卤水井开采对铁路桥梁群桩的影响分析

王忠昶，李亚洲，白海峰

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连　116028)

铁路沿线区域性地面沉降严重削弱了铁路桥梁群桩基础的稳定性，使桥梁发生均匀或差异性沉降[1-3]，过量开采卤水是造成德(德州)大(大家洼)铁路沿线区域性地面沉降的主要原因[4-6]。随着卤水水位的下降，土体骨架发生压缩变形并影响土体的渗透性能。目前，抽水对桥梁群桩沉降及内力影响的研究主要以室内试验、数值模拟、现场测试为主[7-9]。但大部分研究并不能反映实际的抽水工况，卤水井抽水造成的群桩基础沉降是一个复杂的应力—渗流耦合过程[10-12]。抽水导致桩周土与桩基发生相对位移，在桩身产生负摩阻力及水平推力。负摩阻力将增大桩身的轴力及桩端的压力，造成桩身及桩端土的压缩量增大，使桩基总沉降量增加[13-15]，水平推力引起群桩承台发生不均匀沉降，对桥梁的稳定性产生影响。本文以德大铁路沿线的营子沟大桥为工程背景，在分析现场监测数据的基础上，采用FLAC3D软件建立不同卤水井开采条件下的带承台群桩—土流固耦合计算模型，分析不同卤水水位降时的桩土沉降特性、不同位置处桩体的轴力与摩阻力变化规律，为今后类似工程的设计与施工提供参考。

1　工程概况及监测分析

营子沟大桥长132.6 m，中心桩点里程位于德大铁路DK249+724处，该桥上部结构为连续预应力混凝土T梁，下部结构桥台采用肋板台，桥墩采用柱式墩，墩台采用群桩基础，群桩基础包含9根单桩，桩长45 m，直径1 m，呈矩形分布，桩间距分别为3.4和4.1 m，桩中心至承台边缘距离为1.15 m，桩与承台为刚性连接，群桩及承台尺寸如图1所示。

图1　群桩及承台尺寸(单位：cm)

德大铁路工程于2010年11月开工建设，据2010—2013年的监测资料，过量地抽取卤水造成德大铁路DK229+800—DK257+500标段发生严重的区域性沉降，图2给出了2010—2013年德大铁路DK229+800—DK257+500段地表沉降监测结果。由图2可见：该地段线路两侧地表表现出不均匀沉降现象。左侧地表的沉降量为2～145 mm，右侧地表的沉降量为4～159 mm，其中DK246—DK249段及DK252—DK257段沉降现象最为严重，营子沟大桥附近产生明显的沉降。为保障沉降区域内铁路桥梁的安全性，从2014年7月至2015年3月对营子沟大桥的沉降及地下水位进行了监测，营子沟大桥2#桥墩各期沉降量及地下水位见表1。

图2　2010—2013年德大铁路DK229+800—DK257+500段地表沉降监测结果

监测日期地下水位/m沉降量/mm2013-04-25-2.52014-07-01-9.002014-09-02-26.723.52014-12-01-33.150.02015-03-01-36.756.52015-08-05-40.2

注：2014年7月1日布设桥梁监测点，将沉降值设为0。以后各期的监测值在此基础上累加。

2　带承台群桩数值计算模型建立及卤水井开采模拟

2.1　有限差分模型的建立

带承台群桩三维模型的长、宽和高分别为350，350和80 m，卤水井为边长2 m的正方形，井深80 m。采用群桩两侧同时布设8口井的方式进行抽水工况的模拟。井与井之间相距5 m，群井中心距离群桩中心46 m。混凝土桩采用线弹性模型，混凝土的密度为2 500 kg·m-3，体积模量和剪切模量分别为15.6和11.7 GPa。土体采用弹塑性模型，符合摩尔—库伦屈服准则，土体的物理力学参数见表2。桩土界面采用移来移去法建立接触面，承台以下的土体和井网格划分密集，两侧的土体网格稀疏，桩采用渐变放射网格，带承台群桩的有限差分模型如图3所示。模型底部边界施加全约束，侧面边界施加横向位移约束；模型的底部为不透水边界，模型的四周及顶部为透水边界，进行抽水模拟时，井内地下水位线以上的孔隙水压力固定为0。

图3　带承台群桩的有限差分模型

2.2　卤水井开采模拟

对模型施加重力荷载获得初始地应力，根据地下水水位，将孔隙水压力施加到模型上，承台顶部施加2 000 kN的均布荷载，模拟过程中将地下水位从-9 m下降到-40.2 m并保持稳定。由于从营子沟大桥完工后到布设监测点时桩基在载荷与降水的共同作用下已经产生沉降，模拟时将此沉降量初始化为0，通过调整土体参数、渗透系数、降水深度等对各期监测到的桥梁桩基的累计沉降值进行拟合。在此基础上，将2015年8月监测到的地下水位作为最终水位，预测群桩基础的最终沉降量，并分析不同地下水位降时的群桩沉降量及其内力变化规律。在用FLAC3D软件进行流固耦合计算时，渗流的计算时间与监测间隔时间保持一致。

表2　土体的物理力学参数

3　模拟结果分析

3.1　不同水位降对地面与群桩的沉降影响

图4给出了不同地下水位时地面与群桩基础的沉降等值线图。由图4可见：随着地下水位的下降，地面的沉降范围不断扩大，同一位置处的地面与群桩的沉降量增大；当地下水位降至-40.2 m、且沉降稳定后，群井中心地面的最大沉降量为1 030 mm，群桩基础的承台中央最大累计沉降量为715 mm。

图4　不同地下水位时地面及群桩基础的沉降等值线(单位：m)

图5给出了不同地下水位时距群井中心不同距离的地面沉降曲线。由图5可知：地面沉降呈漏斗状分布，沉降漏斗的中心位于群井的中心，地面沉降主要位于距群井中心100 m范围内，距群井中心100 m以外的地面沉降很小(<2 cm)，同一位置的地面沉降量随地下水位的下降而增大。

图6给出了不同时期群桩承台顶部的沉降曲线。由图6可见：群桩沉降主要发生在2014年7—12月，地下水水位从-9 m下降至-33.1 m，群桩累计沉降量为50 mm，此阶段群桩沉降量占工后总沉量的64.7%；随着地下水位的继续下降，群桩的沉降趋缓，当地下水水位下降至-40.2 m并保持稳定(2015年8月)时，群桩沉降并未停止，直到2016年4月群桩沉降才趋于稳定，此时群桩的累计沉降量为71.5 mm，工后累计沉降量为77.3 mm。由于该值接近《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定的沉降限值80 mm，因此必须采取工程措施防止群桩继续沉降。

图5不同地下水位时距群井中心不同距离的地面沉降曲线

3.2　不同水位降对群桩轴力的影响

图7给出了不同时期、不同位置的桩轴力变化曲线(压力为负，拉力为正)。由图7可见：随着地下水位的下降，群桩中各截面的轴力不断增大，当抽水结束并沉降达到稳定时，桩身轴力达到最大值，随着地下水位的下降，各桩的轴力沿桩身先增大后减小，轴力最大值所在截面不断下移；相同的地下水位降时，各桩轴力的大小顺序为角桩>侧桩>近井中桩>中桩，抽水结束，沉降达到稳定时水位稳定后，角桩桩身轴力最大值为-5 418.75 kN；各桩轴力最大值所在截面距桩顶的距离为中桩>近井中桩>侧桩>角桩，中桩最大轴力所在截面距桩顶的距离为35.2 m。

图6　不同时期群桩承台顶部的沉降曲线

图7　不同时期不同位置的桩轴力变化曲线

3.3　不同水位降对群桩摩阻力的影响

图8给出了不同时期不同位置的桩摩阻力变化曲线。由图8可见：随着地下水位的下降，各桩上部负摩阻力的作用区域逐渐增大，在负摩阻力作用区域内负摩阻力沿桩身先增大后减小，负摩阻力的最大值位于桩顶部以下10 m左右的桩周处，各桩负摩阻力的大小顺序为角桩>侧桩>近井中桩>中桩，角桩的最大负摩阻力为-36.5 kPa；随着地下水位的下降，各桩的中性点逐渐下移，中性点以下，各桩受到正摩阻力的作用且沿桩身逐渐增大，在桩底部侧面达到最大，各桩受到正摩阻力的大小顺序为角桩>侧桩>近井中桩>中桩。抽水结束，沉降达到稳定时角桩受到的最大正摩阻力为75 kPa，群桩各单桩的中性点距桩顶距离依次为中桩>近井中桩>侧桩>角桩，中桩的中性点距离桩顶35.2 m，各桩的中性点与桩轴力最大截面位置一致。

图8　不同时期不同位置的桩摩阻力变化曲线

4　结　论

(1) 随着地下水位的降低，地面沉降呈漏斗状分布，沉降漏斗的中心位于群井的中心，地面沉降主要位于距群井中心100 m范围内，距群井中心100 m以外的地面沉降很小(<2 cm)，地面沉降量随水位的下降而增大。当地下水位降至-40.2 m时，待沉降稳定后，群井中心地面的最大沉降量为1 030 mm，群桩基础的承台中央最大累计沉降量为715 mm。

(2) 2014年7—12月，地下水水位从-9 m下降至-33.1 m，群桩累计沉降量为50 mm，此阶段群桩沉降量占工后总沉量的64.7%。随着地下水位的继续下降，群桩的沉降趋缓，当地下水位下降至-40.2 m并保持稳定时，群桩沉降并未停止，直到2016年4月沉降才趋于稳定，群桩的累计沉降量为71.5 mm，工后累计沉降量为77.3 mm。此值已接近规范规定的沉降限值80 mm，必须采取相关工程措施避免群桩继续沉降。

(3) 随着地下水位的下降，群桩中各桩截面的轴力不断增大，抽水结束且沉降达到稳定时桩身轴力达到最大。随着地下水位的下降，各桩的轴力沿桩身先增大后减小，最大轴力所在截面不断下移。相同的地下水位降时，各桩轴力的大小顺序为角桩>侧桩>近井中桩>中桩。各桩最大轴力所在截面距桩顶距离的大小顺序为中桩>近井中桩>侧桩>角桩。

(4) 随着地下水位的下降，各桩上部负摩阻力的作用区域逐渐增大，在负摩阻力作用区域内负摩阻力沿桩身先增大后减小，最大负摩阻力位于桩顶部以下10 m左右的桩周处，各桩负摩阻力的大小顺序为角桩>侧桩>近井中桩>中桩，角桩的最大负摩阻力为-36.5 kPa。随着地下水位的下降，各桩的中性点逐渐下移，在中性点以下，各桩受到正摩阻力的作用且沿桩身逐渐增大，在桩底部侧面达到最大，各桩受到的正摩阻力大小顺序为角桩>侧桩>近井中桩>中桩。抽水结束且沉降达到稳定时角桩受到的最大正摩阻力为75 kPa，群桩中各单桩的中性点距桩顶距离的大小顺序为中桩>近井中桩>侧桩>角桩，中桩的中性点距离桩顶35.2 m，各桩的中性点与桩轴力最大截面位置一致。

[1]杜彦良, 张玉芝, 赵维刚. 高速铁路线路工程安全监测系统构建[J]. 土木工程学报,2012,45(增2): 59-63.

(DU Yanliang, ZHANG Yuzhi, ZHAO Weigang. Construction of the High-Speed Railway Line Engineering Safety Monitoring System [J]. China Civil Engineering Journal, 2012,45(Supplement 2): 59-63.in Chinese)

[2]刘御刚. 抽降水对高速铁路桥梁桩基的影响分析[D]. 长沙: 中南大学, 2014.

(LIU Yugang. Analysis on Influence Imposed by Exploiting Groundwater on Bridges Pile Foundation of High-Speed Railway [D]. Changsha: Central South University, 2014. in Chinese)

[3]王荣, 刘明坤, 贾三满, 等. 地面沉降对高速铁路的影响分析[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2014, 25(2): 49-54.

(WANG Rong, LIU Mingkun, JIA Sanman, et al. Research Based on the High-Speed Railway Affect the Dynamic Quantitative Relationship between Groundwater and Land Subsidence [J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2014, 25(2): 49-54. in Chinese)

[4]SHI Xiaoqing, XUE Yuqun, YE Shujun, et al. Characterization of Land Subsidence Induced by Groundwater Withdrawals in Su-Xi-Chang Area, China[J]. Engineering Geology, 2007, 52(1): 27-40.

[5]王非, 缪林昌. 抽水地面沉降中含水层长期变形特性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(增1): 3135-3140.

(WANG Fei, MIAO Linchang. Study of Long-Term Deformation Characteristics of Sand Aquifers for Land Subsidence Caused by Groundwater Withdrawal[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(Supplement 1): 3135-3140. in Chinese)

[6]张永伟. 华北平原德州地面沉降成生机理、监测预警与可控性研究[D]. 济南: 山东大学, 2014.

(ZHANG Yongwei. Formation Mechanism, Monitoring and Warning, Controlling Research of Subsidence of Dezhou in North China Plain[D]. Jinan: Shandong University, 2014. in Chinese)

[7]李国和, 张建民, 许再良, 等. 华北平原地面沉降对高速铁路桥梁工程的影响研究[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(3): 346-352.

(LI Guohe, ZHANG Jianmin, XU Zailiang, et al. Influence of Land Subsidence on the Bridge of High Speed Railway in North China Plain [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(3): 346-352. in Chinese)

[8]程嵩, 张嘎, 郑瑞华, 等. 地下水开采对桥梁结构影响的离心模型试验研究[J]. 岩土力学, 2011, 32(6): 1781-1786.

(CHENG Song, ZHANG Ga, ZHENG Ruihua, et al. Centrifuge Modeling of Response of Bridge Due to Exploiting Groundwater [J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(6): 1781-1786. in Chinese)

[9]刘争宏, 郑建国, 张继文, 等. 湿陷性黄土地区桥梁桩基工后沉降计算方法研究[J]. 岩土工程学报, 2014, 36(2): 320-326.

(LIU Zhenghong, ZHENG Jianguo, ZHANG Jiwen, et al. Method for Post-Construction Settlement of Pile Foundation of Bridges in Collapsible Loess Area [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(2): 320-326. in Chinese)

[10]LEWIS R W, SCHREFLER B. A Fully Coupled Consolidation Model of the Subsidence of Venice [J]. Water Resource Research, 1978, 14(2):465-473.

[11]崔涛, 张卫华, 张曙光, 等.列车高速通过站台时的流固耦合振动研究[J]. 中国铁道科学, 2010, 31(2): 50-55.

(CUI Tao, ZHANG Weihua, ZHANG Shuguang, et al. Study on the Fluid-Solid Coupling Vibration of Train Passing through Platform at High Speed[J]. China Railway Science, 2010, 31(2): 50-55. in Chinese)

[12]徐进, 王旭东, 蔡正银. 抽水引起三维流固耦合问题的有限层法[J]. 岩土工程学报, 2013, 35(9): 1683-1688.

(XU Jin, WANG Xudong, CAI Zhengyin. Method for 3D Coupled Flow-Deformation Response Due to Pumping[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(9): 1683-1688. in Chinese)

[13]邹力, 吴兴序, 马建林. 桩侧压浆控制群桩基础沉降量研究[J]. 中国铁道科学, 2010, 31(1): 16-19.

(ZOU Li, WU Xingxu, MA Jianlin. Study on the Settlement Control of Pile Group Foundation by Using Pile Shaft Grouting [J]. China Railway Science, 2010, 31(1): 16-19. in Chinese)

[14]刘兹胜. 高抛填钢管桩负摩阻力现场试验研究[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(2): 337-342.

(LIU Zisheng. Field Tests on Negative Skin Friction of Steel Pipe Piles in High Backfilling Soils [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(2): 337-342. in Chinese)

[15]黄挺, 龚维明, 戴国亮. 不同土表堆载分布形式下桩基负摩阻力特性模型试验[J]. 东南大学学报:自然科学版, 2015, 45(6): 1169-1174.

(HUANG Ting, GONG Weiming, DAI Guoliang. Model Tests on Characteristics of Pile Foundation Negative Skin Friction under Different Distributions of Surcharge Load [J]. Journal of Southeast University:Natural Science Edition, 2015, 45(6): 1169-1174. in Chinese)