下伏坎儿井暗渠对高速铁路路基稳定性影响

2021-06-18张炎飞刘先峰袁胜洋王云浩赵腾飞陈伟志

中国铁道科学 2021年3期

张炎飞，刘先峰,3，袁胜洋，王云浩，符文，赵腾飞，陈伟志

（1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；3.新疆工程学院土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830023；4.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

坎儿井是一种古老的水利灌溉系统，由竖井、暗渠、明渠和涝坝组成，如图1所示，主要分布在干旱和半干旱地区。暗渠是指用于输送收集所得的地下水至地面进行灌溉的地下渠道。近年来，随着“一带一路”倡议的推进，在干旱和半干旱地区的高速铁路建设工程日益增多，考虑建设成本，多处路基工程设计施工受坎儿井暗渠影响。因此，在高铁建设中需要考虑下伏坎儿井暗渠对高速铁路路基稳定性的影响。

图1 坎儿井示意图

众多学者对地下土洞、采空区、溶洞和隧道等的稳定性问题进行了研究。Baus 等［1］对空洞上方基础承载力进行了试验研究，发现空洞深度达到一定时，深度的继续增加将对基础承载力没有影响。在稳定性问题的计算中常用解析法和数值模拟分析法，但解析法中几何边界条件较为复杂时，假定的破坏模式不完全符合实际情况，因此大量学者采用数值模拟分析方法对采空区等的稳定性进行研究。肖武权［2］采用有限元分析方法，以土洞塑性区贯通至地面作为达到临界深度的标准，为溶洞处理提供了依据。王涣等［3］基于FLAC 3D 软件对最大不平衡力，塑性区分布、应力和位移的变化进行研究，得出土洞在工程荷载作用下的沉降变形分布特征及破坏机制。部分学者采用应力、应变、位移和塑性区分布等指标评价采空区稳定性，但不能直接给出采空区发生破坏时的极限荷载，属于经验性的判断，无法定量且准确地判断其稳定性。

为解决该问题，不少学者开始采用有限元极限分析法研究路基稳定性问题，该方法避开了复杂的应力、应变迭代过程，直接对极限状态下的路基进行分析计算，无须假定破坏模式，适用于复杂工况。极限分析法是建立在由Drucker等［4］提出的塑性力学上、下限定理的基础上，研究的对象是小变形、理想塑性材料，并服从关联流动法则。Chen等［5］发表了专著《极限分析与土体塑性》，系统阐述了极限分析法在岩土工程领域的应用。Lyamin和Sloan等［6-12］发展了计算效率更高的有限元上限分析非线性算法。赵明华等［13］将隧道稳定性不再受其埋深影响时对应的深度视为隧道的临界深度；蒋德松等［14］根据上、下限定理，结合有限元方法，基于MATLAB 软件编制计算程序，采用修正的Hoek-Brown 准则研究单个或多个溶洞对路基承载力的影响；Xiao 等［15］采用有限元极限分析法研究了2 层黏土中空洞上条形基础不排水时的承载力；Jiang 等［16］讨论了极限分析法和基于极限平衡的条分法在计算路堤稳定性时的不同；赵明华等［17］建立了一个可考虑多种因素影响的数值计算模型，采用上限有限元法，计算多种工况下的地基极限承载力上限解，并分析溶洞顶板厚度、溶洞宽度和内摩擦角对地基极限承载力的影响；刘洋等［18］在已有的极限分析下限法求解格式基础上，以超载系数作为目标函数，建立求解极限承载力的非线性规划模型，分析了溶洞顶板厚度、跨高比和水平向地应力对溶洞顶板极限承载力的影响。综上可知，尽管许多学者采用有限元极限分析对空洞的稳定性相关问题进行了大量研究，但较少涉及下伏坎儿井暗渠高速铁路路基稳定性的研究。

本文以德黑兰-库姆-伊斯法罕高速铁路工程为依托，采用有限元极限分析软件Optum G2 建立下伏坎儿井暗渠路基的二维数值模型，分析破坏模式，计算暗渠临界深度曲线，进行暗渠位置、断面形状和断面尺寸对下伏坎儿井暗渠路基的稳定性影响研究。

1 工程背景

伊朗地处干旱和半干旱地区，坎儿井分布广泛，暗渠总长度位居世界首位。在建的德黑兰-库姆-伊斯法罕高速铁路无法绕开坎儿井，必须以新建路基的形式跨越既有坎儿井暗渠［19］。高速铁路路基跨越坎儿井暗渠作为一种新出现的近接工程，需要被重视［20-21］。通过现场踏勘、历史卫星图片和管道机器人采集的信息，查明了全线有70 余处新建路基工程与已有坎儿井暗渠的交汇点。坎儿井与线路走向相交情况如图2所示。由图2 可知，暗渠与线路走向近似平行。

图2 德黑兰-库姆-伊斯法罕高速铁路线路与坎儿井暗渠走向

2 数值模型建立及验证

模型［13］假定如下：所有土体为均质且各向同性的理想材料，服从Mohr-Coulomb 屈服准则；暗渠轴向方向平行于路基轴向方向，地表水平，可将暗渠稳定性问题近似简化为二维平面应变问题。

建立下伏坎儿井暗渠的路基数值模型如图3所示。模型由地基、路堤填土和地基中的暗渠3部分组成。考虑减小边界条件的影响，模型中地基宽度为80 m，深度为30 m。根据设计资料，采用典型断面路堤尺寸，路基面宽度为13.4 m，坡度为1∶1.5，高度为3 m。地基底部受到完全约束，地基2 侧受到法向约束。为提高模型计算的效率与精度，采用网格自适应划分技术，初始单元数量为1 000 个，并进行3 次网格自适应迭代，迭代后网格数目为10 000个。

图3 有限元极限分析计算模型

模型中将地基和路基分别简化为1 层土，通过现场试验，确定了路堤填土及地基土具体参数，见表1。

表1 路堤填土及地基土参数

为分析暗渠断面形状的影响，分别建立3 个计算模型，如图4所示。图中：B为暗渠直径或底部边长；Y为暗渠顶板至地表的垂直距离，下文称为埋深；X（以右侧为正）为暗渠断面中心至路基中心线的水平距离；H为路堤填土高度。本文研究H取定值3 m，且3 种形状暗渠断面的高度与宽度相同。实际工程中圆形暗渠居多，因此后续计算研究仍以圆形暗渠为基础进行。

图4 不同断面形状暗渠计算模型示意图

为了验证本文方法的可靠性，计算不同工况下含暗渠地基的极限承载力，参数取值与文献［7］相同，并将计算结果与文献［7］进行对比，结果如图5所示。图中：γ为土重度；c为黏聚力；γB/c为土重度无量纲的取值；φ为内摩擦角；为地基极限承载力；横坐标H/B为表征暗渠埋深的无量纲参数；纵坐标为表征地基极限承载力的无量纲稳定性系数。由图5 可知，3 种工况下得到的稳定性系数与文献［7］得到的结果有很好的一致性，认为本文方法是可靠的。

图5 地基稳定性系数计算结果对比

3 下伏坎儿井暗渠高铁路基的破坏模式

3.1 埋深

图6 为暗渠水平位置相同、埋深不同时路基的破坏模式。由图6 可知，随着埋深的增加，下伏坎儿井暗渠的路基破坏模式由暗渠的顶部破坏，过渡到路基边坡的破坏。以暗渠埋深Y=27 m 为例，达到该深度后，路基边坡破坏模式与无暗渠时相同，均为路基边坡的破坏。

图6 暗渠在不同埋深时路基的破坏模式

3.2 水平位置

图7 为暗渠埋深均为1 m、水平位置不同时路基的破坏模式。由图7可知，破坏模式有暗渠上部土体发生破坏和路基边坡发生滑动破坏2 种模式，当暗渠处于路基中心下方（图7（a）和图7（b））时，破坏模式是路基荷载的逐渐增加引起暗渠的垮塌破坏；当暗渠处于路基边坡下方（图7（c））时，破坏模式是暗渠破坏线延伸至边坡破面；当暗渠处于路基边坡以外（图7（d）和图7（e））时，破坏模式是路基边坡滑动，引起了暗渠左侧面的破坏，暗渠顶部的破坏线连通至地表；当暗渠处于路基边坡以外较远（图7（f））时，路基边坡发生破坏，而暗渠本身未破坏，说明此时暗渠对路基的稳定性已经没有影响。综上所述，随着暗渠水平位置由路基下方改变到路基以外，破坏模式逐渐改变。

图7 暗渠在不同水平位置时路基的破坏模式

4 下伏坎儿井暗渠对高铁路基稳定性的影响

为了描述暗渠对上覆路基稳定性的影响，定义暗渠影响系数μ为

式中：qno-void为无地下暗渠时的地基极限承载力；qwith-void为有地下暗渠时的地基极限承载力。

当暗渠位于某一深度或该深度以下时，暗渠影响系数均取1，定义该深度为路基稳定状态下的暗渠临界深度Hcr。暗渠临界深度具体可通过如下方式求得。

以暗渠断面形状为圆形、直径B=1 m、位于路基中心下方（X=0 m）工况为例，图8给出了暗渠埋深与暗渠影响系数的关系曲线。由图8 可知：随着暗渠埋深的增加，暗渠影响系数先减小，后增加，减小是由于暗渠埋深较浅，拱效应未发挥；随着埋深增加拱效应逐渐发挥，暗渠影响系数随之增加，当增加到某一深度时，μ=1 且不再变化，说明此时暗渠埋深对上覆路基稳定性没有影响，认为该深度为暗渠临界深度。本算例中暗渠的临界深度Hcr=10 m。

图8 暗渠影响系数与暗渠埋深的关系

4.1 暗渠位置

图9 为取暗渠断面形状为圆形，直径为1 m，暗渠水平位置范围为-25～25 m，暗渠埋深为1～15 m，计算得到的地基极限承载力。由图9 可知：随着暗渠埋深不断减小，对应的地基极限承载力也在不断减小，说明路基稳定性越来越低，在路基外加荷载的作用下，更容易发生塌陷破坏；当暗渠位于路基2 侧斜坡下方时，地基极限承载力最小，路基稳定性最差，此时容易发生路基边坡的破坏和路基面的塌陷破坏；当暗渠水平位置或埋深增大时，地基极限承载力逐渐增大并最终趋于稳定，此时暗渠将对路基稳定性的影响可以忽略，地基整体稳定。进一步得到计算得到暗渠影响系数，如图10所示。

图9 暗渠位置与地基极限承载力关系

图10 暗渠位置与暗渠影响系数关系

为了对比断面中不同位置坎儿井暗渠的影响，求得各个位置的暗渠影响系数，绘制等值线云图如图11所示。该结果可用于评估路基下不同位置暗渠影响大小。由图11 可见：整体上，越接近路基基底的位置，暗渠影响系数越小，即上覆荷载相同时路基越容易失稳；当远离路基时，暗渠影响系数增大，并逐渐达到1，说明暗渠与路基距离达到一定时，将对路基没有影响；暗渠埋深相同时，路基中心线下方，比路基边坡下方的暗渠影响系数小。

图11 暗渠影响系数等值线

进一步得到的暗渠临界深度分布曲线如图12所示。由图12 可知：暗渠临界深度分布曲线呈“W”形，当坎儿井暗渠从路基中心线向路基边坡方向过渡时，临界深度先增大，后减小；当坎儿井暗渠处于路基边坡下方时，临界深度达到最大，这是由于坎儿井暗渠位于路基边坡下方时，最容易使路基稳定性受到影响；位于临界深度以上的暗渠在受到地基面路基施工荷载的扰动下容易发生失稳破坏，并向上发展至路基面，形成路基面塌陷，从而造成严重后果；位于临界深度分布曲线以下的暗渠是比较稳定的，暗渠对路基的影响可以忽略。