高速铁路采空区桩板结构复合路基受力机理数值模拟

梁 鑫,程谦恭,王长宝,李传宝

高速铁路采空区桩板结构复合路基受力机理数值模拟

梁 鑫1,2,程谦恭1,王长宝1,李传宝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)

桩板结构在国内多条高速铁路软土和黄土路基中已得到广泛应用,但该结构用于处理路基采空区的研究成果不多。以合肥至福州高速铁路采空巷道上方车站桩板复合路基为研究对象,数值模拟分析路基的受力机理。研究表明:桩身轴力呈上大下小变化趋势,所有桩均为端承摩擦桩,穿过采空巷道的桩在采空巷道范围内轴力保持不变;所有桩桩侧摩阻力都呈现出先增大后减小的趋势,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要比未穿越采空区的桩要深,桩身越长侧摩阻力所占承载力比例越大;采空区复合路基的桩土应力比要比软土路基的小。

高速铁路;采空区;桩板结构;受力机理;数值模拟

高速铁路线路选线对大型采空区一般采取绕避措施,但对于小型采空区若全部绕避,对于满足线路半径标准和控制工程造价来说都是不利的。桩板结构已成功运用于京津[1]、京沪[2]和武广[3]高速铁路的软土路基处理,郑西[4]高速铁路的湿陷性黄土路基处理,遂渝高速铁路[5]的川东红土路基处理,高速铁路斜坡路基处理[6],沪杭客运专线上跨浅埋地铁深厚软土路基处理[7],采用桩板结构对下伏采空区地基的处理尚属于较新颖的研究课题,已有工程实践和理论研究成果少,如何对采空区进行处理及结构受力机理仍然需要做大量的研究。对合福高速铁路上饶段五府山车站采空区桩板结构复合路基的受力机理进行研究,为桩板结构处理高速铁路下伏采空区路基设计施工提供有价值的参考。

1 工程概况

五府山车站(DK499+763.83～DK500+835.00)位于上饶县城正南37 km处四十八镇,设计为无砟轨道,共4股道。该车站位于北山村小学右侧的山坡上,前(福州方向)接官山底特大桥,后(合肥方向)接四十八镇1号大桥,为桥桥过渡段。路基采用C35混凝土灌注桩和C35钢筋混凝土承台板加固,人工挖孔灌注桩直径1.0 m,桩间距5.0 m,桩长12.0～25.0 m。承台板结构采用C35钢筋混凝土,厚1.2 m。承台板以上路堤填土采用的是掺3%水泥的级配碎石。

DK499+920断面概况如图1所示,地层从上到下为强风化砂岩和弱风化灰岩,路堤填高3.0 m,路基顶面宽26 m,路基底面宽35 m,边坡坡比1∶1.5。桩间距为5.0 m,桩径1.0 m,因地层变化及采空巷道的埋深不同,桩长不相同,断面桩长从左至右依此为21、12、17、18、18、15、20 m。断面左侧布置有4根横截面尺寸为2.75 m×2.5 m的抗滑桩,桩长均为20 m,桩中心间距为5 m。1号采空巷道、2号采空巷道、3号采空巷道的高度分别为3、1.5 m和1.5 m。

图1 断面概况(单位:m)

2 模型建立及计算

采用FLAC3D软件进行数值模拟。模型边界深度取42 m(最大桩长的2倍);横向宽度取105 m(路堤底面宽度的3倍);纵向宽度取25 m(5倍的桩间距)。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;上部是自由边界;前后和左右两侧设置竖向滑动支座约束。计算模型如图2所示。承台板采用弹性本构模型,岩土体采用摩尔-库伦弹塑性本构模型。根据五府山车站工程地质勘察报告和铁路工程地质手册[8]得到数值模拟所需的各层岩土体及结构物理力学参数见表1。桩单元采用FLAC3D的Pile单元模型[9]。路基高度为3 m,采用分层填筑施工,每层填筑高度为1 m。按施工工况将荷载分为3级,板桩结构+第一层填土为第一级荷载,填土高度2 m时为第二级荷载,3 m完成时为第三级荷载。

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,在自重力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。然后按工况进行加载计算,共3次,每次计算均在前一级计算完成的基础上进行,计算过程中采用hist命令监测记录各监测点的内力。

图2 断面三维工程地质模型

表1 岩土体和结构物理力学参数

3 计算结果及分析

3.1 桩身轴力

选取断面4根桩进行桩身内力研究(图3),其中1号、2号和4号桩穿过采空巷道。监测桩穿过地层情况如表2所示。

图3 监测桩位置示意

图4 为监测桩桩身轴力沿深度变化曲线。从图中可以看出:在不同填筑荷载作用下,轴力沿桩身呈非线性分布,轴力总体变化趋势呈上大下小,随着荷载的增加轴力沿桩身整体增大,荷载越大桩身轴力沿桩长衰减的速率越快,穿过采空巷道的桩在采空巷道范围内轴力保持不变。荷载较小时,桩侧摩阻力承担了绝大部分荷载,桩端阻力很小,随着荷载的增加,桩端阻力逐渐加大。在填筑荷载作用下,桩端阻力占桩顶荷载的具体比例及桩的类型见表3。从数据可以看出,上述4根桩受力特性均为端承摩擦桩,以摩擦力为主。在第三级荷载作用时,桩长仅为12 m的2号桩在侧摩阻力占到70.6%,穿过采空区的3号桩桩长为17 m,侧摩阻力占到68.5%。可见在采空区桩板结构设计中不能简单地将桩底到达基岩的短桩归类为端承桩。

表2 监测桩穿越地层情况m

图4 各桩轴力沿深度变化曲线

表3 桩端阻力占桩顶荷载比例及桩的类型________

3.2 桩侧摩阻力

图5为桩侧摩阻力沿深度变化曲线。从图中可以看出:在荷载作用下4根桩的桩侧摩阻力都呈现出先增大后减小的趋势,在荷载作用下1～4号桩侧摩阻力由大变小的转折点分别位于桩顶以下13、13、9 m和15 m。本工程桩板结构承台为低承台,荷载作用下承台下桩间土受力,较浅土层发生沉降,减小了该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[10-11],且在三级荷载作用下,穿过采空区的桩侧摩阻力下移深度基本相同,分布重心在桩顶以下10～13 m,未穿越采空区的3号桩分布重心在桩顶以下9 m左右。对比可以发现,穿过采空区的桩侧摩阻力分布重心要比未穿越采空区的桩要深,原因在于1号、2号和4号桩采空巷道顶板在桩侧摩阻力下拉作用和桩间土压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,限制了浅层土侧摩阻力的发挥,使更深土层侧摩阻力得到发挥。通过对比1号桩和3号桩可以发现,1号桩的侧摩阻力所占桩顶荷载的比例要大于3号桩的侧摩阻力所占桩顶荷载的比例,即1号桩的桩端力所占桩顶荷载比例大于3号桩的桩端力所占桩顶荷载比例,表明桩身越长侧摩阻力所占比例越大。

3.3 桩间土应力

选取4个具有代表性的桩间土应力监测点,T1、T4位于两桩中心,T2、T4位于四桩中心,T1、T2靠近路肩处,T3、T4靠近路基中心,Z1～Z4为桩顶应力监测点。监测点平面布置如图6所示。

图5 桩侧摩阻力沿深度分布曲线

图6 监测点平面布置

图7 为桩间土应力随填土高度的变化曲线,从图中可以看出:桩间土应力曲线随着路堤填土呈现出明显的阶梯状变化。在同一横剖面处,四桩中心桩间土应力与两桩中心桩间土应力相差很小,四桩中心桩间土应力略微小于两桩中心桩间土应力;距离路基中心近的监测点桩间土应力略大,距离路基中心远的桩间土应力略小,例如T1、T4第三级填筑荷载作用下,桩间土的最大压应力分别为31.2、33.8 kPa。桩间土应力随着填筑荷载施加增加的幅度越来越小,从侧面反映出桩承担的荷载在增加而且幅度越来越大。例如T4桩间土应力监测点,在第一级填筑荷载作用下桩间土应力为18 kPa,在第二级填筑荷载作用下桩间土应力为27 kPa,在第三级填筑荷载作用下桩间土应力为32 kPa,可以很明显看出随着荷载的增加桩间土增大的幅度在减小。

图7 桩间土应力随填土高度的变化曲线

3.4 桩顶应力

图8为桩顶应力随填土高度的变化曲线,图中Z1为穿过采空巷道的1号桩桩顶监测点;Z3为没有穿过采空巷道的3号桩桩顶监测点。从图中可以看出:桩顶应力曲线随填土高度的变化趋势与桩间土应力曲线随填土高度的变化趋势是相同的,同样是随着填土高度的增加桩顶应力增大。随着填土高度的增加,桩顶应力的增幅是不断增大的,这也说明了桩分担总荷载的比重在增大。Z3监测点在第一级、第二级、第三级填筑荷载作用下桩顶应力分别为175 kPa、450 kPa、780 kPa,可以看出随着填土高度的增加,桩顶应力增大的幅度也在增大。

图8 桩顶应力随填土高度的变化曲线

3.5 桩土应力比

为了得到桩土应力比,把4根桩桩顶应力平均值作为断面的桩顶应力,把4个桩间土应力平均值作为桩间土应力。图9为桩土应力比随填土高度的变化曲线,从图中可以看出:桩土应力比随路堤填土高度增加而增大,在每一级填筑期间应力比都增大较快。例如当填土高度为2 m时,桩土应力比从第一级荷载的12增大到19,当填土高度为3 m时桩土应力比达到18.9,一般情况下由于土体徐变会使桩间土应力减小,最终的桩土应力比会比计算的结果略大,而京沪高速铁路软土桩板结构路基中最终桩土应力比为31.1[2]。

图9 桩土应力比随填土高度的时程曲线

4 结论

通过对合福高速铁路上饶段五府山车站采空区桩板结构复合路基的受力机理进行数值模拟研究,得出以下结论。

(1)桩身轴力呈非线性分布,轴力总体变化趋势呈上大下小,穿过采空巷道的桩在采空巷道范围内轴力保持不变,穿过和未穿过采空区的桩均为端承摩擦桩。

(2)荷载作用下4根桩的桩侧摩阻力都呈现出先增大后减小的趋势,所有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要比未穿越采空区的桩要深,桩身越长侧摩阻力所占比例越大。

(3)离路基中心近的点桩间土应力略大,距离路基中心远的桩间土应力略小,随着荷载的增加桩间土增大的幅度在减小,桩与其间的土体没有软土路基中的土拱效应。

(4)桩顶应力曲线随填土高度的变化趋势与桩间土应力曲线随填土高度的变化趋势是相同的,采空区复合路基的桩土应力比要比软土路基的小。

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Numerical Simulation on Stress Mechanism of Sheet-Pile Composite Subgrade of High-speed Railway in Goaf Area

LIANG Xin1,2,CHENG Qian-gong1,WANG Chang-bao1,LI Chuan-bao3
(1.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)

Sheet-pile structure had been widely used for treating the soft soil or loess soil subgrade of domestic high-speed railway,but for treating the goaf area,there was little research result.For this reason,in this study,the sheet-pile composite subgrade above a goaf roadway at a station of Hefei-Fuzhou high-speed railway was taken as research object,and the numerical simulation was conducted to analyze the stress mechanism of this subgrade.The research results show that:(a)The axial force along the pile shaft presents a change trend of large top and small bottom basically;all of the piles are end-bearing friction piles;the axial forces of pile shafts within the range of goaf roadway remain the same during passing through the goaf roadway.(b)All of the pile side frictions present a trend of increasing first and then decreasing;and the orthocenter of pile side friction distribution is downward,especially the orthocenter of pile side friction distribution of the piles in the goaf area is much deeper than that of piles not in the goaf area;the longer the pile shaft is,the greater the proportion of side friction in bearing capacity becomes.(c)The pile-soil stress ratio of composite subgrade in goaf area is smaller than that of subgrade in soft soil.

high-speed railway;goaf area;sheet-pile structure;stress mechanism;numerical simulation

U238;U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.001

1004-2954(2014)04-0001-04

2013-08-14;

2013-09-02

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-mai:liangxin819@ 126.com。