高速铁路采空区群桩受力机理数值模拟

梁 鑫,程谦恭,杨 颋,李传宝,黄太武

( 1.西南交通大学, 成都 610031； 2.广西科技大学,柳州 545006； 3. 中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

高速铁路采空区群桩受力机理数值模拟

梁 鑫1,2,程谦恭1,杨 颋1,李传宝3,黄太武3

( 1.西南交通大学, 成都 610031； 2.广西科技大学,柳州 545006； 3. 中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

对高速铁路采空区桥梁群桩基础的受力机理研究,目前还非常少见。以合肥至福州高速铁路官山底特大桥采空区群桩基础为原型,通过数值模拟获得群桩受力规律。研究表明：随着荷载增大,桩上部轴力变化明显,桩身轴力沿深度逐渐减小,在采空巷道内桩身轴力不变,所有桩均为端承摩擦桩；桩侧摩阻力沿桩身先增大后减小,整个桩的侧摩阻力分布重心下移,穿过采空区的桩侧摩阻力分布重心比未穿越采空区的桩下移深度略深；承台下中部的桩间土应力要大于承台边角位置的桩间土应力,随着荷载增大,桩间土应力增长速率小于桩顶应力,桩身开始承担更多荷载。

高速铁路；采空区；群桩基础；受力机理；数值模拟

目前已有多条普速铁路穿越采空区的工程实例，并取得了一定的设计施工经验。高速铁路线路标准高，遇到大型采空区一般采取绕避措施；但对小型采空区完全绕避在技术和经济上并不是最优选择，采取适当的工程措施，小型采空区是完全可以安全通过的。高速铁路采空区桥梁群桩基础的研究成果较少，桩基设计中经验比重较大。桩受力研究最为可靠的方式是现场监测，但资金投入巨大和时间较长，不能大量采用，而数值模拟方法能低投入、快速、完整地模拟实际复杂情况，可以弥补现场监测研究的不足[1]。合肥至福州客运专线设计时速350 km，经过安徽省、江西省，福建省，线路通过的上饶段采空区主要以小型煤矿采空区为主，桥梁下伏采空区以群桩为主要处理措施，以官山底特大桥采空区桥基为原型，对其受力机理进行数值模拟研究。

1 工程概况

官山底特大桥位于江西省上饶市四十八镇与应家乡境内，桥址起讫里程为DK497+695.75～DK499+885.26，桥梁结构形式为简支梁。62号桥墩群桩基础，里程DK499+682.28；承台沿桥顺方向长9 m，横向宽12.6 m，高2.5 m；桩径1.25 m，横向桩间距为3.4 m，纵向桩间距为3.3 m，桩长均为49.5 m，共11根桩。采空巷道顶板深度为26 m，采空巷道延伸方向与铁路走向呈90°角，其底板宽3.3 m，底板中心距离顶板高度为3 m。承台平面见图1(a)。

基础地层主要有4层，从上到下依次是：(1)素填土；(2)全风化炭质页岩，设计承载力为σ0=200 kPa；(3)强风化炭质页岩，设计承载力为σ0=350 kPa；(4)弱风化炭质页岩，设计承载力为σ0=500 kPa。地层和采空巷道情况见图1(b)和图1(c)。

2 模型建立及计算

2.1 模型参数

采用FLAC3D软件数值模拟，数值计算模型如图2所示。模型计算深度取80 m，横向宽度为80 m，纵向宽度取70 m。对模型底面边界设置X、Y、Z三个方向的约束，即固定支座约束；左右和前后两侧边界设置水平约束，竖向无约束，即竖向滑动支座约束；上部则是自由边界。

承台采用各向同性弹性本构模型，材料参数有密度、体积模量、剪切模量；地层采用摩尔-库伦弹塑性本构模型，材料参数有密度、内聚力、内摩擦角、体积模量、剪切模量。根据官山底特大桥工程地质勘察报告和铁路工程地质手册[2]确定承台下地层的岩土力学参数见表1。

桩单元采用FLAC3D自带的桩单元模型，桩单元尺寸按实际尺寸建立，其他参数根据文献[3-4]选取。桩单元穿过了不同的土层，因此需要对不同地层的桩赋予相应的参数，参数的正确性是影响数值模拟结果准确性的主要因素之一，根据经验建议[5-6]cs_scoh(剪切耦合弹簧的内聚力)取值采用公式(1)，cs_sfric(剪切耦合弹簧的摩擦角)取值采用公式(2)，cs_sk(剪切耦合弹簧的刚度)的取值采用公式(3)

式中,c为土体黏聚力，p为桩周长。

式中，φ为土体的内摩擦角。

式中，k为土压力系数；γ为土体的重度，N/m3；z为计算处桩的平均入土深度，m；φ为土体的摩擦角，(°)。

桩单元所有参数见表2和表3。

2.2 数值模拟计算流程

在FLAC3D的地层模型建立好以后，为相应模型赋予正确的参数，然后对其边界进行约束以后，在自重作用下进行初始地应力场的生成，用solve命令计算至平衡状态。

完成初始地应力场的生成以后，进行桩单元的生成。由于部分桩单元穿过采空巷道，并且经过了不同的土层，所以对同一编号桩基础进行分段生成，根据土层参数对其分别赋值，赋值完成在节点相连合并为一根桩。完成桩的建立后，在承台墩部对应位置施加荷载，荷载分为5级，前一级荷载施加计算完成后在此基础上再施加下一级荷载，依次用solve命令计算至平衡状态，提取相关数据进行分析。承台上部荷载主要由墩身自重、梁自重以及列车荷载[7]组成，施加于承台墩身作用截面。为了研究基础的受力特征，荷载分为5次加载，荷载分级见表4。

2.3 监测点的设置

基础沉降监测点分为3类，分别为桩顶应力监测点、桩间土应力监测点和桩身轴力监测点。采用FLAC3D软件的hist命令进行监测并记录，监测点布置如图3所示。

(1)Z1～Z4为桩顶应力监测点，其位置分别对应1、2、5、6号桩的桩顶，如图3(a)所示，因群桩桩位和荷载均为对称布置，这4根桩的受力特征能代表整个群桩中所有桩的受力特征；

(2)T1～T4为桩间土应力监测点，T1、T3位于两桩之间，T2、T4位于三桩之间，如图3(a)所示；

(3)沿1、2、5号和6号桩桩身布置轴力监测点，如图3(b)、图3(c)所示。

3 结果与分析

3.1 桩身轴力

图4为1、2、5、6号桩的桩身轴力随深度变化曲线。其中1、2号桩是未穿过采空巷道的桩，5、6号桩是穿过采空巷道的桩。由图可以看出，桩身轴力从桩顶到桩底，随着深度的增加而逐渐减小。荷载较小的时候，桩身轴力也较小，随着荷载的增大，桩身轴力也逐渐增大，特别是在桩顶变化明显，桩底轴力变化相对较小。1号桩未穿过采空巷道，第5次加载后，从桩顶到28.5 m处，轴力随深度从1 610 kN减小到1 140 kN，桩身轴力衰减较快；从28.5 m到桩底，轴力随深度继续减小，其桩底部轴力为597 kN，但是轴力衰减相对减慢，这表明由于桩土相对位移减小，桩侧摩阻力也在减小。5号桩穿过采空巷道，第5次加载后，从桩顶到26 m处，轴力随深度从1 818.27 kN减小到1 342.82 kN，桩身轴力衰减较快，该段随着荷载增大，桩土间产生相对位移的趋势也在增大，所以侧摩阻力逐渐增大，因此桩身轴力逐渐减小；29～32 m由于处于采空巷道段，该段轴力不变为1 217.38 kN，之后轴力随深度继续减小，其桩底部轴力为599.58 kN，但是轴力衰减相对减慢。6号桩也穿过采空巷道，受力情况与5号桩相似。在第5次加载后，4根桩的荷载分布和桩类型如表5所示，4根桩均以侧摩阻力为主，为端承摩擦桩，2、5号和6号桩桩顶荷载十分接近，1号桩处于角桩位置，荷载较小。

3.2 桩侧摩阻力

图5为桩侧摩阻力随深度变化曲线。由图可以看出，桩侧摩阻力从桩顶到桩底先增大后减小。荷载较小的时候，由于桩身轴力较小，侧摩阻力变化不明显，随着荷载的增大，桩身轴力逐渐增大，侧摩阻力也随之增大。桩底端轴力较小，侧摩阻力较小。1号桩未穿过采空巷道，第5次加载时，侧摩阻力从深度2.5～25.5 m呈上升趋势，该段侧摩阻力从2.90 kPa增大到6.64 kPa，变化明显；侧摩阻力在25.5～28.5 m段达到最大为9.34 kPa；从28.5 m到桩底端，侧摩阻力逐渐减小。2号桩与1号桩受力情况相似。5号桩穿过采空巷道，在第5次加载时，侧摩阻力从深度2.5～26 m，逐渐增大，该段侧摩阻力从3.3 kPa增大到8.85 kPa，因为随深度增加，桩土相对位移较大，侧摩阻力变化愈加明显。采空巷道段(26～29 m)桩侧摩阻力为零，侧摩阻力在29～32.5 m处达到最大为10.65 kPa。从32.5 m到桩底端，侧摩阻力逐渐减小。6号桩穿过采空巷道，受力情况与5号桩相似。本工点承台为低承台，荷载作用下承台下桩间土受力，较浅地层发生了较大沉降，减小了较浅处地层的桩土相对位移，桩上部侧摩阻力未得到很好发挥，整个桩的侧摩阻力分布重心下移[8，9]，2、5号和6号桩第5次加载时桩顶荷载基本一致，处于采空区位置的5号和6号桩侧摩阻力分布重心在30～35 m，比未穿越采空区的1号桩深5 m左右(25～30 m)，原因为采空区顶板在桩侧摩阻力下拉作用和桩间土应力作用下变形比其他桩土层更大，较大的沉降减小了桩土相对位移量，限制了浅层地基侧摩阻力的发挥。

3.3 桩间土应力与桩顶应力

图6为桩间土应力随荷载变化曲线，图7为桩顶应力随荷载变化曲线。由图6可以看出，随着荷载的增大，桩间土应力也逐渐增大。两桩之间和三桩之间的土应力随荷载增加而增加，且增加速率大致相同，T2、T4两点位于三桩之间，桩间土应力分别为161.26 kPa 和220.45 kPa 。T1、T3位于两桩之间，由于T3靠近承台中心，受力较大，所以应力略大，桩间土应力为172.24 kPa ；T1离承台中心较远，所以应力略小于其他三点，其桩间土应力为133.09 kPa。由于荷载主要施加在中心，所以承台下中部的桩间土应力要大于承台下边角位置的桩间土应力。

由图7可以看出，随着荷载的增大，桩顶应力逐渐增大。前3次加载后4根桩桩顶应力基本一样，后2次加载处于角桩位置的1号桩桩顶应力明显的要小于其他3根桩。

桩土应力比为桩顶应力与桩间土应力的比值。图8为桩土应力比变化曲线。本文把4个桩间土应力的平均值作为该图的桩间土应力，把4个桩顶应力平均值作为该图的桩顶应力。由图8可以看出，桩顶应力和桩间土应力相差比较大，随着荷载的增加，桩土应力比从2.6左右增加到9.0左右，说明桩顶应力比桩间土应力增长要快，桩身开始承担更多的荷载。

3.4 桩荷载分担比

表6为桩荷载分担比。图9为桩荷载分担比变化曲线。桩荷载分担比为桩承担的荷载与总荷载的比值。由图9可以看出，随着荷载的增加，桩身所承担的荷载逐渐增加。在第1次加载的时候，桩身承担荷载占总荷载的25.4%，随着荷载的增加，在第5次加载后，桩身应力逐渐增大，桩身承担荷载占总荷载的52.0%，建议在此类桩基设计中可适当地考虑承台下桩间土分担荷载的作用。

4 结语

通过对官山底特大桥桥梁群桩基础的数值模拟研究，得出了荷载作用下采空区群桩受力机理，主要结论如下。

(1)桩身轴力随着荷载的增大而增大，桩上部轴力变化明显，桩身轴力沿深度逐渐减小，在采空巷道内桩身轴力不变，所有桩均以侧摩阻力为主，类型为端承摩擦桩。

(2)桩侧摩阻力沿桩身先增大后减小。穿过采空巷道的桩，在该段侧摩阻力为零，整个桩的侧摩阻力分布重心下移，穿过采空区的桩侧摩阻力分布重心比未穿越采空区的桩下移深度略深。

(3)桩间土、桩顶应力随着荷载的增大而增大，承台下中部的桩间土应力要大于承台底边角位置的桩间土应力，荷载较小时桩顶应力基本一致，加载后期角桩位置桩顶应力最小。

(4)随着荷载增大，桩间土应力增长速率小于桩顶应力，桩身开始承担更多荷载，桩荷载分担比也因此逐渐增大。此类桩基设计中可适当地考虑承台下桩间土分担荷载的作用。

本次数值模拟的采空区正好处于基础正下方，从受力和均匀沉降来说对工程是有利的。众多工程中采空区的位置和群桩布置[10-12]是多种多样的，今后可以开展多种工况下的研究，使采空区群桩基础的设计理论形成一个完整的体系，更好地为工程服务。

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NumericalSimulationonMechanicalMechanismofPile-GroupFoundationofHigh-speedRailwayinGoafArea

LIANG Xin1, 2, CHENG Qian-gong1, YANG Ting1, LI Chuan-bao3, HUANG Tai-wu3

(1.Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.Faculty of Civil Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China;3.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

The aim of this paper was to study the mechanical mechanism of bridge pile-group foundation of high-speed railway in goaf area, while a study of this kind still remains very rare at present. In this paper, the pile-group foundation of Guanshandi super-major bridge on Hefei-Fuzhou high-speed railway was taken as the example, and then the mechanical behavior of the pile-group foundation was revealed by the use of numerical simulation. The research result shows: (a) With the increasing of load, the pile-shaft axial force obviously changes at the upper part of the pile, gradually decreases along the pile shaft towards the bottom, and remains the same within the range of goaf roadway; all the piles are of end-bearing friction pile. (b) The pile side friction increases at first and then decreases along the pile shaft, and the distribution centroid of the pile side friction of the whole pile lowers down; the distribution centroid of the pile side friction of the piles passing through the goaf area is deeper than that of piles not passing through the goaf area. (c) The soil stress between piles below the bearing platform at the center place is larger than that at the edge places; and with the increasing of load, the increment rate of soil stress between piles is slower than that of pile top stress, that is to say, the pile top begins to bear a larger proportion of load.

high-speed railway; goaf area; pile-group foundation; mechanical mechanism; numerical simulation

2013-08-19；

：2013-09-14

铁四院科技研究开发计划课题(2010K31)

梁 鑫(1979—)，男，讲师，博士研究生，E-mail：liangxin819@126.com。

1004-2954(2014)05-0049-06

U238； U443.15

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.05.012