高速鐵路采空區樁板結構復合路基受力機理數值模擬

梁 鑫,程謙恭,王長寶,李傳寶

高速鐵路采空區樁板結構復合路基受力機理數值模擬

梁 鑫1,2,程謙恭1,王長寶1,李傳寶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)

樁板結構在國內多條高速鐵路軟土和黃土路基中已得到廣泛應用,但該結構用于處理路基采空區的研究成果不多。以合肥至福州高速鐵路采空巷道上方車站樁板復合路基為研究對象,數值模擬分析路基的受力機理。研究表明:樁身軸力呈上大下小變化趨勢,所有樁均為端承摩擦樁,穿過采空巷道的樁在采空巷道范圍內軸力保持不變;所有樁樁側摩阻力都呈現出先增大后減小的趨勢,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要比未穿越采空區的樁要深,樁身越長側摩阻力所占承載力比例越大;采空區復合路基的樁土應力比要比軟土路基的小。

高速鐵路;采空區;樁板結構;受力機理;數值模擬

高速鐵路線路選線對大型采空區一般采取繞避措施,但對于小型采空區若全部繞避,對于滿足線路半徑標準和控制工程造價來說都是不利的。樁板結構已成功運用于京津[1]、京滬[2]和武廣[3]高速鐵路的軟土路基處理,鄭西[4]高速鐵路的濕陷性黃土路基處理,遂渝高速鐵路[5]的川東紅土路基處理,高速鐵路斜坡路基處理[6],滬杭客運專線上跨淺埋地鐵深厚軟土路基處理[7],采用樁板結構對下伏采空區地基的處理尚屬于較新穎的研究課題,已有工程實踐和理論研究成果少,如何對采空區進行處理及結構受力機理仍然需要做大量的研究。對合福高速鐵路上饒段五府山車站采空區樁板結構復合路基的受力機理進行研究,為樁板結構處理高速鐵路下伏采空區路基設計施工提供有價值的參考。

1 工程概況

五府山車站(DK499+763.83～DK500+835.00)位于上饒縣城正南37 km處四十八鎮,設計為無砟軌道,共4股道。該車站位于北山村小學右側的山坡上,前(福州方向)接官山底特大橋,后(合肥方向)接四十八鎮1號大橋,為橋橋過渡段。路基采用C35混凝土灌注樁和C35鋼筋混凝土承臺板加固,人工挖孔灌注樁直徑1.0 m,樁間距5.0 m,樁長12.0～25.0 m。承臺板結構采用C35鋼筋混凝土,厚1.2 m。承臺板以上路堤填土采用的是摻3%水泥的級配碎石。

DK499+920斷面概況如圖1所示,地層從上到下為強風化砂巖和弱風化灰巖,路堤填高3.0 m,路基頂面寬26 m,路基底面寬35 m,邊坡坡比1∶1.5。樁間距為5.0 m,樁徑1.0 m,因地層變化及采空巷道的埋深不同,樁長不相同,斷面樁長從左至右依此為21、12、17、18、18、15、20 m。斷面左側布置有4根橫截面尺寸為2.75 m×2.5 m的抗滑樁,樁長均為20 m,樁中心間距為5 m。1號采空巷道、2號采空巷道、3號采空巷道的高度分別為3、1.5 m和1.5 m。

圖1 斷面概況(單位:m)

2 模型建立及計算

采用FLAC3D軟件進行數值模擬。模型邊界深度取42 m(最大樁長的2倍);橫向寬度取105 m(路堤底面寬度的3倍);縱向寬度取25 m(5倍的樁間距)。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;上部是自由邊界;前后和左右兩側設置豎向滑動支座約束。計算模型如圖2所示。承臺板采用彈性本構模型,巖土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型。根據五府山車站工程地質勘察報告和鐵路工程地質手冊[8]得到數值模擬所需的各層巖土體及結構物理力學參數見表1。樁單元采用FLAC3D的Pile單元模型[9]。路基高度為3 m,采用分層填筑施工,每層填筑高度為1 m。按施工工況將荷載分為3級,板樁結構+第一層填土為第一級荷載,填土高度2 m時為第二級荷載,3 m完成時為第三級荷載。

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,在自重力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。然后按工況進行加載計算,共3次,每次計算均在前一級計算完成的基礎上進行,計算過程中采用hist命令監測記錄各監測點的內力。

圖2 斷面三維工程地質模型

表1 巖土體和結構物理力學參數

3 計算結果及分析

3.1 樁身軸力

選取斷面4根樁進行樁身內力研究(圖3),其中1號、2號和4號樁穿過采空巷道。監測樁穿過地層情況如表2所示。

圖3 監測樁位置示意

圖4 為監測樁樁身軸力沿深度變化曲線。從圖中可以看出:在不同填筑荷載作用下,軸力沿樁身呈非線性分布,軸力總體變化趨勢呈上大下小,隨著荷載的增加軸力沿樁身整體增大,荷載越大樁身軸力沿樁長衰減的速率越快,穿過采空巷道的樁在采空巷道范圍內軸力保持不變。荷載較小時,樁側摩阻力承擔了絕大部分荷載,樁端阻力很小,隨著荷載的增加,樁端阻力逐漸加大。在填筑荷載作用下,樁端阻力占樁頂荷載的具體比例及樁的類型見表3。從數據可以看出,上述4根樁受力特性均為端承摩擦樁,以摩擦力為主。在第三級荷載作用時,樁長僅為12 m的2號樁在側摩阻力占到70.6%,穿過采空區的3號樁樁長為17 m,側摩阻力占到68.5%。可見在采空區樁板結構設計中不能簡單地將樁底到達基巖的短樁歸類為端承樁。

表2 監測樁穿越地層情況m

圖4 各樁軸力沿深度變化曲線

表3 樁端阻力占樁頂荷載比例及樁的類型________

3.2 樁側摩阻力

圖5為樁側摩阻力沿深度變化曲線。從圖中可以看出:在荷載作用下4根樁的樁側摩阻力都呈現出先增大后減小的趨勢,在荷載作用下1～4號樁側摩阻力由大變小的轉折點分別位于樁頂以下13、13、9 m和15 m。本工程樁板結構承臺為低承臺,荷載作用下承臺下樁間土受力,較淺土層發生沉降,減小了該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[10-11],且在三級荷載作用下,穿過采空區的樁側摩阻力下移深度基本相同,分布重心在樁頂以下10～13 m,未穿越采空區的3號樁分布重心在樁頂以下9 m左右。對比可以發現,穿過采空區的樁側摩阻力分布重心要比未穿越采空區的樁要深,原因在于1號、2號和4號樁采空巷道頂板在樁側摩阻力下拉作用和樁間土壓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,限制了淺層土側摩阻力的發揮,使更深土層側摩阻力得到發揮。通過對比1號樁和3號樁可以發現,1號樁的側摩阻力所占樁頂荷載的比例要大于3號樁的側摩阻力所占樁頂荷載的比例,即1號樁的樁端力所占樁頂荷載比例大于3號樁的樁端力所占樁頂荷載比例,表明樁身越長側摩阻力所占比例越大。

3.3 樁間土應力

選取4個具有代表性的樁間土應力監測點,T1、T4位于兩樁中心,T2、T4位于四樁中心,T1、T2靠近路肩處,T3、T4靠近路基中心,Z1～Z4為樁頂應力監測點。監測點平面布置如圖6所示。

圖5 樁側摩阻力沿深度分布曲線

圖6 監測點平面布置

圖7 為樁間土應力隨填土高度的變化曲線,從圖中可以看出:樁間土應力曲線隨著路堤填土呈現出明顯的階梯狀變化。在同一橫剖面處,四樁中心樁間土應力與兩樁中心樁間土應力相差很小,四樁中心樁間土應力略微小于兩樁中心樁間土應力;距離路基中心近的監測點樁間土應力略大,距離路基中心遠的樁間土應力略小,例如T1、T4第三級填筑荷載作用下,樁間土的最大壓應力分別為31.2、33.8 kPa。樁間土應力隨著填筑荷載施加增加的幅度越來越小,從側面反映出樁承擔的荷載在增加而且幅度越來越大。例如T4樁間土應力監測點,在第一級填筑荷載作用下樁間土應力為18 kPa,在第二級填筑荷載作用下樁間土應力為27 kPa,在第三級填筑荷載作用下樁間土應力為32 kPa,可以很明顯看出隨著荷載的增加樁間土增大的幅度在減小。

圖7 樁間土應力隨填土高度的變化曲線

3.4 樁頂應力

圖8為樁頂應力隨填土高度的變化曲線,圖中Z1為穿過采空巷道的1號樁樁頂監測點;Z3為沒有穿過采空巷道的3號樁樁頂監測點。從圖中可以看出:樁頂應力曲線隨填土高度的變化趨勢與樁間土應力曲線隨填土高度的變化趨勢是相同的,同樣是隨著填土高度的增加樁頂應力增大。隨著填土高度的增加,樁頂應力的增幅是不斷增大的,這也說明了樁分擔總荷載的比重在增大。Z3監測點在第一級、第二級、第三級填筑荷載作用下樁頂應力分別為175 kPa、450 kPa、780 kPa,可以看出隨著填土高度的增加,樁頂應力增大的幅度也在增大。

圖8 樁頂應力隨填土高度的變化曲線

3.5 樁土應力比

為了得到樁土應力比,把4根樁樁頂應力平均值作為斷面的樁頂應力,把4個樁間土應力平均值作為樁間土應力。圖9為樁土應力比隨填土高度的變化曲線,從圖中可以看出:樁土應力比隨路堤填土高度增加而增大,在每一級填筑期間應力比都增大較快。例如當填土高度為2 m時,樁土應力比從第一級荷載的12增大到19,當填土高度為3 m時樁土應力比達到18.9,一般情況下由于土體徐變會使樁間土應力減小,最終的樁土應力比會比計算的結果略大,而京滬高速鐵路軟土樁板結構路基中最終樁土應力比為31.1[2]。

圖9 樁土應力比隨填土高度的時程曲線

4 結論

通過對合福高速鐵路上饒段五府山車站采空區樁板結構復合路基的受力機理進行數值模擬研究,得出以下結論。

(1)樁身軸力呈非線性分布,軸力總體變化趨勢呈上大下小,穿過采空巷道的樁在采空巷道范圍內軸力保持不變,穿過和未穿過采空區的樁均為端承摩擦樁。

(2)荷載作用下4根樁的樁側摩阻力都呈現出先增大后減小的趨勢,所有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要比未穿越采空區的樁要深,樁身越長側摩阻力所占比例越大。

(3)離路基中心近的點樁間土應力略大,距離路基中心遠的樁間土應力略小,隨著荷載的增加樁間土增大的幅度在減小,樁與其間的土體沒有軟土路基中的土拱效應。

(4)樁頂應力曲線隨填土高度的變化趨勢與樁間土應力曲線隨填土高度的變化趨勢是相同的,采空區復合路基的樁土應力比要比軟土路基的小。

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Numerical Simulation on Stress Mechanism of Sheet-Pile Composite Subgrade of High-speed Railway in Goaf Area

LIANG Xin1,2,CHENG Qian-gong1,WANG Chang-bao1,LI Chuan-bao3
(1.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)

Sheet-pile structure had been widely used for treating the soft soil or loess soil subgrade of domestic high-speed railway,but for treating the goaf area,there was little research result.For this reason,in this study,the sheet-pile composite subgrade above a goaf roadway at a station of Hefei-Fuzhou high-speed railway was taken as research object,and the numerical simulation was conducted to analyze the stress mechanism of this subgrade.The research results show that:(a)The axial force along the pile shaft presents a change trend of large top and small bottom basically;all of the piles are end-bearing friction piles;the axial forces of pile shafts within the range of goaf roadway remain the same during passing through the goaf roadway.(b)All of the pile side frictions present a trend of increasing first and then decreasing;and the orthocenter of pile side friction distribution is downward,especially the orthocenter of pile side friction distribution of the piles in the goaf area is much deeper than that of piles not in the goaf area;the longer the pile shaft is,the greater the proportion of side friction in bearing capacity becomes.(c)The pile-soil stress ratio of composite subgrade in goaf area is smaller than that of subgrade in soft soil.

high-speed railway;goaf area;sheet-pile structure;stress mechanism;numerical simulation

U238;U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.001

1004-2954(2014)04-0001-04

2013-08-14;

2013-09-02

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-mai:liangxin819@ 126.com。