高速铁路采空区桥基沉降变形数值模拟分析

黄太武

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

高速铁路采空区桥基沉降变形数值模拟分析

黄太武

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

通过对采空区桥梁群桩基础沉降进行数值模拟，分析采空区桩基在荷载作用下变形过程及特点，揭示不同工况下的基础变形规律。研究结果表明，基础沉降满足规范要求，沉降主要集中在浅层土地层中;桩间土与桩顶沉降均匀;采空巷道顶板的沉降与地基其他部位沉降基本一致，桩基能够有效限制采空巷道顶板的变形。

高速铁路;采空区;群桩基础;数值模拟;沉降

目前已有多条普通铁路穿越采空区的工程实例，并取得了一定量的设计施工经验。高速铁路线路标准高，沉降要求极为严格，对大型采空区一般采取绕避措施;但对小型采空区完全绕避在技术和经济上并不是最优选择，采用适当的工程措施，小型采空区是完全可以安全通过的。高速铁路在软土沉降研究方面已取得了大量的成果，但在采空区沉降的研究方面研究极少，成果主要为线路选线研究。工程处理采空区路段现在还多以普通铁路经验为主，对高速铁路采空区桥梁群桩基础的沉降研究显得较为迫切。沉降研究最为可靠的方式是现场监测，但该方式无法完整地反映采空区群桩基础沉降的规律，而数值模拟方法能较完整地模拟实际复杂情况，可以弥补现场监测研究的不足［1］。合肥至福州高速铁路设计时速350 km，经过安徽省、江西省，福建省。线路通过的上饶段采空区主要以小型煤矿采空区为主，桥梁下伏采空区以群桩为主要处理措施，本次研究以官山底特大桥采空区桥基为原型，对其沉降机理进行数值模拟研究。

1 工程概况

官山底特大桥位于江西省上饶市四十八镇与应家乡境内，桥址起讫里程为 DK497+695.75～DK499+885.26，桥梁结构形式为简支梁。62号桥梁基础，里程DK499+682.28;承台沿顺桥方向长9 m，横向宽12.6m，高2.5m;桩径1.25m，横向桩间距为3.4m，纵向桩间距为3.3 m，桩长均为49.5 m，共11根桩。采空巷道顶板深度为26m，采空巷道延伸方向与铁路走向呈90°角，其底板宽3.3m，底板中心距离顶板高度为3m。承台平面见图1(a)。

基础地层主要有4层，从上到下依次是:(1)素填土;(2)全风化炭质页岩;(3)强风化炭质页岩;(4)弱风化炭质页岩。地层和采空巷道情况见图1(b)和图1(c)。

图1 桥梁基础与地层示意(单位:m)

2 模型建立及计算

2.1 模型参数

本文采用FLAC3D软件数值模拟，数值计算模型如图2所示。模型计算深度取80m，横向宽度为80m，纵向宽度取70m。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，左右和前后两侧边界设置水平约束，竖向无约束，即竖向滑动支座约束;上部则是自由边界。

图2 桥梁基础FLAC3D模型

承台采用各向同性弹性本构模型，材料参数有密度、体积模量K、剪切模量G;地层采用摩尔－库伦弹塑性本构模型，材料参数有密度、黏聚力c、内摩擦角φ、体积模量K、剪切模量G。根据官山底特大桥工程地质勘察报告［2］和铁路工程地质手册［3］确定承台下地层的岩土力学参数见表1。

桩单元采用FLAC3D自带的桩单元模型，桩单元尺寸按实际尺寸建立，其他参数根据文献［4，5］选取。桩单元穿过了不同的土层，因此需要对不同地层的桩赋予相应的参数，参数的正确性是影响数值模拟结果准确性的主要因素之一，根据经验建议［6－7］cs_scoh(剪切耦合弹簧的黏聚力)取值采用公式(1)，cs_sfric(剪切耦合弹簧的摩擦角)取值采用公式(2)，cs_sk(剪切耦合弹簧的刚度)的取值采用公式(3)

表1 地层岩土力学参数

式中，c为土体黏聚力;p为桩周长。

式中，φ为土体的内摩擦角。

式中，k为土压力系数;γ为土体的重度，N/m3;z为计算处桩的平均入土深度，m;φ为土体的内摩擦角，(°)。

桩单元参数见表2、表3。

2.2 数值模拟计算流程

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。

完成初始地应力场的生成以后，进行桩单元的生成。由于部分桩单元穿过采空巷道，并且经过了不同的土层，所以对同一编号桩基础进行分段生成，根据土层参数对其分别赋值，赋值完成在节点相连合并为一根桩。完成桩的建立后，在承台顶部对应位置施加均布荷载，荷载分为5级，前一级荷载施加计算完成后在此基础上再施加下一级荷载，依次用solve命令计算至平衡状态，提取相关数据进行分析。承台上部荷载主要由墩身自重，简支梁连续梁，以及列车荷载组成，以均布荷载形式施加于承台墩身作用截面。为了研究基础的沉降过程，荷载分为5次加载，荷载分级见表4。

表2 桩单元参数选取

表3 各个岩土层桩单元参数

表4 承台加载荷载等级

2.3 监测点的设置

基础沉降监测点分为5类，分别为桩顶沉降监测点、桩间土沉降监测点、承台顶部沉降监测点、采空巷道顶板沉降监测点和地层沉降监测点。采用FLAC3D软件的hist命令进行监测并记录，监测点布置如图3所示。

(1)Z1～Z4为桩顶沉降监测点，其位置分别对应1、2、5、6 号桩的桩顶，如图 3(a)所示;

(2)T1～T4为桩间土沉降监测点，T1、T3位于两桩之间，T2、T4位于三桩之间，如图3(a)所示;

(3)J1为承台顶部沉降监测点，位于承台表面中心，如图3(b)所示;

(4)J2～J4为采空巷道顶板沉降监测点，采空巷道顶板深度为26m，顶板位置及顶板以上2m和4m分别设置监测点，如图3(b)所示;

(5)在两桩(1号桩和2号桩)中心从上至下不同位置的地层中设置地层沉降监测点，深度0～10m每2.5m设置1个监测点，从10～52m每3m设置1个监测点，如图3(c)所示。

3 沉降变形结果与分析

3.1 地基最终沉降

图4为地基最终沉降的等值线图。从图4可以看出，地层上部沉降等值线比较密集，变化比较快，承台

图4 地基最终沉降等值线(单位:mm)

上表面沉降量最大为9.9mm，随着地层深度的增大，沉降量逐渐减小;采空巷道的深度为26 m，传递到该位置的附加荷载比较小且采空区处于承台正下方，巷道顶板沉降量为0.9mm，比同一深度地层的沉降量稍大，但程度不明显。

3.2 沉降随荷载增大的变化规律

图5为地层同一深度处，沉降随荷载和计算步数的增加而变化的曲线。

从图5可以看出，地层在多级荷载作用下沉降在不断增加。以深度2.5m地层为例，5次加载中地层沉降值分别为 1.125、3.721、5.314、8.019 mm 和9.465mm，在荷载作用下，地层沉降速率曲线较为平缓，没有出现明显的拐点。深度超过5m后，地层沉降变化缓慢，如深度5m地层在5次加载后沉降量仅为2.248mm，深度13.5m为1.672mm，深度46.5m沉降几乎为零。地层的深度与沉降成反比，同一荷载下，越浅的地层沉降越大，越深的地层沉降越小，即深地层的沉降量小于浅地层的沉降量。

图5 不同深度地层沉降随荷载的变化曲线

3.3 沉降随深度的变化规律

图6为基础在不同荷载下，沉降随地层深度增加而变化的曲线。从图6中可以看出，浅地层的沉降最大，随着深度的增大，沉降量逐渐减小。墩台的沉降都主要集中在深度较小的素填土地层中。0～6.5m为素填土和全风化炭质页岩，沉降也主要集中在该段地层，往下为强风化炭质页岩，下部地层相对上部地层，其承载力相对较高且附加应力更小，所以沉降没有上部地层大;6.5～44m为强风化炭质页岩，该段地层沉降较小，且变化较慢，曲线平缓;在44～52m为弱风化炭质页岩，沉降接近于零。

图6 地层沉降随深度的变化曲线

3.4 桩间土与桩顶沉降规律

图7为桩间土的沉降随荷载和计算步数的增大而变化的曲线。从图7可以看出，桩间土沉降随荷载的增大而增大。三桩之间的桩间土和两桩之间的桩间土沉降量相差不大，T1、T3两点处于两桩之间，T1点沉降量为9.465mm，T3点沉降量为9.929mm，沉降量相差0.464mm，主要原因T3点离承台中心较近，上部荷载施加于承台中桥墩作用截面;T2、T4两点处于三桩之间，T2点沉降量为9.614mm，T4点沉降量为9.833 mm。从数值上看这四点的沉降量基本相同，两桩间和三桩间沉降差基本可以忽略不计，说明承台刚度较大，较好地分散了上部荷载［8］，地基处于较为均匀的应力状态，基础未发生不均匀沉降。

图7 桩间土沉降随加载的变化曲线

3.5 桩顶沉降

图8为桩顶沉降随加载和计算步数的增大而变化的曲线。从图8可以看出，第1次加载后，4根桩的桩顶沉降基本相同。第5次加载后，1号桩距离承台中心最远，桩顶沉降量最小，其值为9.119mm;6号桩位于承台中心，沉降量最大，其值为9.953mm;2号桩和5号桩的桩顶的沉降量差距不大，分别为9.663mm和9.528mm;距离承台中心越远，沉降量越大［9］，但是总体来说沉降量的差距很小，桩顶沉降一致。5、6号桩是穿过采空巷道的，由图8中看出穿过采空巷道的桩的沉降量与未穿越的桩区别不明显。

图8 桩顶沉降随加载的变化曲线

3.6 采空巷道顶板沉降

图9为采空巷道顶板随加载和计算步数的增大而变化的曲线。采空巷道位置处于强风化炭质页岩地层中，其顶板深度位于 26 m处，沉降较小，为0.943 3mm。沉降较小有两个原因:一是采空巷道的位置较深;二是桩对巷道有很好的加固作用，传到采空巷道处的附加应力很小。采空巷道顶板以上2m的沉降为0.972 3mm，采空巷道顶板以上4 m的沉降为1.084mm，可以得出，采空巷道顶板以上2m处与采空巷道顶板以上4m处沉降量差值为0.111 7mm，采空巷道顶板处与采空巷道顶板以上2m处沉降量差值为0.029mm。顶板变形规律与一般地层变形规律相同，即沉降上大下小;而未经桩基穿越加固采空巷道，顶板处于冒落带最底端，越深沉降量通常越大［10］。2种规律不同说明了本工程桩基础形式能够有效减小采空巷道顶板的变形。

图9 采空巷道顶板随加载的变化曲线

3.7 承台顶底板沉降

图10 承台顶底板随加载的变化曲线

图10为承台顶底板随加载和计算步数的增大而变化的曲线，主要研究承台顶底板中心位置的沉降。由图10中可以看出，承台顶底板的沉降量随加载的增大而增大，承台顶最大沉降为9.966 mm，承台底为9.953mm，只相差0.013mm。差值为承台的弹性压缩变形。合福铁路设计时速为350 km，根据《高速铁路设计规范》(TB 10621—2009)［11］规定，承台沉降符合设计要求。

4 结论

通过对官山底特大桥基础的数值模拟研究，得出了荷载作用下采空区群桩沉降规律，主要结论如下。

(1)承台下方不同深度地层的沉降随着荷载的增大而增大，沉降主要集中在浅地层，深度越大，沉降量越小。

(2)桩间土、桩顶沉降随着荷载的增大而增大。由于桩与土之间参数不同，随着荷载的变化，桩间土、桩顶的沉降快慢也不同。不同位置的桩间土和桩顶沉降有差异，但数值上差别不大，基础沉降均匀。

(3)采空巷道顶板的沉降量随着荷载的增大而增大，采空巷道顶板的沉降反映出上大下小的规律，这与地层沉降趋势相同，说明桩有效限制了采空巷道顶板的变形。

(4)承台顶底板的沉降随着荷载的增大而增大，由于承台的刚性性质，承台顶底板的沉降量几乎相同。

(5)根据以上研究结果，该项目采空区桥梁基础工程设计完全满足高速铁路沉降设计要求。

本次数值模拟的采空区正好处于基础正下方，对基础均匀沉降而言是有利的，计算也证明了设计的可靠性。作为一个系统的研究，今后将考虑多种地质条件下的处理效果，如多层采空区，采空区与基础斜交，水平荷载下基础的稳定和基础平面布置形式［12］对采空区的影响，力争从机理上弄清采空区变形的规律，为工程设计施工提供理论依据。

［1］戚科骏，宰金珉，王旭东，等．基于相互作用系数探讨的群桩简化分析［J］．岩土力学，2010，31(5):1609－1614．

［2］中铁第四勘察设计院集团有限公司．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．

［3］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．

［4］李志君，许留望．材料力学简明教程［M］．成都:西南交通大学出版社，1998．

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

［6］崔连莲．软土地基中疏桩基础沉降特性的数值模拟分析［D］．昆明:昆明理工大学，2010．

［7］肖昭然．单桩分析的双曲线模型及相应参数的确定［J］．土工基础，2002，16(9):60－64．

［8］汪优，刘建华，王星华，等．软土地层桥梁群桩基础桩土共同作用性状的非线性有限元分析［J］．岩土力学，2012，33(3):945－951．

［9］杨奇．高速铁路桥梁桩基础变形性状试验与工后沉降研究［D］．长沙:中南大学，2011．

［10］孙占法．老采空区埋深对其上方建筑地基稳定性影响的数值模拟研究［D］．太原:太原理工大学，2005．

［11］中华人民共和国铁道部．TB10621—2009 高速铁路设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2010．

［12］徐丽芬，马建林，王磊．垂直荷载作用下高速铁路摩擦桩基础平面布置形式的三维有限元分析［J］．铁道建筑，2008(3):70－73．

Numerical Simulation on Bridge Foundation Settlement of High-Speed Railway in Goaf Area

HUANG Tai-wu

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co．，Ltd．，Wuhan 430063，China)

This paper established a numerical model to simulate the settlement of bridge pile group foundation in goaf area，and analyzed the deformation process and characteristics of pile foundation in goaf area;further，the different deformation rules under various engineering conditions were depicted in detail．The study result reveals that:(a)the foundation settlementmeets the requirement of standard code，and the settlementmostly occurs in the shallow soil layer;(b)the settlements of soils between and on the piles are uniform;(c)the settlement of the goaf roadway roof is basically the same as thatof other parts of the foundation，and this proves that the pile foundation can effectively limit the deformation of the goaf roadway roof．

high-speed railway;goaf area;pile group foundation;numerical simulation;settlement

U443.1

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．017

1004－2954(2014)03－0071－05

2013－07－17;

2013－07－25

中铁第四勘察设计院集团有限公司科研课题(2010K31)作者简介:黄太武(1973—)，男，高级工程师。