高速鐵路采空區群樁受力機理數值模擬

梁 鑫,程謙恭,楊 颋,李傳寶,黃太武

( 1.西南交通大學, 成都 610031； 2.廣西科技大學,柳州 545006； 3. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

高速鐵路采空區群樁受力機理數值模擬

梁 鑫1,2,程謙恭1,楊 颋1,李傳寶3,黃太武3

( 1.西南交通大學, 成都 610031； 2.廣西科技大學,柳州 545006； 3. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

對高速鐵路采空區橋梁群樁基礎的受力機理研究,目前還非常少見。以合肥至福州高速鐵路官山底特大橋采空區群樁基礎為原型,通過數值模擬獲得群樁受力規律。研究表明：隨著荷載增大,樁上部軸力變化明顯,樁身軸力沿深度逐漸減小,在采空巷道內樁身軸力不變,所有樁均為端承摩擦樁；樁側摩阻力沿樁身先增大后減小,整個樁的側摩阻力分布重心下移,穿過采空區的樁側摩阻力分布重心比未穿越采空區的樁下移深度略深；承臺下中部的樁間土應力要大于承臺邊角位置的樁間土應力,隨著荷載增大,樁間土應力增長速率小于樁頂應力,樁身開始承擔更多荷載。

高速鐵路；采空區；群樁基礎；受力機理；數值模擬

目前已有多條普速鐵路穿越采空區的工程實例，并取得了一定的設計施工經驗。高速鐵路線路標準高，遇到大型采空區一般采取繞避措施；但對小型采空區完全繞避在技術和經濟上并不是最優選擇，采取適當的工程措施，小型采空區是完全可以安全通過的。高速鐵路采空區橋梁群樁基礎的研究成果較少，樁基設計中經驗比重較大。樁受力研究最為可靠的方式是現場監測，但資金投入巨大和時間較長，不能大量采用，而數值模擬方法能低投入、快速、完整地模擬實際復雜情況，可以彌補現場監測研究的不足[1]。合肥至福州客運專線設計時速350 km，經過安徽省、江西省，福建省，線路通過的上饒段采空區主要以小型煤礦采空區為主，橋梁下伏采空區以群樁為主要處理措施，以官山底特大橋采空區橋基為原型，對其受力機理進行數值模擬研究。

1 工程概況

官山底特大橋位于江西省上饒市四十八鎮與應家鄉境內，橋址起訖里程為DK497+695.75～DK499+885.26，橋梁結構形式為簡支梁。62號橋墩群樁基礎，里程DK499+682.28；承臺沿橋順方向長9 m，橫向寬12.6 m，高2.5 m；樁徑1.25 m，橫向樁間距為3.4 m，縱向樁間距為3.3 m，樁長均為49.5 m，共11根樁。采空巷道頂板深度為26 m，采空巷道延伸方向與鐵路走向呈90°角，其底板寬3.3 m，底板中心距離頂板高度為3 m。承臺平面見圖1(a)。

基礎地層主要有4層，從上到下依次是：(1)素填土；(2)全風化炭質頁巖，設計承載力為σ0=200 kPa；(3)強風化炭質頁巖，設計承載力為σ0=350 kPa；(4)弱風化炭質頁巖，設計承載力為σ0=500 kPa。地層和采空巷道情況見圖1(b)和圖1(c)。

2 模型建立及計算

2.1 模型參數

采用FLAC3D軟件數值模擬，數值計算模型如圖2所示。模型計算深度取80 m，橫向寬度為80 m，縱向寬度取70 m。對模型底面邊界設置X、Y、Z三個方向的約束，即固定支座約束；左右和前后兩側邊界設置水平約束，豎向無約束，即豎向滑動支座約束；上部則是自由邊界。

承臺采用各向同性彈性本構模型，材料參數有密度、體積模量、剪切模量；地層采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型，材料參數有密度、內聚力、內摩擦角、體積模量、剪切模量。根據官山底特大橋工程地質勘察報告和鐵路工程地質手冊[2]確定承臺下地層的巖土力學參數見表1。

樁單元采用FLAC3D自帶的樁單元模型，樁單元尺寸按實際尺寸建立，其他參數根據文獻[3-4]選取。樁單元穿過了不同的土層，因此需要對不同地層的樁賦予相應的參數，參數的正確性是影響數值模擬結果準確性的主要因素之一，根據經驗建議[5-6]cs_scoh(剪切耦合彈簧的內聚力)取值采用公式(1)，cs_sfric(剪切耦合彈簧的摩擦角)取值采用公式(2)，cs_sk(剪切耦合彈簧的剛度)的取值采用公式(3)

式中,c為土體黏聚力，p為樁周長。

式中，φ為土體的內摩擦角。

式中，k為土壓力系數；γ為土體的重度，N/m3；z為計算處樁的平均入土深度，m；φ為土體的摩擦角，(°)。

樁單元所有參數見表2和表3。

2.2 數值模擬計算流程

在FLAC3D的地層模型建立好以后，為相應模型賦予正確的參數，然后對其邊界進行約束以后，在自重作用下進行初始地應力場的生成，用solve命令計算至平衡狀態。

完成初始地應力場的生成以后，進行樁單元的生成。由于部分樁單元穿過采空巷道，并且經過了不同的土層，所以對同一編號樁基礎進行分段生成，根據土層參數對其分別賦值，賦值完成在節點相連合并為一根樁。完成樁的建立后，在承臺墩部對應位置施加荷載，荷載分為5級，前一級荷載施加計算完成后在此基礎上再施加下一級荷載，依次用solve命令計算至平衡狀態，提取相關數據進行分析。承臺上部荷載主要由墩身自重、梁自重以及列車荷載[7]組成，施加于承臺墩身作用截面。為了研究基礎的受力特征，荷載分為5次加載，荷載分級見表4。

2.3 監測點的設置

基礎沉降監測點分為3類，分別為樁頂應力監測點、樁間土應力監測點和樁身軸力監測點。采用FLAC3D軟件的hist命令進行監測并記錄，監測點布置如圖3所示。

(1)Z1～Z4為樁頂應力監測點，其位置分別對應1、2、5、6號樁的樁頂，如圖3(a)所示，因群樁樁位和荷載均為對稱布置，這4根樁的受力特征能代表整個群樁中所有樁的受力特征；

(2)T1～T4為樁間土應力監測點，T1、T3位于兩樁之間，T2、T4位于三樁之間，如圖3(a)所示；

(3)沿1、2、5號和6號樁樁身布置軸力監測點，如圖3(b)、圖3(c)所示。

3 結果與分析

3.1 樁身軸力

圖4為1、2、5、6號樁的樁身軸力隨深度變化曲線。其中1、2號樁是未穿過采空巷道的樁，5、6號樁是穿過采空巷道的樁。由圖可以看出，樁身軸力從樁頂到樁底，隨著深度的增加而逐漸減小。荷載較小的時候，樁身軸力也較小，隨著荷載的增大，樁身軸力也逐漸增大，特別是在樁頂變化明顯，樁底軸力變化相對較小。1號樁未穿過采空巷道，第5次加載后，從樁頂到28.5 m處，軸力隨深度從1 610 kN減小到1 140 kN，樁身軸力衰減較快；從28.5 m到樁底，軸力隨深度繼續減小，其樁底部軸力為597 kN，但是軸力衰減相對減慢，這表明由于樁土相對位移減小，樁側摩阻力也在減小。5號樁穿過采空巷道，第5次加載后，從樁頂到26 m處，軸力隨深度從1 818.27 kN減小到1 342.82 kN，樁身軸力衰減較快，該段隨著荷載增大，樁土間產生相對位移的趨勢也在增大，所以側摩阻力逐漸增大，因此樁身軸力逐漸減小；29～32 m由于處于采空巷道段，該段軸力不變為1 217.38 kN，之后軸力隨深度繼續減小，其樁底部軸力為599.58 kN，但是軸力衰減相對減慢。6號樁也穿過采空巷道，受力情況與5號樁相似。在第5次加載后，4根樁的荷載分布和樁類型如表5所示，4根樁均以側摩阻力為主，為端承摩擦樁，2、5號和6號樁樁頂荷載十分接近，1號樁處于角樁位置，荷載較小。

3.2 樁側摩阻力

圖5為樁側摩阻力隨深度變化曲線。由圖可以看出，樁側摩阻力從樁頂到樁底先增大后減小。荷載較小的時候，由于樁身軸力較小，側摩阻力變化不明顯，隨著荷載的增大，樁身軸力逐漸增大，側摩阻力也隨之增大。樁底端軸力較小，側摩阻力較小。1號樁未穿過采空巷道，第5次加載時，側摩阻力從深度2.5～25.5 m呈上升趨勢，該段側摩阻力從2.90 kPa增大到6.64 kPa，變化明顯；側摩阻力在25.5～28.5 m段達到最大為9.34 kPa；從28.5 m到樁底端，側摩阻力逐漸減小。2號樁與1號樁受力情況相似。5號樁穿過采空巷道，在第5次加載時，側摩阻力從深度2.5～26 m，逐漸增大，該段側摩阻力從3.3 kPa增大到8.85 kPa，因為隨深度增加，樁土相對位移較大，側摩阻力變化愈加明顯。采空巷道段(26～29 m)樁側摩阻力為零，側摩阻力在29～32.5 m處達到最大為10.65 kPa。從32.5 m到樁底端，側摩阻力逐漸減小。6號樁穿過采空巷道，受力情況與5號樁相似。本工點承臺為低承臺，荷載作用下承臺下樁間土受力，較淺地層發生了較大沉降，減小了較淺處地層的樁土相對位移，樁上部側摩阻力未得到很好發揮，整個樁的側摩阻力分布重心下移[8，9]，2、5號和6號樁第5次加載時樁頂荷載基本一致，處于采空區位置的5號和6號樁側摩阻力分布重心在30～35 m，比未穿越采空區的1號樁深5 m左右(25～30 m)，原因為采空區頂板在樁側摩阻力下拉作用和樁間土應力作用下變形比其他樁土層更大，較大的沉降減小了樁土相對位移量，限制了淺層地基側摩阻力的發揮。

3.3 樁間土應力與樁頂應力

圖6為樁間土應力隨荷載變化曲線，圖7為樁頂應力隨荷載變化曲線。由圖6可以看出，隨著荷載的增大，樁間土應力也逐漸增大。兩樁之間和三樁之間的土應力隨荷載增加而增加，且增加速率大致相同，T2、T4兩點位于三樁之間，樁間土應力分別為161.26 kPa 和220.45 kPa 。T1、T3位于兩樁之間，由于T3靠近承臺中心，受力較大，所以應力略大，樁間土應力為172.24 kPa ；T1離承臺中心較遠，所以應力略小于其他三點，其樁間土應力為133.09 kPa。由于荷載主要施加在中心，所以承臺下中部的樁間土應力要大于承臺下邊角位置的樁間土應力。

由圖7可以看出，隨著荷載的增大，樁頂應力逐漸增大。前3次加載后4根樁樁頂應力基本一樣，后2次加載處于角樁位置的1號樁樁頂應力明顯的要小于其他3根樁。

樁土應力比為樁頂應力與樁間土應力的比值。圖8為樁土應力比變化曲線。本文把4個樁間土應力的平均值作為該圖的樁間土應力，把4個樁頂應力平均值作為該圖的樁頂應力。由圖8可以看出，樁頂應力和樁間土應力相差比較大，隨著荷載的增加，樁土應力比從2.6左右增加到9.0左右，說明樁頂應力比樁間土應力增長要快，樁身開始承擔更多的荷載。

3.4 樁荷載分擔比

表6為樁荷載分擔比。圖9為樁荷載分擔比變化曲線。樁荷載分擔比為樁承擔的荷載與總荷載的比值。由圖9可以看出，隨著荷載的增加，樁身所承擔的荷載逐漸增加。在第1次加載的時候，樁身承擔荷載占總荷載的25.4%，隨著荷載的增加，在第5次加載后，樁身應力逐漸增大，樁身承擔荷載占總荷載的52.0%，建議在此類樁基設計中可適當地考慮承臺下樁間土分擔荷載的作用。

4 結語

通過對官山底特大橋橋梁群樁基礎的數值模擬研究，得出了荷載作用下采空區群樁受力機理，主要結論如下。

(1)樁身軸力隨著荷載的增大而增大，樁上部軸力變化明顯，樁身軸力沿深度逐漸減小，在采空巷道內樁身軸力不變，所有樁均以側摩阻力為主，類型為端承摩擦樁。

(2)樁側摩阻力沿樁身先增大后減小。穿過采空巷道的樁，在該段側摩阻力為零，整個樁的側摩阻力分布重心下移，穿過采空區的樁側摩阻力分布重心比未穿越采空區的樁下移深度略深。

(3)樁間土、樁頂應力隨著荷載的增大而增大，承臺下中部的樁間土應力要大于承臺底邊角位置的樁間土應力，荷載較小時樁頂應力基本一致，加載后期角樁位置樁頂應力最小。

(4)隨著荷載增大，樁間土應力增長速率小于樁頂應力，樁身開始承擔更多荷載，樁荷載分擔比也因此逐漸增大。此類樁基設計中可適當地考慮承臺下樁間土分擔荷載的作用。

本次數值模擬的采空區正好處于基礎正下方，從受力和均勻沉降來說對工程是有利的。眾多工程中采空區的位置和群樁布置[10-12]是多種多樣的，今后可以開展多種工況下的研究，使采空區群樁基礎的設計理論形成一個完整的體系，更好地為工程服務。

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NumericalSimulationonMechanicalMechanismofPile-GroupFoundationofHigh-speedRailwayinGoafArea

LIANG Xin1, 2, CHENG Qian-gong1, YANG Ting1, LI Chuan-bao3, HUANG Tai-wu3

(1.Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.Faculty of Civil Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China;3.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

The aim of this paper was to study the mechanical mechanism of bridge pile-group foundation of high-speed railway in goaf area, while a study of this kind still remains very rare at present. In this paper, the pile-group foundation of Guanshandi super-major bridge on Hefei-Fuzhou high-speed railway was taken as the example, and then the mechanical behavior of the pile-group foundation was revealed by the use of numerical simulation. The research result shows: (a) With the increasing of load, the pile-shaft axial force obviously changes at the upper part of the pile, gradually decreases along the pile shaft towards the bottom, and remains the same within the range of goaf roadway; all the piles are of end-bearing friction pile. (b) The pile side friction increases at first and then decreases along the pile shaft, and the distribution centroid of the pile side friction of the whole pile lowers down; the distribution centroid of the pile side friction of the piles passing through the goaf area is deeper than that of piles not passing through the goaf area. (c) The soil stress between piles below the bearing platform at the center place is larger than that at the edge places; and with the increasing of load, the increment rate of soil stress between piles is slower than that of pile top stress, that is to say, the pile top begins to bear a larger proportion of load.

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

2013-08-19；

：2013-09-14

鐵四院科技研究開發計劃課題(2010K31)

梁 鑫(1979—)，男，講師，博士研究生，E-mail：liangxin819@126.com。

1004-2954(2014)05-0049-06

U238； U443.15

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.05.012