抽降水對(duì)高速鐵路橋梁樁基的影響

梁 峰

（中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

近年來，因工業(yè)以及民用水的需求而對(duì)高速鐵路沿線地下水進(jìn)行開采的現(xiàn)象越來越多。然而地基土?xí)捎诖罅康叵滤婚_采而產(chǎn)生沉降，致使臨近高鐵樁基的沉降量加大，對(duì)高鐵運(yùn)營(yíng)的安全性而言具有較大的影響。以高鐵橋梁樁基在抽降水時(shí)的工作狀況進(jìn)行研究分析。

1 工程概況

某高速鐵路橋梁全長(zhǎng)132 m，分為5 跨24 m，群樁基礎(chǔ)。該鐵路橋梁為單線通車橋梁，其上部通過預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T 梁搭接在橋墩上形成。該橋梁處于井水開發(fā)區(qū)，兩側(cè)多有井口布置，具有較大的井水開采量，地下水位變動(dòng)較大。

2 項(xiàng)目概況

選定橋梁樁基尺寸為350×350×80 m，水井尺寸深寬為80×2 m。采用密集網(wǎng)格對(duì)承臺(tái)下部土體以及抽水井進(jìn)行劃分，采用稀疏網(wǎng)格對(duì)外側(cè)土體進(jìn)行劃分。群樁基礎(chǔ)模擬對(duì)象位為1#橋墩下，所選對(duì)象承臺(tái)尺寸為10 m×9 m×2.5 m，在其下部布置有9 根長(zhǎng)45 m 直徑1 m 的樁基，樁基與承臺(tái)采用的連接方式為剛接。

沿場(chǎng)地周圍設(shè)置降水井，將地下水從排水分管中抽到地面，再匯總進(jìn)入總管后再排出場(chǎng)外。將消防栓以及水閥門設(shè)置在總管上，以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的臨時(shí)要求。

抽水井采用垂直切槽式的濾水管，總長(zhǎng)為30 m，處于地面下50 m 左右。再安設(shè)好所有抽水井管之后，還需放置浸水式馬達(dá)。安設(shè)好馬達(dá)后再在其上配置揚(yáng)水管以及控制系統(tǒng)。抽降水的控制系統(tǒng)主要由排水管路，控制流量的閥門等組成。

3 不同抽水工況對(duì)橋梁樁基的影響

分析該橋梁的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該橋梁及其沿線路面沉降較大地區(qū)均處于井口布設(shè)密集、開采地下水較多的位置。為對(duì)以上原因進(jìn)行分析，采取的方法是數(shù)值模擬，研究水井內(nèi)開采水位，不同水井?dāng)?shù)量對(duì)鐵路橋梁樁基沉降及內(nèi)力的影響。

3.1 井中開采水位對(duì)橋梁樁基的影響

為研究高速鐵路橋梁樁基沉降及內(nèi)力和井口開采水位之間的關(guān)系，所設(shè)置的方案如表1 所示。降低水位至指定水位，終止流固耦合計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)為群樁沉降趨于穩(wěn)定時(shí)的參數(shù)，對(duì)井周地面的沉降針對(duì)不同降水位進(jìn)行分析，得出結(jié)果。

表1 井中開采水位對(duì)橋梁樁基的影響分析方案

3.2 井中開采水位對(duì)群井周圍地面沉降的影響

圖1 井內(nèi)不同水位時(shí)土層的浸潤(rùn)曲線

從圖1 可看出，井內(nèi)部以及井周圍土體的水位在抽水時(shí)保持一致，浸潤(rùn)曲線形狀呈現(xiàn)為漏斗形；伴隨著井內(nèi)不斷降低的水位，增大了抽水影響的范圍，使位置相同的土層水位持續(xù)下降。

圖2 所示地面沉降與井中水位關(guān)系曲線圖所選取的地面沉降值為以群井中心為原點(diǎn)直徑為100 m 的圓范圍。從圖中可看出，地面在同一位置隨著不斷下降的井中水位沉降量也在不斷升高，且沉降范圍也呈現(xiàn)以漏斗狀不斷增加，地面沉降值最為劇烈的位置在群井中心，該區(qū)域外的沉降較緩。

3.3 橋梁樁基沉降與開采井中水的關(guān)系

隨著井內(nèi)水位不斷的下降群樁樁頂?shù)某两盗坎粩嘣龃螅簶稑俄數(shù)淖钚〉某两盗课挥诰畠?nèi)水位下降<9 m 時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果表明井內(nèi)水位的降低與群樁樁頂沉降成正比。

圖2 地面隨著井內(nèi)水位變化的沉降曲線

3.4 橋梁樁基內(nèi)力與開采井中水的關(guān)系

（1）角樁、側(cè)樁及近井中樁。隨著井中水位的不斷下降，角樁、側(cè)樁及近井中樁的樁頂周圍均作用有負(fù)摩阻力。當(dāng)降低較小（＜9 m）的井中水位時(shí)，角樁、側(cè)樁及近井中樁受到的作用力主要為正摩阻力并且該作用力總體上不斷沿著樁身上升。當(dāng)井中水位的下降量不斷增多時(shí)角樁、側(cè)樁及近井中樁上部越來越多的范圍受到負(fù)摩阻力作用，在該范圍內(nèi)，沿著樁身的該種負(fù)摩阻力呈現(xiàn)出的趨勢(shì)為先上升后降低。角樁、側(cè)樁及近井中樁所受正摩阻力表現(xiàn)為中性點(diǎn)以下的范圍作用力不斷增強(qiáng)。隨著不斷降低的水位，中性點(diǎn)位置不斷降低。

（2）中心樁。隨著井中水位不斷下降，負(fù)摩阻力主要作用在中心樁樁頂下0～34 m；正摩阻力主要作用在中心樁樁頂下34～44 m并且呈現(xiàn)出沿著樁身不斷上升的趨勢(shì)。當(dāng)井中水位持續(xù)降低時(shí)，摩阻力在樁周同一位置的作用力不斷上升。井中水位的降低對(duì)中心樁中性點(diǎn)位置的影響較小，有較多中性點(diǎn)出現(xiàn)。

分析可知，隨著井中水位的不斷下降，除去中心樁外，其余樁沿著樁身所承受的摩阻力變化基本一致。當(dāng)井中水位下降程度相同時(shí)，所承受摩阻力最大的為角樁，最小的為中心樁，側(cè)樁和近井中樁具有大小相近的摩阻力。隨著井中水位的下降，各種單樁同一位置所受到的摩阻力呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)。

4 水井?dāng)?shù)量對(duì)橋梁樁基的影響

所設(shè)置研究橋梁樁基沉降以及樁基內(nèi)力與不同水井?dāng)?shù)量的方案見表2。此模塊內(nèi)容將直接給出試驗(yàn)結(jié)果。

表2 研究水井?dāng)?shù)量對(duì)橋梁樁基影響方案

4.1 水井?dāng)?shù)量對(duì)群井周圍地面沉降的影響

從井周圍地下水的浸潤(rùn)曲線可知，在保持一定的井內(nèi)水位時(shí)，水井?dāng)?shù)量的增多增大了群樁水位的下降高度；且隨著水井?dāng)?shù)量的增加，水位影響范圍也不斷增加。

從地面沉降曲線可知，水井?dāng)?shù)量的增加，增大了群樁基礎(chǔ)同一位置處的沉降量以及沉降范圍，且和浸潤(rùn)曲線一樣的是地面沉降也呈現(xiàn)出漏斗狀，群井所在處具有較大的沉降，反之群井以外區(qū)域的沉降則較小。

4.2 水井?dāng)?shù)量對(duì)橋梁樁基沉降的影響

通過將水井內(nèi)水位降低至指定標(biāo)高后，分析不同的水井?dāng)?shù)量對(duì)群樁沉降的影響可知，隨著不斷增加的水井?dāng)?shù)量，群樁沉降量也在不斷上升，并且當(dāng)保持水井內(nèi)的水位不變時(shí)增加水井?dāng)?shù)量，群樁具有較為穩(wěn)定的沉降量。

4.3 水井?dāng)?shù)量對(duì)橋梁樁基內(nèi)力的影響

將井內(nèi)水位降低至指定標(biāo)高后，分析各個(gè)單樁在不同水井?dāng)?shù)量進(jìn)行降水時(shí)的內(nèi)力情況。從整體上看可知，角樁、側(cè)樁以及近井中樁所表現(xiàn)的沿樁身的摩阻力變化規(guī)律為：盡管所采取的抽水井?dāng)?shù)不同，但不管是何種情況均有負(fù)摩阻力作用在樁身的上半段，正摩阻力作用在樁身的下半段。樁體沿著樁身所受到的負(fù)摩阻力呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，在樁身同一位置處隨著水井?dāng)?shù)量的上升負(fù)摩阻力也不斷上升；沿著樁身的正摩阻力呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，在樁身同一位置處隨著水井?dāng)?shù)量的上升正摩阻力不斷增大。隨著水井?dāng)?shù)的不斷增加角樁中性點(diǎn)埋置深度也在不斷上升。中心樁的摩阻力影響范圍同上述樁體一致，隨著不斷增加的水井?dāng)?shù)，中心樁樁身同一位置處的負(fù)摩阻力和正摩阻力均呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，并且中性點(diǎn)有多個(gè)。

5 結(jié)束語

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)橋梁樁基的沉降及內(nèi)力在不同井內(nèi)開采水位及不同水井?dāng)?shù)量工況下的變化規(guī)律進(jìn)行研究，重點(diǎn)對(duì)兩種工況下的群井周圍地面浸潤(rùn)曲線以及地面沉降，樁基沉降及內(nèi)力進(jìn)行分析。主要結(jié)論有：

（1）當(dāng)不斷降低井內(nèi)水位時(shí)，抽水對(duì)橋梁樁基及周圍地面的影響范圍不斷增加，土層同一位置處的水位不斷下降；地面同一位置處的沉降不斷上升，影響范圍也逐漸上升；沉降量較為劇烈且較大的位置為群井中心；隨著水位的降低群樁沉降量和樁身同一處的摩阻力不斷上升。

（2）當(dāng)保持井內(nèi)水位不變時(shí)，增加群井?dāng)?shù)量使得群樁下部水位的降低深度不斷上升，影響范圍也不斷增加；隨著不斷增加的水井?dāng)?shù)量，地面同一位置的沉降量及其沉降影響范圍不斷上升；隨著不斷增加的水井?dāng)?shù)量，群樁沉降也在不斷上升，但當(dāng)水井?dāng)?shù)量上升到一定值之后，群樁保持穩(wěn)定高度沉降量不變；隨著水井?dāng)?shù)量的增加，樁身同一位置的摩阻力不斷上升。