區域沉降影響因素分析和計算

馮柯志

大連交通大學

區域沉降影響因素分析和計算

馮柯志

大連交通大學

區域沉降分析與預測對于沉降控制技術的發展來說是很重要的。通過搜集與課題研究相關的國內外文獻資料去分析，了解了國內外面對沉降控制這一難題時，知道該如何去更好地控制沉降，找到控制沉降最關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前遇到的工程問題。本文結合德大鐵路針對地區沉降特性，以及對鐵路工程的影響，考慮影響因素，結合數值計算方法對選取研究段，建立模型進行模擬計算，對比不同因素條件下沉降最大值變化情況。

區域地面沉降；沉降因素；流固耦合；數值模擬計算

1 引言

土體變形條件、應力平衡條件和邊界條件十分的復雜時，并且偏微分方程的變系數由土體的非線性引起，求解比較困難。這時需要結合計算機和數學的數值分析，且土體參數關系確定，就可以求解較符合的值。目前比較常用是有限元法[1]。

對于土體進行有限元分析，需從總應力和有效應力去考慮，總應力一般不考慮滲流固結，通過土骨架和孔隙傳遞和承受應力[2]需要同時考慮土骨架變形和孔隙水滲透，因此它比總應力分析更合理更真實分析土體和計算其荷載響應，同時也具有復雜性。

2 流固耦合模型建立分析

本文采用的是基于摩爾-庫倫模型，結合FLAC3D程序進行模擬材料在各種狀態下發生的力學行為[3],因為涉及到含水層的壓縮與不透水層的排水固結產生了抽水引起的地面沉降,分析問題的時間應選擇在地面沉降己經完全發生以后,因此大于釆取排水分析法,釆用先setfluid on mech off模式進行滲流穩態計算,再利用set fluid off mech on達到力學平衡[4]。

土層中抽取地下水引起水位變化，然后去分析土體性質和水位變化對區域沉降影響程度。依次將土層厚度設為變化因素，計算對區域沉降的影響。

3 參數取值

因抽取地下水導致含水土層發生沉降，根據資料選取抽水土層的半徑范圍為200m，設初始水位為0m，地層參數如下：

表2 土層參數情況

4 建立并劃分網格

由地區的地下水特征，以抽水點為中心，建立邊長為300m的正方形區域，水平方向劃分15格，釆用變尺寸網格劃分,豎直方向1m劃分一個網格。對于本模型，定義地表邊界不約束，一側固定水平方向位移，與地面垂直方向固定，因抽水半徑為200m，需要固定200m以外區域孔隙定義為透水邊界，隨時流入流出三維網格的劃分。

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行模擬分析區域沉降情況。

由計算可看出，地下水的抽取產生的區域地面沉降，其最大值中心即井點中心，隨著離井點中心距離越大，沉降變化也在減小。

圖2-5 最大值隨砂土厚度變化情況

從分析得到的結果看出，在一種土層情況下，設水位不變，厚度對其沉降影響較大；當厚度增加到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，當土層超過15m后，區域沉降發展趨于穩定，這是因為水位恒定孔壓對沉降影響受到限制。如果土層厚度較大，對區域沉降影響也會更小。

6 結論及建議

(1)根據德大線實際工程資料，設定不同沉降條件下，模擬分析計算沉降最大值，有利于分析沉降的影響因素，例如地下水抽取、土層性質等。

(2)結合對比分析的方法，設定同一個變量，另一個變量不同的條件下，找出沉降發生的規律。

(3)隨著鐵路高速化的發展，考慮區域沉降的主要因素有哪些，有利于采取可行性措施進行區域沉降的控制，保護軌道的平順性也減少了鐵路運營的維護成本。

[1]陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

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

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

[4]江偉.基于摩爾庫倫模型軟基沉降預測:[碩士學位論文].長沙:長沙理工大學,2009.

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