(duì)于本模型，定義地表邊界不約束，一側(cè)固定水平方向位移，與地面垂直方向固定，因抽水半徑為200m，需要固定200m以外區(qū)域孔隙定義為透水邊界，隨時(shí)流入流出三維網(wǎng)格的劃分。

5 土層沉降模擬分析

受土層厚度影響，可固定水位10m，分別在不同厚度下的土層進(jìn)行模擬分析區(qū)域沉降情況。

由計(jì)算可看出，地下水的抽取產(chǎn)生的區(qū)域地面沉降，其最大值中心即井點(diǎn)中心，隨著離井點(diǎn)中心距離越大，沉降變化也在減小。

圖2-5 最大值隨砂土厚度變化情況

從分析得到的結(jié)果看出，在一種土層情況下，設(shè)水位不變，厚度對(duì)其沉降影響較大；當(dāng)厚度增加到10m，土層厚度與沉降值成正比，也就是在水位變化恒定情況下，當(dāng)土層超過(guò)15m后，區(qū)域沉降發(fā)展趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)樗缓愣讐簩?duì)沉降影響受到限制。如果土層厚度較大，對(duì)區(qū)域沉降影響也會(huì)更小。

6 結(jié)論及建議

(1)根據(jù)德大線實(shí)際工程資料，設(shè)定不同沉降條件下，模擬分析計(jì)算沉降最大值，有利于分析沉降的影響因素，例如地下水抽取、土層性質(zhì)等。

(2)結(jié)合對(duì)比分析的方法，設(shè)定同一個(gè)變量，另一個(gè)變量不同的條件下，找出沉降發(fā)生的規(guī)律。

(3)隨著鐵路高速化的發(fā)展，考慮區(qū)域沉降的主要因素有哪些，有利于采取可行性措施進(jìn)行區(qū)域沉降的控制，保護(hù)軌道的平順性也減少了鐵路運(yùn)營(yíng)的維護(hù)成本。

[1]陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2009.

[2]沈科.區(qū)域地面沉降對(duì)(京滬)高速鐵路:[碩士學(xué)位論文].成都:西南交通大學(xué),2013.

[3]于麗鵬.基于FLAC3D模擬的土體彈性模量取值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2014:62～166.

[4]江偉.基于摩爾庫(kù)倫模型軟基沉降預(yù)測(cè):[碩士學(xué)位論文].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué),2009.

馮柯志（1991年01月13日），男，漢族，重慶，工學(xué)碩士，大連交通大學(xué)，道路與鐵道工程