高速鐵路采空區(qū)樁板結構路基沉降數(shù)值模擬

何文春

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

高速鐵路采空區(qū)樁板結構路基沉降數(shù)值模擬

何文春

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

樁板結構在國內(nèi)多條高速鐵路軟土黃土路基中已得到廣泛應用，但該結構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象，數(shù)值模擬分析路基的變形規(guī)律，為樁板結構處理高速鐵路采空區(qū)地基設計施工提供有價值的參考。研究表明：路基沉降主要集中于地基淺層；樁身長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；結構能夠有效限制采空巷道頂板變形；采用樁+承臺板結構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)；樁板結構；沉降；數(shù)值模擬

高速鐵路線路選線對大型采空區(qū)一般采取繞避措施,但對于小型采空區(qū)若全部繞避,對于滿足線路半徑標準和控制工程造價來說都是不利的。公路方面對于采空區(qū)的研究成果較多［1-2],但并不能很好滿足鐵路建設的需要。樁板結構已成功運用于京津［3]、武廣［4]、京滬、鄭西［5]滬杭［6]等多條高速鐵路,主要是針對軟土和黃土的路基處理,采用樁板結構對下伏采空區(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,如何對采空區(qū)進行處理及處理后的沉降變形機理課題仍然需要做大量的研究。本文對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行研究,分析其變形機理,為樁板結構處理高速鐵路下伏采空區(qū)地基設計施工提供參考。

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),設計為無作軌道,共4股道。該車站位于北山村小學右側的山坡上,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鋼筋混凝土承臺板加固,人工挖孔灌注樁直徑1.0 m,樁間距5.0 m,樁長12.0～25.0 m。承臺板結構采用C35鋼筋混凝土,厚1.2 m。承臺板以上路堤填土采用的是摻3%水泥的級配碎石。

DK499+920斷面概況如圖1所示,地層從上到下為強風化砂巖和弱風化灰?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,樁長不相同,斷面(圖1)樁長從左至右依此為21、12、17、18、18、15、20 m。斷面左側布置有4根橫截面尺寸為2.75 m×2.5 m的抗滑樁,樁長均為20 m,樁中心間距為5 m。1號采空巷道、2號采空巷道、3號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 模型建立及計算

本文采用FLAC3D軟件數(shù)值模擬。模型邊界:模型計算深度取實際最大樁長的的2倍(42 m)；橫向寬度為路堤底面寬度的3倍(105 m),即從坡腳向兩側各延伸1倍的路堤底面寬度；縱向寬度取5排樁,即取5倍的樁間距(25 m)。對模型底面邊界設置X、Y、Z 3個方向的約束,即固定支座約束；左右和前后兩側設置水平約束,豎向無約束,即豎向滑動支座約束；上部則是自由邊界。計算模型如圖2所示。

圖2 斷面三維工程地質模型

承臺板采用彈性本構模型,巖土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型。根據(jù)五府山車站工程地質勘察報告［7]和鐵路工程地質手冊［8]得到數(shù)值計算所需的各層巖土體物理力學參數(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,板樁結構+第一層填土為第一級荷載,填土高度2 m時為第二級荷載,填土高度3 m完成時為第三級荷載。

在FLAC3D的地層模型建立好以后,為相應模型賦予正確的參數(shù),然后對其邊界進行約束以后,在自重力作用下進行初始地應力場的生成,用solve命令計算至平衡狀態(tài)。然后按工況進行加載計算,共3次,每次計算均在前一級計算完成的基礎上進行,計算過程中采用hist命令監(jiān)測記錄各監(jiān)測點的變形。小于2、3、4號樁樁頂?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,分析認為是由于1號樁處于路肩處荷載相對較小,雖然采空區(qū)對承載力有部分削弱,但該樁樁長較長,承載能力仍舊能夠保證。2、3、4號樁頂沉降量相差不大,2號樁與4號樁處于路基對稱位置,2號樁和4號樁都通過采空巷道,但2號樁的沉降量要小于4號樁的沉降量,原因是2號樁大部分埋置在弱風化灰?guī)r而4號樁大部分埋置在強風化砂巖,強風化砂巖的承載力要小于弱風化砂巖承載力。在施加第三級荷載后2號樁的沉降量為2.8 mm,1、3號樁沉降量相對較小,均約為1.6 mm。2號樁的沉降量大于1、3號樁的沉降量,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有關,而且是樁越長樁頂沉降量越小,這是由于隨著樁長的增大,樁側表面積也在增大,因此在同樣的樁頂荷載作用下,長樁的側摩阻力發(fā)揮較大,樁頂沉降相應變小。例如2號樁和4號樁位于路基中心兩側對稱位置且均穿過采空巷道,2號樁長16 m,4號樁長18 m,在第三級荷載作用下2號樁頂最終沉降為1.8 mm,4號樁頂最終沉降為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號樁沒有穿過采空巷道,最終沉降量為1.7 mm,4號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。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)測點,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)測點,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 承臺板頂?shù)装濉⒙返瘫砻嬷行某两?/p>

圖9為承臺板頂?shù)装灞O(jiān)測點沉降隨填土高度的變化曲線,從圖中可以看出承臺板頂?shù)装宓某两盗炕鞠嗤?J2監(jiān)測點的最大沉降量為1.528 mm,承臺板下表面對應點的沉降量為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)測點的沉降量為1.286 mm。承臺板上下表面的沉降趨勢和樁頂、樁間土的沉降趨勢基本相同。路堤表面中心(J1監(jiān)測點)沉降量為2.3 mm,完全滿足規(guī)范要求［10]。

圖9 承臺板頂?shù)装灞O(jiān)測點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號采空巷道在第一級填筑荷載作用下采空巷道頂板底端的沉降量為0.5 mm,在第二級填筑荷載作用下沉降量為0.7 mm,在第三級荷載沉降量為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。對于1號采空巷道,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)測點差值越小。而對一般采空巷道而言,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,從側面也反映了采用樁+承臺板結構作為采空巷道的處理方法是可行的。

4.7 抗滑樁側向位移

抗滑樁位于斷面左側路基坡腳處,抗滑樁外側為一坡比為1∶1.5的斜坡,坡度相對較陡,考慮到斜坡在路堤填筑荷載的穩(wěn)定性,在坡頂處設置抗滑樁。圖11為抗滑樁水平位移隨深度的變化曲線,從圖中可以出:抗滑樁的側向位移主要集中在樁的上半段,而且在8 m深度處側向位移最大,最大約為0.25 mm,10～14 m范圍側向位移減小十分快,在14 m處側向位移基本減小到0,14～20 m基本沒有側向位移。抗滑樁的側向位移十分小,最大側向位移僅為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 結論

通過數(shù)值模擬,獲得了采空區(qū)樁板結構路基的沉降特性,結論如下。

(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)測點,距離路基中心越近,相應的沉降量也就變大,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,承臺板頂?shù)装宓某两盗肯嗖詈苄?這是由于承臺板的剛度相對于承臺板下土的剛度大,在荷載作用下承臺板頂?shù)装骞餐鲁?沉降差基本上是承臺板自身的變形量。

(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)測點沉降量越大,這也表明樁能夠有效限制采空巷道頂板的變形。這種沉降趨勢和沒有采空巷道的地基沉降趨勢相同,同樣是距離地表越近沉降量越大,距離地表越遠沉降量越小。

(5)抗滑樁側向位移主要集中在樁身上半段,最大側向位移發(fā)生在強弱風化分界面位置處,結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)生側向位移。

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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

中鐵第四勘察設計院集團有限公司科研課題(2010K31)

何文春(1971―),男,高級工程師,1995年畢業(yè)于同濟大學地下建筑與工程系水文地質與工程地質專業(yè),工學學士,E-mail: 1932921437@qq.com。