高速铁路采空巷道桩板路基受力机理数值分析

[摘 要] 文章以合福高速铁路采空巷道上方车站路基为研究对象，对采空巷道路基桩板结构基础受力机理进行数值模拟，分析结构在不同工况下受力规律，为采空巷道上方桩板路基内力分析提供依据。研究表明，该基础能较好满足采空区路基加固要求，完善高速铁路采空区加固地基的理论，具有一定理论价值。

[关键词] 高速铁路；采空巷道；桩板基础；受力机理

[作者简介] 鲁涛涛，中铁十九局集团有限公司助理工程师，研究方向：铁路施工技术，辽宁 大连，116100

[中图分类号] TU41 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723（2013）05-0025-0005

目前采空区对铁路项目建设影响越来越大，对采空区的研究成果也逐渐增多[1]。桩板结构已成功运用于京津[2]、京沪[3]高铁软土路基、郑西[4]高铁湿陷性黄土路基、遂渝[5]高铁川东红土路基等高速铁路，但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，现有研究成果极少，如何对采空区进行处理及结构受力机理课题仍然需要做大量的研究。本文对合福高铁上饶段五府山车站采空区上方桩板路基进行研究，分析其受力机理，为今后桩板结构处理下伏采空区路基提供理论依据。

一、工程概况

五府山车站（DK499+763.83～DK500+835.00）位于上饶县城正南37km处四十八镇，为无砟轨道设计，共有四股轨道。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#大桥，为桥桥过渡段。路基采用C35混凝土灌注桩和C35钢筋混凝土承载板加固，人工挖孔灌注桩直径1.0m，桩间距5.0m，桩长12.0～25.0m。承载板结构采用C35钢筋混凝土，厚1.2m。承载板以上路堤填土采用的是掺3%水泥的级配碎石。

五府山车站段采空区，为民国及20世纪80年代采煤形成，主要为采空巷道、风井。DK499+940断面左侧埋深10.5～12.5m，中部埋深19.8～22.6m为采空巷道，采空巷道的高度分别为2.0m、2.8m。地层从上至下主要有全风化砂岩、强风化砂岩、弱风化灰岩三层，采空巷道位于弱风化灰岩层。地层、采空区及灌注桩位置示意图如图1（a）所示，图1（a）中灌注桩编号从左至右依此为1～7号，长度依次为12m、20m、25m、24m、25m、25m、25m，断面路堤填高3.0m，路基顶面宽26m，路基底面宽35m，边坡坡率1∶1.5。灌注桩平面布置示意图如图1（b）。

二、模型建立及计算

本文采用FLAC3D软件数值模拟。模型边界取线路横截面方向宽105m，承载板以下深度取60m，线路方向以DK499+940断面为中心前后延伸12.5m（共25m）；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；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。承载板采用弹性本构模型，岩土体采用Mohr -Coulomb本构模型。根据五府山车站工程地质勘察报告[6]和铁路工程地质手册[7]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[8][9]。路基高度为3m，采用分层填筑施工，每层填筑高度为1m。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2m时为第二级荷载，3m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，共三次，每次计算均在前一级计算完成的基础上进行。

三、桩体受力研究结果与分析

（一）桩身轴力

本文选取了监测断面的1号、4号和7号桩作为研究对象，监测桩位置示意图如图3，其中1号和4号桩穿过采空巷道。

图4为监测断面监测桩桩身轴力沿深度变化曲线。

从图中可以看出：

（1）在不同填筑荷载作用下，轴力沿桩身呈非线性分布，轴力总体趋势呈上大下小，而且随着荷载的增加轴力沿桩身整体增大。

（2）对于穿过采空巷道的桩身轴力的变化可以分为上、中、下三段。上段桩身轴力传递较快，主要是因为桩土相对位移较大，侧摩阻力较高；中段位桩身轴力衰减较慢，表明桩侧摩阻力在减小，原因是桩土相对位移减小；在采空巷道因为没有桩侧摩阻力，所以轴力保持不变；下段位于采空巷道底板以下范围，该段轴力继续减小，但减小幅度小于上、中段，说明该段侧摩阻力要小于上、中段侧摩阻力。

（3）对于未穿过采空巷道的桩身轴力的变化可以分为上、下两段。7号桩上段轴力传递较快，这主要是由于桩土相对位移较大，侧摩阻力较高，且随深度增加而增加；下段轴力衰减相对较慢，桩侧摩阻力的受力机理是上部侧摩阻力先发挥，下部侧摩阻力后发挥，随着荷载的增大下部侧摩阻力也在逐渐增大。

（4）由图还可以看出桩顶荷载是逐渐从上向下传递的，上部轴力大、下部轴力小，减少的轴力为侧摩阻力所分担，而且随着荷载的增大，桩端力也在逐渐增大。1号桩的受力特性为摩擦端承桩，以端承力为主；4号桩、7号桩为端承摩擦桩，以侧摩阻力为主。桩端阻力占桩顶荷载的具体比例及桩的类型分别见表2。

（二）桩侧摩阻力

各桩段侧摩阻力可根据实测的轴力计算得到，图5为在填筑荷载作用下桩侧摩阻力沿深度变化曲线，由图5可知：

（1）桩侧摩阻力随着荷载的增加而增大，而且增幅也随荷载的增加而增大[10]。

（2）对于穿过采空巷道的桩身侧摩阻力沿深度的变化可以分为上、中、下三段。上段为侧摩阻力从小变大，中段为侧摩阻力从最大值逐渐减小，到达采空巷道时突然变为零。

（3）对于没有穿过采空巷道的桩，桩侧摩阻力沿深度的变化可以分为上、下两段。上段为桩身侧摩阻力从小变大，下段为桩身侧摩阻力从大变小。桩身上部的侧摩阻力先发挥、下部的侧摩阻力后发挥。

（三）桩间土应力

桩间土应力和桩顶应力监测点布置如图6所示，T1～T6为桩间土应力监测点，Z1和Z2为桩顶应力监测点； T1、T2和T6位于两桩之间，T3、T4和T5位于四桩之间。

图7为桩间土应力随填土高度变化曲线，从图中可以看出：

（1）与路堤填筑荷载相对应，桩间土应力曲线呈现出明显的阶梯状变化，在填筑施工期，桩间土压应力增长较快。

（2）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，表现在曲线上为四桩中心桩间土应力曲线与两桩中心应力曲线基本重合。这与桩间土沉降的趋势相对应，表明承载板作为一个刚度较大板，在荷载作用下承载板沉降较为均匀，同一横剖面沉降量相同。

（3）距离路基中心近的监测点桩间土应力大，距离路基中心远的桩间土应力小。

（4）从图中还可以看出，桩间土应力随着填筑荷载的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。

（四）桩顶应力

Z1和Z2为1号和4号桩桩顶应力监测点（如图6），图7为桩顶应力随填土高度变化曲线，从图中可以看出：

（1）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，Z2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166kPa、491kPa、840 kPa，可以看出随着荷载的增大桩顶应力也在增大。

（2）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。

（五）荷载分担比

桩土荷载分担比是桩土承担的荷载与总荷载的比值。图8为桩土荷载分担比随荷载增加的变化曲线。由图8可以看出：

（1）随着总荷载的增加，桩分担的比例有所增加，桩间土分担的比例有所减小。随着荷载的增加桩分担的比例从0增大47%。

（2）从曲线上可以看出，桩分担比例的曲线为一上凸的曲线，而且随着荷载的增大曲线接近为水平直线，说明桩分担比例的增大幅度越来越小，直至达到一稳定值。桩间土分担比例的曲线为一下凹的曲线，随着荷载的增大桩间土分担的比例在减小，直至达到一稳定值。最终二者分担荷载的比例都趋于稳定在50%。

四、结 论

通过对五府山车站板桩路基三维数值进行模拟，得出桩身轴力、桩侧摩阻力、桩间土应力、桩顶应力和荷载分担比等规律，得出如下结论：

1. 不同填筑荷载作用下，轴力沿桩身呈非线性分布，即轴力不是随深度直线分布，而是有转折点，轴力总体趋势呈上大下小，在采空巷道范围内轴力保持不变。

2. 桩身侧摩阻力沿桩身分布总体呈先增大后减小，有采空巷道处桩侧摩阻力为零。

3. 在填筑荷载初期，桩顶和桩间土应力都增长得十分快，但桩顶应力增长的速率要大于桩间土应力增长的速率；桩顶和桩间土应力曲线在路基填筑荷载作用下同样具有明显的阶梯状。

4. 桩土应力比是由桩顶应力除以桩间土应力得出，桩土应力比随着荷载的增加而增大但最终趋于一稳定值；桩土荷载分担比，随着总荷载的增大，桩分担的比例逐渐增大，土分担的比例逐渐减小，最后桩土荷载分担比例达到一定值。二者分担荷载的比例都趋于稳定在50%。

[参考文献]

[1]童立元，刘松玉，邱钰，等.高速公路下伏采空区问题国内外研究现状及进展[J].岩石力学与工程学报，2004，23（7）.

[2]沈宇鹏，李小和，冯瑞玲，等.客运专线桩板结构复合地基的沉降特性[J].交通运输工程学报，2009，9（6）.

[3]张继文，曾俊铖，涂永明，等.京沪高速铁路CFG桩——筏复合地基现场试验研究[J].铁道学报，2011，33（1）.

[4]苏谦，王武斌，白皓，等.非埋式桩板结构路基承载机制[J].交通运输工程学报，2012，2（1）.

[5]詹永祥，蒋关鲁，牛国辉，等.桩板结构路基动力模型试验研究[J].岩土力学，2008，29（8）.

[6]官山底特大桥工程地质勘察报告[R].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2009.

[7]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999.

[8]彭文斌.FLAC 3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[9]胡小军，郑澄峰.桩网复合地基工作性状有限元法分析[J].铁道勘察，2007，（3）.

[10]胡海燕.碎石桩处理软土地基室内模型试验[J].铁道勘察， 2006，（5）.