铁路沿线局部抽水对路堤安全性的影响

2019-10-18张翼鹏郭雪岩

铁道建筑 2019年9期

张翼鹏，郭雪岩

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031）

我国高速铁路快速发展，高速铁路总里程即将突破3 万km，营业里程超过世界高速铁路总里程的2/3。在高速铁路沿线附近存在大量农用水井，用水期间大量抽水导致水井周围土体孔隙水压力消散，有效应力增加，形成沉降漏斗，进而引起邻近铁路路基沉降，危及行车安全［1-5］。

本文依托“大西高铁运营段抽水井实施评估”项目，利用PLAXIS 3D 软件针对高速铁路沿线抽水井对路堤沉降的影响展开分析，为高速铁路沿线抽水井的治理提供理论依据。

1 工程概况

本文模拟的抽水井位于大西高速铁路运营段K509+585 上行线处，属于饮水井，全年使用。井深约180 m，直径为35 cm，距路堤垂直距离约31.7 m，井内水位为-18 m。地下土层从上至下分别为新黄土、粉质黏土、粉土、粉质黏土、粉土、深层粉质黏土、深层黏土、深层砂。路基底部布设了预应力管桩进行地基加固。

为了更好地还原现场情况，保证模型的真实性与可靠性，对该抽水井的类型、抽水频率、抽水时间、抽水井距线路的距离、抽水井附近的工程结构及其图纸等进行了全面系统调研。饮水井与路基的位置关系如图1所示。

图1 饮水井与路基的位置关系

2 计算模型

2.1 本构模型

建模采用硬化类弹塑性本构模型，分为等向硬化弹塑性模型（HS 模型）和硬化土小应变模型（HSsmall模型）。

HS 模型以双曲线形式来反映土体的应力-应变关系。它考虑了土体的剪胀性和中性加载，同时兼顾土体的剪切硬化以及压缩硬化，并遵循摩尔-库伦破坏准则。

HSsmall 模型为双曲线弹塑性模型，在考虑土体剪切硬化和压缩硬化的同时，充分考虑了三轴试验、固结试验等不同应力路径下的土体性能。除此之外，该模型引进了刚度应变相关性，可用以模拟从小应变（低于10-5）到大应变（高于10-3的工程应变）范围内土体的不同响应［6-8］。

相比于HS 模型，HSsmall 模型不仅具有等向硬化弹塑性模型的全部特点，还考虑了土体在小应变时的刚度应变相关性。因此，建模采用了能够更好地反映土体工程特性的HSsmall模型。

2.2 数值仿真模型

数值仿真模型主要包括路堤结构、岩土体及抽水井3 部分。路堤结构和岩土体采用实体单元建模，抽水井则采用排水线单元建模。鉴于模型尺寸与桩身尺寸的多量纲差异及数值计算的速度，采用目前通用的复合地基计算方法将路基底部的长桩、短桩按照刚度等效原则进行简化。数值模型底部采用固定边界，四周采用补给边界，以模拟实际的地下水分布［9］。

由于模型边界条件会对模型的计算产生一定的影响，导致计算结果不准确。为消除此影响，设置模型尺寸为190 m（长）×140 m（宽）×190 m（高）。土层分布情况及对应厚度从上至下依次为：新黄土厚12 m，粉质黏土厚13 m，粉土厚10 m，粉质黏土厚13 m，粉土厚22 m，深层粉质黏土厚60 m，深层黏土厚30 m，深层砂厚30 m。在此基础上，模型采用10个节点的高精度四面体单元进行网格剖分，共剖分了17 949 个单元，26 458 个节点。路堤结构-抽水井数值仿真模型如图2所示。

图2 路堤结构-抽水井数值仿真模型

2.3 等效原理

实际的路基底部需要布设预应力管桩进行地基加固，模拟时需要运用等效原理计算压缩模量Ec，即

式中：EP为桩身的压缩模量；Es为桩间土的压缩模量；m为复合地基面积置换率。

预应力管桩采用C25 混凝土的杨氏模量28 GPa，并按照置换率5%考虑复合地基置换区间等效刚度。桩的刚度远大于土的刚度，忽略土的刚度，计算得到刚度为1.4 GPa。按照安全系数1.4计算，预应力管桩杨氏模量最终取1.0 GPa。

对于预应力管桩区域，实际上是对桩+桩间土进行加固处理，按JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》［9］的规定：预应力管桩压缩模量为（100～120）fcu，假定fcu取1.2 MPa，计算得出预应力管桩压缩模量为120～240 MPa。弹性模量可取压缩模量的3～5 倍。本次计算偏保守考虑，取500 MPa。由此可得，加固区的等效刚度为1 500 MPa。

2.4 计算参数

通过密度试验、含水率试验、三轴试验及渗透试验等室内土工试验确定相应土壤密度、含水率、渗透系数、黏聚力和内摩擦角。结合室内试验结果及《工程地质勘察手册》中关于岩土体参数的经验取值，确定土壤参数，见表1。

表1 土壤参数取值

2.5 抽水过程模拟

由于此抽水井为饮水井，全年均在使用，因此本研究以3年为周期。考虑到饮水井的功能性要求，其抽水量及抽水时间具有不确定性，采用偏保守估计，设置每月抽水20 d，休息10 d，通过间歇性抽水保证地下水位的恢复。

3 计算结果分析

3.1 场地沉降及地层水压力变化

根据上述抽水过程，计算得到抽水3年引起的地表沉降云图及停止抽水10 d 后的场地沉降云图，见图3。可以看出，抽水3年后，抽水井附近的工程场地最大沉降量为4.114 mm。在此基础上，停止抽水10 d后，场地部分土层出现回弹，最大沉降量变为1.324 mm。井点降水引起的地面沉降呈漏斗状分布并向四周辐射，从而使路堤出现沉降变形。

抽水前后孔隙水压力对比见图4。可以看出，由于长时间抽水，导致水井周围土体内部孔隙水压力减小，使得土骨架间的相互作用增加，土体所受有效应力增大，使孔隙水压力云图与位移云图相似，呈漏斗状分布。

图3 抽水引起的沉降云图

图4 抽水前后孔隙水压力对比

3.2 抽水对路面沉降的影响

与灌溉井不同的是饮水井的抽水周期为全年，土体不能长时间保持回弹状态，其对路面沉降的影响也与灌溉井有所差别。模型选取3 个位移监测点，A 为中部路面监测点，B，C 为边侧路面监测点。抽水3年期间其沉降曲线见图5。可知，在抽水期间，路堤先发生沉降之后发生回弹，回弹后的沉降量形成一条斜率为负且绝对值很小的近乎稳定的曲线，边侧路面监测点最大沉降量为2.968 mm，中部路面监测点沉降量较边侧路面监测点大，其最大沉降量为3.094 mm。