張翼鵬，郭雪巖

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031）

我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，高速鐵路總里程即將突破3 萬(wàn)km，營(yíng)業(yè)里程超過(guò)世界高速鐵路總里程的2/3。在高速鐵路沿線附近存在大量農(nóng)用水井，用水期間大量抽水導(dǎo)致水井周圍土體孔隙水壓力消散，有效應(yīng)力增加，形成沉降漏斗，進(jìn)而引起鄰近鐵路路基沉降，危及行車安全［1-5］。

本文依托“大西高鐵運(yùn)營(yíng)段抽水井實(shí)施評(píng)估”項(xiàng)目，利用PLAXIS 3D 軟件針對(duì)高速鐵路沿線抽水井對(duì)路堤沉降的影響展開分析，為高速鐵路沿線抽水井的治理提供理論依據(jù)。

1 工程概況

本文模擬的抽水井位于大西高速鐵路運(yùn)營(yíng)段K509+585 上行線處，屬于飲水井，全年使用。井深約180 m，直徑為35 cm，距路堤垂直距離約31.7 m，井內(nèi)水位為-18 m。地下土層從上至下分別為新黃土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉土、深層粉質(zhì)黏土、深層黏土、深層砂。路基底部布設(shè)了預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行地基加固。

為了更好地還原現(xiàn)場(chǎng)情況，保證模型的真實(shí)性與可靠性，對(duì)該抽水井的類型、抽水頻率、抽水時(shí)間、抽水井距線路的距離、抽水井附近的工程結(jié)構(gòu)及其圖紙等進(jìn)行了全面系統(tǒng)調(diào)研。飲水井與路基的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 飲水井與路基的位置關(guān)系

2 計(jì)算模型

2.1 本構(gòu)模型

建模采用硬化類彈塑性本構(gòu)模型，分為等向硬化彈塑性模型（HS 模型）和硬化土小應(yīng)變模型（HSsmall模型）。

HS 模型以雙曲線形式來(lái)反映土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。它考慮了土體的剪脹性和中性加載，同時(shí)兼顧土體的剪切硬化以及壓縮硬化，并遵循摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。

HSsmall 模型為雙曲線彈塑性模型，在考慮土體剪切硬化和壓縮硬化的同時(shí)，充分考慮了三軸試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)等不同應(yīng)力路徑下的土體性能。除此之外，該模型引進(jìn)了剛度應(yīng)變相關(guān)性，可用以模擬從小應(yīng)變（低于10-5）到大應(yīng)變（高于10-3的工程應(yīng)變）范圍內(nèi)土體的不同響應(yīng)［6-8］。

相比于HS 模型，HSsmall 模型不僅具有等向硬化彈塑性模型的全部特點(diǎn)，還考慮了土體在小應(yīng)變時(shí)的剛度應(yīng)變相關(guān)性。因此，建模采用了能夠更好地反映土體工程特性的HSsmall模型。

2.2 數(shù)值仿真模型

數(shù)值仿真模型主要包括路堤結(jié)構(gòu)、巖土體及抽水井3 部分。路堤結(jié)構(gòu)和巖土體采用實(shí)體單元建模，抽水井則采用排水線單元建模。鑒于模型尺寸與樁身尺寸的多量綱差異及數(shù)值計(jì)算的速度，采用目前通用的復(fù)合地基計(jì)算方法將路基底部的長(zhǎng)樁、短樁按照剛度等效原則進(jìn)行簡(jiǎn)化。數(shù)值模型底部采用固定邊界，四周采用補(bǔ)給邊界，以模擬實(shí)際的地下水分布［9］。

由于模型邊界條件會(huì)對(duì)模型的計(jì)算產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。為消除此影響，設(shè)置模型尺寸為190 m（長(zhǎng)）×140 m（寬）×190 m（高）。土層分布情況及對(duì)應(yīng)厚度從上至下依次為：新黃土厚12 m，粉質(zhì)黏土厚13 m，粉土厚10 m，粉質(zhì)黏土厚13 m，粉土厚22 m，深層粉質(zhì)黏土厚60 m，深層黏土厚30 m，深層砂厚30 m。在此基礎(chǔ)上，模型采用10個(gè)節(jié)點(diǎn)的高精度四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共剖分了17 949 個(gè)單元，26 458 個(gè)節(jié)點(diǎn)。路堤結(jié)構(gòu)-抽水井?dāng)?shù)值仿真模型如圖2所示。

圖2 路堤結(jié)構(gòu)-抽水井?dāng)?shù)值仿真模型

2.3 等效原理

實(shí)際的路基底部需要布設(shè)預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行地基加固，模擬時(shí)需要運(yùn)用等效原理計(jì)算壓縮模量Ec，即

式中：EP為樁身的壓縮模量；Es為樁間土的壓縮模量；m為復(fù)合地基面積置換率。

預(yù)應(yīng)力管樁采用C25 混凝土的楊氏模量28 GPa，并按照置換率5%考慮復(fù)合地基置換區(qū)間等效剛度。樁的剛度遠(yuǎn)大于土的剛度，忽略土的剛度，計(jì)算得到剛度為1.4 GPa。按照安全系數(shù)1.4計(jì)算，預(yù)應(yīng)力管樁楊氏模量最終取1.0 GPa。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力管樁區(qū)域，實(shí)際上是對(duì)樁+樁間土進(jìn)行加固處理，按JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》［9］的規(guī)定：預(yù)應(yīng)力管樁壓縮模量為（100～120）fcu，假定fcu取1.2 MPa，計(jì)算得出預(yù)應(yīng)力管樁壓縮模量為120～240 MPa。彈性模量可取壓縮模量的3～5 倍。本次計(jì)算偏保守考慮，取500 MPa。由此可得，加固區(qū)的等效剛度為1 500 MPa。

2.4 計(jì)算參數(shù)

通過(guò)密度試驗(yàn)、含水率試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)及滲透試驗(yàn)等室內(nèi)土工試驗(yàn)確定相應(yīng)土壤密度、含水率、滲透系數(shù)、黏聚力和內(nèi)摩擦角。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及《工程地質(zhì)勘察手冊(cè)》中關(guān)于巖土體參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值，確定土壤參數(shù)，見表1。

表1 土壤參數(shù)取值

2.5 抽水過(guò)程模擬

由于此抽水井為飲水井，全年均在使用，因此本研究以3年為周期?？紤]到飲水井的功能性要求，其抽水量及抽水時(shí)間具有不確定性，采用偏保守估計(jì)，設(shè)置每月抽水20 d，休息10 d，通過(guò)間歇性抽水保證地下水位的恢復(fù)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 場(chǎng)地沉降及地層水壓力變化

根據(jù)上述抽水過(guò)程，計(jì)算得到抽水3年引起的地表沉降云圖及停止抽水10 d 后的場(chǎng)地沉降云圖，見圖3。可以看出，抽水3年后，抽水井附近的工程場(chǎng)地最大沉降量為4.114 mm。在此基礎(chǔ)上，停止抽水10 d后，場(chǎng)地部分土層出現(xiàn)回彈，最大沉降量變?yōu)?.324 mm。井點(diǎn)降水引起的地面沉降呈漏斗狀分布并向四周輻射，從而使路堤出現(xiàn)沉降變形。

抽水前后孔隙水壓力對(duì)比見圖4?？梢钥闯觯捎陂L(zhǎng)時(shí)間抽水，導(dǎo)致水井周圍土體內(nèi)部孔隙水壓力減小，使得土骨架間的相互作用增加，土體所受有效應(yīng)力增大，使孔隙水壓力云圖與位移云圖相似，呈漏斗狀分布。

圖3 抽水引起的沉降云圖

圖4 抽水前后孔隙水壓力對(duì)比

3.2 抽水對(duì)路面沉降的影響

與灌溉井不同的是飲水井的抽水周期為全年，土體不能長(zhǎng)時(shí)間保持回彈狀態(tài)，其對(duì)路面沉降的影響也與灌溉井有所差別。模型選取3 個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，A 為中部路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)，B，C 為邊側(cè)路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)。抽水3年期間其沉降曲線見圖5?？芍诔樗陂g，路堤先發(fā)生沉降之后發(fā)生回彈，回彈后的沉降量形成一條斜率為負(fù)且絕對(duì)值很小的近乎穩(wěn)定的曲線，邊側(cè)路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降量為2.968 mm，中部路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量較邊側(cè)路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)大，其最大沉降量為3.094 mm。

圖5 抽水3年期間路面沉降曲線

4 結(jié)論

本文基于PLAXIS 3D 建立流固耦合模型，通過(guò)數(shù)值仿真模擬大西高速鐵路運(yùn)營(yíng)段抽水井對(duì)路堤沉降的影響。主要結(jié)論如下：

1）抽水井抽水后由于孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加，其場(chǎng)地位移云圖和孔隙水壓力云圖均呈漏斗狀分布，中心井點(diǎn)沉降最大，呈同心圓狀向周圍輻射且逐漸減小，從而影響路基安全性。

2）對(duì)于飲水井抽水，其中部路面沉降量大于邊側(cè)路面沉降量，停止抽水后沉降值形成一條斜率為負(fù)且絕對(duì)值很小的近乎穩(wěn)定的曲線。

3）Q/CR 9230—2016《鐵路工程沉降變形觀測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》第7.2.1 條規(guī)定：工后沉降不宜超過(guò)15 mm。本文算例分析的這處抽水井引起的路基最大沉降量為3.094 mm，可見該井不必作填埋處理。