区域沉降影响因素分析和计算

冯柯志

大连交通大学

区域沉降影响因素分析和计算

冯柯志

大连交通大学

区域沉降分析与预测对于沉降控制技术的发展来说是很重要的。通过搜集与课题研究相关的国内外文献资料去分析，了解了国内外面对沉降控制这一难题时，知道该如何去更好地控制沉降，找到控制沉降最关键的影响因素是什么，有哪些比较可行的办法可以适用于当前遇到的工程问题。本文结合德大铁路针对地区沉降特性，以及对铁路工程的影响，考虑影响因素，结合数值计算方法对选取研究段，建立模型进行模拟计算，对比不同因素条件下沉降最大值变化情况。

区域地面沉降；沉降因素；流固耦合；数值模拟计算

1 引言

土体变形条件、应力平衡条件和边界条件十分的复杂时，并且偏微分方程的变系数由土体的非线性引起，求解比较困难。这时需要结合计算机和数学的数值分析，且土体参数关系确定，就可以求解较符合的值。目前比较常用是有限元法[1]。

对于土体进行有限元分析，需从总应力和有效应力去考虑，总应力一般不考虑渗流固结，通过土骨架和孔隙传递和承受应力[2]需要同时考虑土骨架变形和孔隙水渗透，因此它比总应力分析更合理更真实分析土体和计算其荷载响应，同时也具有复杂性。

2 流固耦合模型建立分析

本文采用的是基于摩尔-库伦模型，结合FLAC3D程序进行模拟材料在各种状态下发生的力学行为[3],因为涉及到含水层的压缩与不透水层的排水固结产生了抽水引起的地面沉降,分析问题的时间应选择在地面沉降己经完全发生以后,因此大于釆取排水分析法,釆用先setfluid on mech off模式进行渗流稳态计算,再利用set fluid off mech on达到力学平衡[4]。

土层中抽取地下水引起水位变化，然后去分析土体性质和水位变化对区域沉降影响程度。依次将土层厚度设为变化因素，计算对区域沉降的影响。

3 参数取值

因抽取地下水导致含水土层发生沉降，根据资料选取抽水土层的半径范围为200m，设初始水位为0m，地层参数如下：

表2 土层参数情况

4 建立并划分网格

由地区的地下水特征，以抽水点为中心，建立边长为300m的正方形区域，水平方向划分15格，釆用变尺寸网格划分,竖直方向1m划分一个网格。对于本模型，定义地表边界不约束，一侧固定水平方向位移，与地面垂直方向固定，因抽水半径为200m，需要固定200m以外区域孔隙定义为透水边界，随时流入流出三维网格的划分。

5 土层沉降模拟分析

受土层厚度影响，可固定水位10m，分别在不同厚度下的土层进行模拟分析区域沉降情况。

由计算可看出，地下水的抽取产生的区域地面沉降，其最大值中心即井点中心，随着离井点中心距离越大，沉降变化也在减小。

图2-5 最大值随砂土厚度变化情况

从分析得到的结果看出，在一种土层情况下，设水位不变，厚度对其沉降影响较大；当厚度增加到10m，土层厚度与沉降值成正比，也就是在水位变化恒定情况下，当土层超过15m后，区域沉降发展趋于稳定，这是因为水位恒定孔压对沉降影响受到限制。如果土层厚度较大，对区域沉降影响也会更小。

6 结论及建议

(1)根据德大线实际工程资料，设定不同沉降条件下，模拟分析计算沉降最大值，有利于分析沉降的影响因素，例如地下水抽取、土层性质等。

(2)结合对比分析的方法，设定同一个变量，另一个变量不同的条件下，找出沉降发生的规律。

(3)随着铁路高速化的发展，考虑区域沉降的主要因素有哪些，有利于采取可行性措施进行区域沉降的控制，保护轨道的平顺性也减少了铁路运营的维护成本。

[1]陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[2]沈科.区域地面沉降对(京沪)高速铁路:[硕士学位论文].成都:西南交通大学,2013.

[3]于丽鹏.基于FLAC3D模拟的土体弹性模量取值分析[J].水利与建筑工程学报,2014:62～166.

[4]江伟.基于摩尔库伦模型软基沉降预测:[硕士学位论文].长沙:长沙理工大学,2009.

冯柯志（1991年01月13日），男，汉族，重庆，工学硕士，大连交通大学，道路与铁道工程