高速铁路采空区桩板结构路基沉降数值模拟

何文春

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

高速铁路采空区桩板结构路基沉降数值模拟

何文春

(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路基为研究对象，数值模拟分析路基的变形规律，为桩板结构处理高速铁路采空区地基设计施工提供有价值的参考。研究表明：路基沉降主要集中于地基浅层；桩身长的桩的沉降量要小于桩身短的沉降量；穿过采空巷道的桩和没有穿过采空巷道的桩两者沉降量相差不大；结构能够有效限制采空巷道顶板变形；采用桩+承台板结构作为采空巷道地基的工程处理方法是有效的。

高速铁路；采空区；桩板结构；沉降；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。公路方面对于采空区的研究成果较多［1-2],但并不能很好满足铁路建设的需要。桩板结构已成功运用于京津［3]、武广［4]、京沪、郑西［5]沪杭［6]等多条高速铁路,主要是针对软土和黄土的路基处理,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,已有理论研究成果少,如何对采空区进行处理及处理后的沉降变形机理课题仍然需要做大量的研究。本文对合福高速铁路上饶段五府山车站采空区上方桩板路基的沉降变形进行研究,分析其变形机理,为桩板结构处理高速铁路下伏采空区地基设计施工提供参考。

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,设计为无作轨道,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(图1)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、1.5 m。

图1 断面概况（单位：m)

2 模型建立及计算

本文采用FLAC3D软件数值模拟。模型边界:模型计算深度取实际最大桩长的的2倍(42 m)；横向宽度为路堤底面宽度的3倍(105 m),即从坡脚向两侧各延伸1倍的路堤底面宽度；纵向宽度取5排桩,即取5倍的桩间距(25 m)。对模型底面边界设置X、Y、Z 3个方向的约束,即固定支座约束；左右和前后两侧设置水平约束,竖向无约束,即竖向滑动支座约束；上部则是自由边界。计算模型如图2所示。

图2 断面三维工程地质模型

承台板采用弹性本构模型,岩土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。根据五府山车站工程地质勘察报告［7]和铁路工程地质手册［8]得到数值计算所需的各层岩土体物理力学参数见表1。桩单元采用FLAC3D的Pile桩单元模型［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,填土高度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变形。小于2、3、4号桩桩顶的沉降量,也即靠近路基中心处的桩桩顶沉降大于靠近路肩处的桩桩顶沉降,分析认为是由于1号桩处于路肩处荷载相对较小,虽然采空区对承载力有部分削弱,但该桩桩长较长,承载能力仍旧能够保证。2、3、4号桩顶沉降量相差不大,2号桩与4号桩处于路基对称位置,2号桩和4号桩都通过采空巷道,但2号桩的沉降量要小于4号桩的沉降量,原因是2号桩大部分埋置在弱风化灰岩而4号桩大部分埋置在强风化砂岩,强风化砂岩的承载力要小于弱风化砂岩承载力。在施加第三级荷载后2号桩的沉降量为2.8 mm,1、3号桩沉降量相对较小,均约为1.6 mm。2号桩的沉降量大于1、3号桩的沉降量,同样可以看出路基中心处的桩桩顶沉降量要大于路肩处的桩顶沉降量,桩身长的桩沉降量要小于桩身短的沉降量。这说明桩顶随荷载沉降与桩长有关,而且是桩越长桩顶沉降量越小,这是由于随着桩长的增大,桩侧表面积也在增大,因此在同样的桩顶荷载作用下,长桩的侧摩阻力发挥较大,桩顶沉降相应变小。例如2号桩和4号桩位于路基中心两侧对称位置且均穿过采空巷道,2号桩长16 m,4号桩长18 m,在第三级荷载作用下2号桩顶最终沉降为1.8 mm,4号桩顶最终沉降为1.55 mm。穿过采空巷道的桩与没有穿过采空巷道的桩顶沉降量相差很小。3号桩没有穿过采空巷道,最终沉降量为1.7 mm,4号桩为穿过采空巷道的桩,最终沉降量为1.55 mm,两者相差0.15 mm。

表1 岩土体物理力学参数

图7 桩顶沉降随填土高度的变化曲线

4.4 桩间土沉降

图8 桩间土沉降随填土高度的变化曲线

图8 为桩间土沉降随填土高度的变化曲线,从图中可以看出:桩顶土层四桩中心的桩间土和两桩中心的桩间土沉降量相差很小,基本可以忽略不计。这说明四桩中心桩间土和两桩中心桩间土变形大致相同,而且距离路基中心远的沉降量要大于距离路基中心近的沉降量。J5、J6分别为四桩中心和两桩中心桩间土沉降监测点,靠近路肩；J3、J7分别为四桩中心和两桩中心桩间土沉降监测点,靠近路基中心。J5、J6沉降基本相同,约为1.5 mm；J3、J7沉降量基本相同,约为2.0 mm；J3、J7沉降量大于J5、J6沉降量,即路基中心桩间土的沉降量大于路肩附近桩间土沉降量。

4.5 承台板顶底板、路堤表面中心沉降

图9为承台板顶底板监测点沉降随填土高度的变化曲线,从图中可以看出承台板顶底板的沉降量基本相同,J2监测点的最大沉降量为1.528 mm,承台板下表面对应点的沉降量为1.515 mm,两者相差0.013 mm,主要是混凝土的弹性压缩变形,J4监测点的沉降量为1.286 mm。承台板上下表面的沉降趋势和桩顶、桩间土的沉降趋势基本相同。路堤表面中心(J1监测点)沉降量为2.3 mm,完全满足规范要求［10]。

图9 承台板顶底板监测点沉降随填土高度的变化曲线

4.6 采空巷道顶板沉降

图10 采空巷道顶板沉降随填土高度的变化曲线

图10 为采空巷道顶板沉降随填土高度的变化曲线,由图可以看出:随着填土高度的增加采空巷道顶板的沉降量也在增大。1号采空巷道在第一级填筑荷载作用下采空巷道顶板底端的沉降量为0.5 mm,在第二级填筑荷载作用下沉降量为0.7 mm,在第三级荷载沉降量为0.88 mm,可以看出顶板沉降量随深度增大而增加。采空巷道顶板底端的沉降量最小,距离采空巷道顶板底端的距离越大沉降量越大。对于1号采空巷道,采空巷道顶板底端的总沉降量为0.88 mm,采空巷道顶板底端以上1.5 m处总沉降量为0.91 mm,采空巷道顶板底端以上3 m处总沉降量为1.0 m m。采空巷道顶板底端以上1.5 m处与3 m处沉降量差值为0.09 mm,采空巷道顶板底端与采空巷道顶板底端以上1.5 m处沉降量差值为0.03 mm,距离采空巷道顶板底端距离越小,相邻监测点差值越小。而对一般采空巷道而言,采空巷道顶板底端处于冒落带最底端,沉降量通常最大［11],两者沉降规律不一,这也说明了桩能够有效减小采空巷道顶板的沉降,从侧面也反映了采用桩+承台板结构作为采空巷道的处理方法是可行的。

4.7 抗滑桩侧向位移

抗滑桩位于断面左侧路基坡脚处,抗滑桩外侧为一坡比为1∶1.5的斜坡,坡度相对较陡,考虑到斜坡在路堤填筑荷载的稳定性,在坡顶处设置抗滑桩。图11为抗滑桩水平位移随深度的变化曲线,从图中可以出:抗滑桩的侧向位移主要集中在桩的上半段,而且在8 m深度处侧向位移最大,最大约为0.25 mm,10～14 m范围侧向位移减小十分快,在14 m处侧向位移基本减小到0,14～20 m基本没有侧向位移。抗滑桩的侧向位移十分小,最大侧向位移仅为0.25 mm,这也说明了抗滑桩能够有效控制在路堤填筑荷载作用下边坡的侧向位移,从而也减小了路堤顶面的沉降。

图11 抗滑桩水平位移随深度的变化曲线

5 结论

通过数值模拟,获得了采空区桩板结构路基的沉降特性,结论如下。

(1)沉降主要集中于地基浅层,深度越大,沉降量越小。同一水平面上的监测点,距离路基中心越近,相应的沉降量也就变大,即路基中心处沉降量最大,路肩处沉降量最小。

(2)在相同填筑荷载作用下,桩身长的桩沉降量要小于桩身短的沉降量；穿过采空巷道的桩和没有穿过采空巷道的桩两者沉降量相差不大；四桩中心与两桩中心桩间土的沉降量在相同填筑荷载作用下基本相同；路肩处桩顶的沉降量要小于路基中心处桩顶的沉降量。

(3)在相同填筑荷载作用下,承台板顶底板的沉降量相差很小,这是由于承台板的刚度相对于承台板下土的刚度大,在荷载作用下承台板顶底板共同下沉,沉降差基本上是承台板自身的变形量。

(4)采空巷道顶板的沉降量最小,距离采空巷道顶板以上的距离越大的监测点沉降量越大,这也表明桩能够有效限制采空巷道顶板的变形。这种沉降趋势和没有采空巷道的地基沉降趋势相同,同样是距离地表越近沉降量越大,距离地表越远沉降量越小。

(5)抗滑桩侧向位移主要集中在桩身上半段,最大侧向位移发生在强弱风化分界面位置处,结果表明抗滑桩能够有效限制采空区路基在荷载作用下发生侧向位移。

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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

中铁第四勘察设计院集团有限公司科研课题(2010K31)

何文春(1971―),男,高级工程师,1995年毕业于同济大学地下建筑与工程系水文地质与工程地质专业,工学学士,E-mail: 1932921437@qq.com。