何文春

(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)樁板結(jié)構(gòu)路基沉降數(shù)值模擬

何文春

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

樁板結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)多條高速鐵路軟土黃土路基中已得到廣泛應(yīng)用，但該結(jié)構(gòu)用于處理路基采空區(qū)的研究成果不多。以合肥至福州高速鐵路采空巷道上方車站樁板路基為研究對(duì)象，數(shù)值模擬分析路基的變形規(guī)律，為樁板結(jié)構(gòu)處理高速鐵路采空區(qū)地基設(shè)計(jì)施工提供有價(jià)值的參考。研究表明：路基沉降主要集中于地基淺層；樁身長(zhǎng)的樁的沉降量要小于樁身短的沉降量；穿過采空巷道的樁和沒有穿過采空巷道的樁兩者沉降量相差不大；結(jié)構(gòu)能夠有效限制采空巷道頂板變形；采用樁+承臺(tái)板結(jié)構(gòu)作為采空巷道地基的工程處理方法是有效的。

高速鐵路；采空區(qū)；樁板結(jié)構(gòu)；沉降；數(shù)值模擬

高速鐵路線路選線對(duì)大型采空區(qū)一般采取繞避措施,但對(duì)于小型采空區(qū)若全部繞避,對(duì)于滿足線路半徑標(biāo)準(zhǔn)和控制工程造價(jià)來說都是不利的。公路方面對(duì)于采空區(qū)的研究成果較多［1-2],但并不能很好滿足鐵路建設(shè)的需要。樁板結(jié)構(gòu)已成功運(yùn)用于京津［3]、武廣［4]、京滬、鄭西［5]滬杭［6]等多條高速鐵路,主要是針對(duì)軟土和黃土的路基處理,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,已有理論研究成果少,如何對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理及處理后的沉降變形機(jī)理課題仍然需要做大量的研究。本文對(duì)合福高速鐵路上饒段五府山車站采空區(qū)上方樁板路基的沉降變形進(jìn)行研究,分析其變形機(jī)理,為樁板結(jié)構(gòu)處理高速鐵路下伏采空區(qū)地基設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

五府山車站(DK499+763.83～DK500+835.00)位于上饒縣城正南37 km處四十八鎮(zhèn),設(shè)計(jì)為無作軌道,共4股道。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號(hào)大橋,為橋橋過渡段。路基采用C35混凝土灌注樁和C35鋼筋混凝土承臺(tái)板加固,人工挖孔灌注樁直徑1.0 m,樁間距5.0 m,樁長(zhǎng)12.0～25.0 m。承臺(tái)板結(jié)構(gòu)采用C35鋼筋混凝土,厚1.2 m。承臺(tái)板以上路堤填土采用的是摻3%水泥的級(jí)配碎石。

DK499+920斷面概況如圖1所示,地層從上到下為強(qiáng)風(fēng)化砂巖和弱風(fēng)化灰?guī)r,路堤填高3.0 m,路基頂面寬26 m,路基底面寬35 m,邊坡坡比1∶1.5。樁間距為5.0 m,樁徑1.0 m,因地層變化及采空巷道的埋深不同,樁長(zhǎng)不相同,斷面(圖1)樁長(zhǎng)從左至右依此為21、12、17、18、18、15、20 m。斷面左側(cè)布置有4根橫截面尺寸為2.75 m×2.5 m的抗滑樁,樁長(zhǎng)均為20 m,樁中心間距為5 m。1號(hào)采空巷道、2號(hào)采空巷道、3號(hào)采空巷道的高度分別為3、1.5、1.5 m。

圖1 斷面概況（單位：m)

2 模型建立及計(jì)算

本文采用FLAC3D軟件數(shù)值模擬。模型邊界:模型計(jì)算深度取實(shí)際最大樁長(zhǎng)的的2倍(42 m)；橫向?qū)挾葹槁返痰酌鎸挾鹊?倍(105 m),即從坡腳向兩側(cè)各延伸1倍的路堤底面寬度；縱向?qū)挾热?排樁,即取5倍的樁間距(25 m)。對(duì)模型底面邊界設(shè)置X、Y、Z 3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。

圖2 斷面三維工程地質(zhì)模型

承臺(tái)板采用彈性本構(gòu)模型,巖土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。根據(jù)五府山車站工程地質(zhì)勘察報(bào)告［7]和鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［8]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［9]。路基高度為3 m,采用分層填筑施工,每層填筑高度為1 m。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2 m時(shí)為第二級(jí)荷載,填土高度3 m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3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,計(jì)算過程中采用hist命令監(jiān)測(cè)記錄各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形。小于2、3、4號(hào)樁樁頂?shù)某两盗?也即靠近路基中心處的樁樁頂沉降大于靠近路肩處的樁樁頂沉降,分析認(rèn)為是由于1號(hào)樁處于路肩處荷載相對(duì)較小,雖然采空區(qū)對(duì)承載力有部分削弱,但該樁樁長(zhǎng)較長(zhǎng),承載能力仍舊能夠保證。2、3、4號(hào)樁頂沉降量相差不大,2號(hào)樁與4號(hào)樁處于路基對(duì)稱位置,2號(hào)樁和4號(hào)樁都通過采空巷道,但2號(hào)樁的沉降量要小于4號(hào)樁的沉降量,原因是2號(hào)樁大部分埋置在弱風(fēng)化灰?guī)r而4號(hào)樁大部分埋置在強(qiáng)風(fēng)化砂巖,強(qiáng)風(fēng)化砂巖的承載力要小于弱風(fēng)化砂巖承載力。在施加第三級(jí)荷載后2號(hào)樁的沉降量為2.8 mm,1、3號(hào)樁沉降量相對(duì)較小,均約為1.6 mm。2號(hào)樁的沉降量大于1、3號(hào)樁的沉降量,同樣可以看出路基中心處的樁樁頂沉降量要大于路肩處的樁頂沉降量,樁身長(zhǎng)的樁沉降量要小于樁身短的沉降量。這說明樁頂隨荷載沉降與樁長(zhǎng)有關(guān),而且是樁越長(zhǎng)樁頂沉降量越小,這是由于隨著樁長(zhǎng)的增大,樁側(cè)表面積也在增大,因此在同樣的樁頂荷載作用下,長(zhǎng)樁的側(cè)摩阻力發(fā)揮較大,樁頂沉降相應(yīng)變小。例如2號(hào)樁和4號(hào)樁位于路基中心兩側(cè)對(duì)稱位置且均穿過采空巷道,2號(hào)樁長(zhǎng)16 m,4號(hào)樁長(zhǎng)18 m,在第三級(jí)荷載作用下2號(hào)樁頂最終沉降為1.8 mm,4號(hào)樁頂最終沉降為1.55 mm。穿過采空巷道的樁與沒有穿過采空巷道的樁頂沉降量相差很小。3號(hào)樁沒有穿過采空巷道,最終沉降量為1.7 mm,4號(hào)樁為穿過采空巷道的樁,最終沉降量為1.55 mm,兩者相差0.15 mm。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖7 樁頂沉降隨填土高度的變化曲線

4.4 樁間土沉降

圖8 樁間土沉降隨填土高度的變化曲線

圖8 為樁間土沉降隨填土高度的變化曲線,從圖中可以看出:樁頂土層四樁中心的樁間土和兩樁中心的樁間土沉降量相差很小,基本可以忽略不計(jì)。這說明四樁中心樁間土和兩樁中心樁間土變形大致相同,而且距離路基中心遠(yuǎn)的沉降量要大于距離路基中心近的沉降量。J5、J6分別為四樁中心和兩樁中心樁間土沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),靠近路肩；J3、J7分別為四樁中心和兩樁中心樁間土沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),靠近路基中心。J5、J6沉降基本相同,約為1.5 mm；J3、J7沉降量基本相同,約為2.0 mm；J3、J7沉降量大于J5、J6沉降量,即路基中心樁間土的沉降量大于路肩附近樁間土沉降量。

4.5 承臺(tái)板頂?shù)装濉⒙返瘫砻嬷行某两?/p>

圖9為承臺(tái)板頂?shù)装灞O(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降隨填土高度的變化曲線,從圖中可以看出承臺(tái)板頂?shù)装宓某两盗炕鞠嗤?J2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大沉降量為1.528 mm,承臺(tái)板下表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的沉降量為1.515 mm,兩者相差0.013 mm,主要是混凝土的彈性壓縮變形,J4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量為1.286 mm。承臺(tái)板上下表面的沉降趨勢(shì)和樁頂、樁間土的沉降趨勢(shì)基本相同。路堤表面中心(J1監(jiān)測(cè)點(diǎn))沉降量為2.3 mm,完全滿足規(guī)范要求［10]。

圖9 承臺(tái)板頂?shù)装灞O(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降隨填土高度的變化曲線

4.6 采空巷道頂板沉降

圖10 采空巷道頂板沉降隨填土高度的變化曲線

圖10 為采空巷道頂板沉降隨填土高度的變化曲線,由圖可以看出:隨著填土高度的增加采空巷道頂板的沉降量也在增大。1號(hào)采空巷道在第一級(jí)填筑荷載作用下采空巷道頂板底端的沉降量為0.5 mm,在第二級(jí)填筑荷載作用下沉降量為0.7 mm,在第三級(jí)荷載沉降量為0.88 mm,可以看出頂板沉降量隨深度增大而增加。采空巷道頂板底端的沉降量最小,距離采空巷道頂板底端的距離越大沉降量越大。對(duì)于1號(hào)采空巷道,采空巷道頂板底端的總沉降量為0.88 mm,采空巷道頂板底端以上1.5 m處總沉降量為0.91 mm,采空巷道頂板底端以上3 m處總沉降量為1.0 m m。采空巷道頂板底端以上1.5 m處與3 m處沉降量差值為0.09 mm,采空巷道頂板底端與采空巷道頂板底端以上1.5 m處沉降量差值為0.03 mm,距離采空巷道頂板底端距離越小,相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)差值越小。而對(duì)一般采空巷道而言,采空巷道頂板底端處于冒落帶最底端,沉降量通常最大［11],兩者沉降規(guī)律不一,這也說明了樁能夠有效減小采空巷道頂板的沉降,從側(cè)面也反映了采用樁+承臺(tái)板結(jié)構(gòu)作為采空巷道的處理方法是可行的。

4.7 抗滑樁側(cè)向位移

抗滑樁位于斷面左側(cè)路基坡腳處,抗滑樁外側(cè)為一坡比為1∶1.5的斜坡,坡度相對(duì)較陡,考慮到斜坡在路堤填筑荷載的穩(wěn)定性,在坡頂處設(shè)置抗滑樁。圖11為抗滑樁水平位移隨深度的變化曲線,從圖中可以出:抗滑樁的側(cè)向位移主要集中在樁的上半段,而且在8 m深度處側(cè)向位移最大,最大約為0.25 mm,10～14 m范圍側(cè)向位移減小十分快,在14 m處側(cè)向位移基本減小到0,14～20 m基本沒有側(cè)向位移?？够瑯兜膫?cè)向位移十分小,最大側(cè)向位移僅為0.25 mm,這也說明了抗滑樁能夠有效控制在路堤填筑荷載作用下邊坡的側(cè)向位移,從而也減小了路堤頂面的沉降。

圖11 抗滑樁水平位移隨深度的變化曲線

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬,獲得了采空區(qū)樁板結(jié)構(gòu)路基的沉降特性,結(jié)論如下。

(1)沉降主要集中于地基淺層,深度越大,沉降量越小。同一水平面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn),距離路基中心越近,相應(yīng)的沉降量也就變大,即路基中心處沉降量最大,路肩處沉降量最小。

(2)在相同填筑荷載作用下,樁身長(zhǎng)的樁沉降量要小于樁身短的沉降量；穿過采空巷道的樁和沒有穿過采空巷道的樁兩者沉降量相差不大；四樁中心與兩樁中心樁間土的沉降量在相同填筑荷載作用下基本相同；路肩處樁頂?shù)某两盗恳∮诼坊行奶帢俄數(shù)某两盗俊?/p>

(3)在相同填筑荷載作用下,承臺(tái)板頂?shù)装宓某两盗肯嗖詈苄?這是由于承臺(tái)板的剛度相對(duì)于承臺(tái)板下土的剛度大,在荷載作用下承臺(tái)板頂?shù)装骞餐鲁?沉降差基本上是承臺(tái)板自身的變形量。

(4)采空巷道頂板的沉降量最小,距離采空巷道頂板以上的距離越大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量越大,這也表明樁能夠有效限制采空巷道頂板的變形。這種沉降趨勢(shì)和沒有采空巷道的地基沉降趨勢(shì)相同,同樣是距離地表越近沉降量越大,距離地表越遠(yuǎn)沉降量越小。

(5)抗滑樁側(cè)向位移主要集中在樁身上半段,最大側(cè)向位移發(fā)生在強(qiáng)弱風(fēng)化分界面位置處,結(jié)果表明抗滑樁能夠有效限制采空區(qū)路基在荷載作用下發(fā)生側(cè)向位移。

［1] 童立元,劉松玉,邱鈕,等.高速公路下伏采空區(qū)問題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展［J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(7):1198-1202.

［2] 梁鑫,程謙恭,楊曉云.含水率對(duì)采空區(qū)頂板穩(wěn)定影響研究［J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2012(9):15-18.

［3] 沈宇鵬,李小和,馮瑞玲,等.客運(yùn)專線樁板結(jié)構(gòu)地基的沉降特性［J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2009,9(6):32-35.

［4] 張繼文,曾俊械,涂永明,等.京滬高速鐵路CFG樁-筏地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J].鐵道學(xué)報(bào),2011,33(1):83-88.

［5] 詹永祥,蔣關(guān)魯,牛國(guó)輝,等.武廣線高邊坡陡坡地段樁板結(jié)構(gòu)路基的設(shè)計(jì)理論探討［J].鐵道工程學(xué)報(bào),2007(S):94-101.

［6] 劉家兵.深厚軟土地基上跨淺埋地鐵樁板結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究［J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013(7):16-19.

［7] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.官山底車站工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R].武漢:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2009.

［8] 鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999.

［9] 彭文斌.FLAC 3D實(shí)用教程［M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

［10]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10621―2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2010.

［11]孫占法.老采空區(qū)埋深對(duì)其上方建筑地基穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究［D].太原:太原理工大學(xué),2005.

Numerical Simulation Analysis on Sheet-Pile Subgrade Settlement of High-sPeed Railway in Goaf Region

HE Wen-chun
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

Sheet-pile structure has widely been used for treating soft or loess subgrades of domestic high-speed railways,but has rarely been seen for treating subgrade in goaf region.This paper took the sheet-pile subgrade at a station of the Hefei-Fuzhou high-speed railway above a goaf roadway as the research object,and analyzed the deformation pattern of the subgrade by the use of numerical simulation, so as to provide valuable reference for subgrade design and construction of high-speed railway using sheet-pile structure in goaf region.The research results show that the subgrade settlement mainly concentrates in the shallower layers；the settlement quantity of longer piles are less than that of shorter piles；there is little difference on settlement quantity between the pile passing through the goaf roadway and the pile not passing through the goaf roadway；this structure can effectively restrict the deformation of the goaf roadway top slab；it is effective to use piles plus bearing platform structure as the treatment measures for subgrade above goaf roadway.

high-speed railway；goaf region；sheet-pile structure；settlement；numerical simulation

U238；U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.004

1004-2954(2014)07-0015-05

2013-10-26；

2013-11-12

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科研課題(2010K31)

何文春(1971―),男,高級(jí)工程師,1995年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),工學(xué)學(xué)士,E-mail: 1932921437@qq.com。