黃太武

(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)橋基沉降變形數(shù)值模擬分析

黃太武

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

通過(guò)對(duì)采空區(qū)橋梁群樁基礎(chǔ)沉降進(jìn)行數(shù)值模擬，分析采空區(qū)樁基在荷載作用下變形過(guò)程及特點(diǎn)，揭示不同工況下的基礎(chǔ)變形規(guī)律。研究結(jié)果表明，基礎(chǔ)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(chǔ);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(shí)例，并取得了一定量的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)。高速鐵路線路標(biāo)準(zhǔn)高，沉降要求極為嚴(yán)格，對(duì)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，采用適當(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(jīng)驗(yàn)為主，對(duì)高速鐵路采空區(qū)橋梁群樁基礎(chǔ)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(chǎng)監(jiān)測(cè)，但該方式無(wú)法完整地反映采空區(qū)群樁基礎(chǔ)沉降的規(guī)律，而數(shù)值模擬方法能較完整地模擬實(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］。合肥至福州高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，經(jīng)過(guò)安徽省、江西省，福建省。線路通過(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，本次研究以官山底特大橋采空區(qū)橋基為原型，對(duì)其沉降機(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)橋梁基礎(chǔ)，里程DK499+682.28;承臺(tái)沿順橋方向長(zhǎng)9 m，橫向?qū)?2.6m，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(zhǎng)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(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;(3)強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖;(4)弱風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖。地層和采空巷道情況見(jiàn)圖1(b)和圖1(c)。

圖1 橋梁基礎(chǔ)與地層示意(單位:m)

2 模型建立及計(jì)算

2.1 模型參數(shù)

本文采用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80m，橫向?qū)挾葹?0m，縱向?qū)挾热?0m。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。

圖2 橋梁基礎(chǔ)FLAC3D模型

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K、剪切模量G;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、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、體積模量K、剪切模量G。根據(jù)官山底特大橋工程地質(zhì)勘察報(bào)告［2］和鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［3］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)［4，5］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［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(xué)參數(shù)

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為土體的內(nèi)摩擦角，(°)。

樁單元參數(shù)見(jiàn)表2、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)。

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)頂部對(duì)應(yīng)位置施加均布荷載，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，簡(jiǎn)支梁連續(xù)梁，以及列車(chē)荷載組成，以均布荷載形式施加于承臺(tái)墩身作用截面。為了研究基礎(chǔ)的沉降過(guò)程，荷載分為5次加載，荷載分級(jí)見(jiàn)表4。

表2 樁單元參數(shù)選取

表3 各個(gè)巖土層樁單元參數(shù)

表4 承臺(tái)加載荷載等級(jí)

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5類，分別為樁頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、樁間土沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、承臺(tái)頂部沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、采空巷道頂板沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)和地層沉降監(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為樁頂沉降監(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;

(2)T1～T4為樁間土沉降監(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)J1為承臺(tái)頂部沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位于承臺(tái)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(cè)點(diǎn)，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(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3(b)所示;

(5)在兩樁(1號(hào)樁和2號(hào)樁)中心從上至下不同位置的地層中設(shè)置地層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，深度0～10m每2.5m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從10～52m每3m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3(c)所示。

3 沉降變形結(jié)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(tái)

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(tái)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(jì)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(jí)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(méi)有出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。深度超過(guò)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?jī)H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(chǔ)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(tái)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(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖，沉降也主要集中在該段地層，往下為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖，下部地層相對(duì)上部地層，其承載力相對(duì)較高且附加應(yīng)力更小，所以沉降沒(méi)有上部地層大;6.5～44m為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖，該段地層沉降較小，且變化較慢，曲線平緩;在44～52m為弱風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)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(jì)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(diǎn)處于兩樁之間，T1點(diǎn)沉降量為9.465mm，T3點(diǎn)沉降量為9.929mm，沉降量相差0.464mm，主要原因T3點(diǎn)離承臺(tái)中心較近，上部荷載施加于承臺(tái)中橋墩作用截面;T2、T4兩點(diǎn)處于三樁之間，T2點(diǎn)沉降量為9.614mm，T4點(diǎn)沉降量為9.833 mm。從數(shù)值上看這四點(diǎn)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(jì)，說(shuō)明承臺(tái)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(yīng)力狀態(tài)，基礎(chǔ)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(jì)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(hào)樁距離承臺(tái)中心最遠(yuǎn)，樁頂沉降量最小，其值為9.119mm;6號(hào)樁位于承臺(tái)中心，沉降量最大，其值為9.953mm;2號(hào)樁和5號(hào)樁的樁頂?shù)某两盗坎罹嗖淮?，分別為9.663mm和9.528mm;距離承臺(tái)中心越遠(yuǎn)，沉降量越大［9］，但是總體來(lái)說(shuō)沉降量的差距很小，樁頂沉降一致。5、6號(hào)樁是穿過(guò)采空巷道的，由圖8中看出穿過(guò)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(jì)算步數(shù)的增大而變化的曲線。采空巷道位置處于強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)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(gè)原因:一是采空巷道的位置較深;二是樁對(duì)巷道有很好的加固作用，傳到采空巷道處的附加應(yīng)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(jīng)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(shuō)明了本工程樁基礎(chǔ)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(tái)頂?shù)装宄两?/p>

圖10 承臺(tái)頂?shù)装咫S加載的變化曲線

圖10為承臺(tái)頂?shù)装咫S加載和計(jì)算步數(shù)的增大而變化的曲線，主要研究承臺(tái)頂?shù)装逯行奈恢玫某两怠Ｓ蓤D10中可以看出，承臺(tái)頂?shù)装宓某两盗侩S加載的增大而增大，承臺(tái)頂最大沉降為9.966 mm，承臺(tái)底為9.953mm，只相差0.013mm。差值為承臺(tái)的彈性壓縮變形。合福鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km，根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2009)［11］規(guī)定，承臺(tái)沉降符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

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

(1)承臺(tái)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(chǔ)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(shì)相同，說(shuō)明樁有效限制了采空巷道頂板的變形。

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

(5)根據(jù)以上研究結(jié)果，該項(xiàng)目采空區(qū)橋梁基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)完全滿足高速鐵路沉降設(shè)計(jì)要求。

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

［1］戚科駿，宰金珉，王旭東，等．基于相互作用系數(shù)探討的群樁簡(jiǎn)化分析［J］．巖土力學(xué)，2010，31(5):1609－1614．

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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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科研課題(2010K31)作者簡(jiǎn)介:黃太武(1973—)，男，高級(jí)工程師。