灌溉井抽水对邻近高速铁路桥梁的影响流固耦合分析

2019-11-11张翼鹏郭雪岩

铁道建筑 2019年10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监测研究所，北京 100081；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031）

高速铁路线路对基础沉降变形的要求非常严格，按照国务院令第639 号《铁路安全管理条例》［1］的规定：高速铁路线路路堤坡脚、路堑坡顶或者铁路桥梁外侧起向外各200 m 范围内禁止抽取地下水。然而，在高速铁路运营段，存在大量200 m 红线以内的农用井（饮水井、灌溉井）。有些井深度较深，用水期抽水时间长，容易使邻近线路处于沉降漏斗中。文献［2］利用FLAC 3D 分析了地下水开采对路基沉降的影响。文献［3-4］利用ABAQUS 分别对路基结构、边坡进行流固耦合分析。文献［5-7］针对单井抽水进行了数值模拟分析。文献［8］就浅层地下水开采对高速铁路工程的影响提出解决方法。

针对地下水开采引起线路基础沉降的研究较少，其理论体系亟待补充与完善。地下水的开采难以针对性监管，因地下水恣意开采造成桥梁和路基沉降给铁路运营带来极大的安全隐患。本文依托“大西高铁运营段抽水井实施评估”项目，应用PLAXIS 3D针对高速铁路沿线抽水井降水对桥梁结构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 PLAXIS 3D流固耦合有限元分析

1.1 流固耦合有限元基本原理

流固耦合在地球科学领域常被称为“水-土相互作用”，是力学领域中渗流场和应力场的一种相互耦合作用。渗流通过施加于某作用面上的渗透压力和在渗流区域内分布的渗流体积力而影响土体的应力分布；而应力则通过改变土体的体积应变及孔隙率而影响岩体的渗透系数，从而影响渗流场。

有效应力的有限元方程区别于一般的有限元方程。首先，将模型整体分为若干个小单元体，计算生成相对应的单元刚度矩阵，形成整体刚度矩阵；然后，加入荷载矩阵，引入位移及孔隙水压力约束，通过建立平衡方程、物理方程、几何方程以及应用有效应力原理和连续方程求得结点位移，从而最终确定结构内部的应力状态。

1.2 PLAXIS 3D耦合场建立

PLAXIS 3D 采用Biot 固结理论，其假设土骨架为线弹性体，小应变，并且服从达西定律。每一结点的平衡方程可写为

式中：Fi为单元结点力向量；Ri为单元结点力矢量。

结合虚位移原理，Biot 固结有限元法平衡方程可写为

式中：Ke为单元劲度矩阵；Kep为压力耦合项矩阵；U为孔隙水压力，U={Uv，Uw，0}T；R为计算时段的结点力矢量。

根据达西定律及饱和黏土的体积变形与流量关系，其Biot 固结理论的有限元连续性方程可用全量法［9］表示为

通过设置位移边界条件、孔隙水压力边界条件、初始条件在PLAXIS 3D 中实现流固耦合作用。在模型条件中对x，y方向进行法向固定，对zmin进行完全固定，对边界zmax设置自由约束条件；动力学条件中仅对x，y方向设置黏性；打开x，y及zmax地下水流条件；定义Initial phase初始步实现地应力平衡。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

本次模拟的抽水井位于大西高速铁路运营段K473+560 段下行线处，属于灌溉井，集中使用期为每年4—10 月，冬季封存，平均每月使用20 d，休息10 d。井深250 m，井与距桥梁垂直距离约为73.6 m，距相近的左侧桥墩约69.8 m，距相近右侧桥墩约93.8 m。井内水位-20 m，水井直径35 cm。

地下土层从上至下依次为：粉质黏土厚30 m；砂层厚20.8 m；粉质黏土厚14.2 m；深层砂厚10 m；深层粉质黏土厚25 m；深层黏土厚50 m；深层粉质黏土厚40 m；深层砂厚10 m；深层粉质黏土厚70 m。

为了保证模型的准确性，对此灌溉井的抽水频率、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内容进行了全面系统的调研。灌溉井距桥梁位置关系见图1。

图1 灌溉井距桥梁位置关系

2.2 数值仿真模型

数值仿真模型主要包括桥梁结构、岩土体及抽水井3 部分。桥梁结构和岩土体采用实体单元建模，抽水井采用排水线单元建模。承台-土体、桩-土之间设置接触Goodman 接触单元，用于考虑承台、桩身与土体之间的相互作用。数值模型底部采用固定边界，四周采用补给边界，以模拟实际地下水分布场。

为了减小边界条件对模型计算时的影响，提高模型计算结果的可靠性，设置模型尺寸（长×宽×高）为180 m×140 m×270 m。桥梁选取2跨，长度为65.48 m。土层分布按实际情况设置。

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95 810 个单元，135 725 个节点。桥梁结构-抽水井轴视图见图2。

图2 桥梁结构-抽水井轴视图

2.3 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》［10］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

2.4 抽水过程模拟

本研究以1年为时间周期，由于集中使用期为4—10月，因此设置每月抽水20 d，停止10 d。通过间歇性抽水保证地下水位恢复。循环抽水6个月，6个月后停止抽水，有利于场地周围土层回弹。

3 计算结果分析

3.1 场地沉降及地层水压力变化

抽水过程大致可以分为2 个阶段：第1 阶段为循环抽水阶段，持续170 d；第2 阶段为停止抽水190 d。这2 个阶段结束后，场地沉降及地层孔隙水压力变化云图见图3、图4。

图3 场地沉降云图

图4 地层孔隙水压力变化云图

由图3 可见，经过170 d 的灌溉，抽水井附近的工程场地最大沉降量为4.366 mm。停止抽水190 d 后，场地部分土层存在一定的回弹迹象，最大沉降量为1.234 mm。井点降水引起的地面沉降呈漏斗状分布，井点处沉降最大，向周围依次递减从而引起桥台甚至桥面沉降。

由图4可见，孔隙水压力分布与位移分布相似，呈漏斗状。上述2种现象的原因是：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，从而成为土体沉降的主要原因。

3.2 抽水对桥面沉降的影响

抽水是造成井周围地面沉降的主要原因，同时，在抽水影响范围内的建（构）筑物必然会发生沉降，产生安全隐患。Q/CR 9230—2016《铁路工程沉降变形观测与评估技术规程》中第7.2.3条规定［11］：对于无砟轨道，其一年之内桥墩（台）均匀沉降需控制在20 mm之内，相邻桥墩（台）沉降差需控制在5 mm 之内。高速铁路桥面的沉降量直接关系到上部行车的安全。为此，模型选取5 个位移监测点。A，B，C为桥墩监测点；D，E为桥面中部监测点。经过1年抽水周期后，桥墩及相邻桥墩差异沉降曲线见图5。

由图5（a）可知，在灌溉期间连续抽水20 d，桥面首先发生沉降，20 d 后沉降为2.373 mm，经过10 d 停止抽水土体发生回弹，再次抽水则继续发生沉降，持续180 d后，土体沉降趋于稳定，最终沉降量为0.532 mm。桥墩相较于桥面沉降较小，最大沉降量为2.258 mm。由图5（b）可知，相邻桥墩之间的差异沉降量随着使用状态的不同也发生改变，在180 d 后停止抽水时，差异沉降量趋于稳定，最大差异沉降量为0.173 mm。

图5 抽水1年后桥梁沉降及相邻桥墩差异沉降曲线

3.3 桩身应力

桥墩下桩身的应力状态变化反映了桥上荷载在水井抽水之后的传递路径，其初始状态及抽水完成后的桩周剪切应力及法向应力云图见图6、图7。

图6 初始状态下桩周剪切应力及法向应力

图7 抽水完成后桩周剪切应力及法向应力

由图6、图7 可见，初始状态下桩周剪切应力最大值为37.81 kPa，抽水完成后桩周剪切应力最大值为36.88 kPa。同样地，在初始状态下桩周法向应力为1 141 kPa，抽水完成后桩周法向应力为1 239 kPa。这是由于在灌溉期间桩的上半段因土体固结，降低了桩身的剪切应力，高速铁路桥梁的上部荷载传递到桩身下半段，桩身下半段以及桩底的正应力有所增加。