抽降水對高速鐵路橋梁樁基的影響

梁 峰

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

近年來，因工業以及民用水的需求而對高速鐵路沿線地下水進行開采的現象越來越多。然而地基土會由于大量地下水被開采而產生沉降，致使臨近高鐵樁基的沉降量加大，對高鐵運營的安全性而言具有較大的影響。以高鐵橋梁樁基在抽降水時的工作狀況進行研究分析。

1 工程概況

某高速鐵路橋梁全長132 m，分為5 跨24 m，群樁基礎。該鐵路橋梁為單線通車橋梁，其上部通過預應力混凝土簡支T 梁搭接在橋墩上形成。該橋梁處于井水開發區，兩側多有井口布置，具有較大的井水開采量，地下水位變動較大。

2 項目概況

選定橋梁樁基尺寸為350×350×80 m，水井尺寸深寬為80×2 m。采用密集網格對承臺下部土體以及抽水井進行劃分，采用稀疏網格對外側土體進行劃分。群樁基礎模擬對象位為1#橋墩下，所選對象承臺尺寸為10 m×9 m×2.5 m，在其下部布置有9 根長45 m 直徑1 m 的樁基，樁基與承臺采用的連接方式為剛接。

沿場地周圍設置降水井，將地下水從排水分管中抽到地面，再匯總進入總管后再排出場外。將消防栓以及水閥門設置在總管上，以滿足現場施工的臨時要求。

抽水井采用垂直切槽式的濾水管，總長為30 m，處于地面下50 m 左右。再安設好所有抽水井管之后，還需放置浸水式馬達。安設好馬達后再在其上配置揚水管以及控制系統。抽降水的控制系統主要由排水管路，控制流量的閥門等組成。

3 不同抽水工況對橋梁樁基的影響

分析該橋梁的沉降監測結果發現：該橋梁及其沿線路面沉降較大地區均處于井口布設密集、開采地下水較多的位置。為對以上原因進行分析，采取的方法是數值模擬，研究水井內開采水位，不同水井數量對鐵路橋梁樁基沉降及內力的影響。

3.1 井中開采水位對橋梁樁基的影響

為研究高速鐵路橋梁樁基沉降及內力和井口開采水位之間的關系，所設置的方案如表1 所示。降低水位至指定水位，終止流固耦合計算的標準為群樁沉降趨于穩定時的參數，對井周地面的沉降針對不同降水位進行分析，得出結果。

表1 井中開采水位對橋梁樁基的影響分析方案

3.2 井中開采水位對群井周圍地面沉降的影響

圖1 井內不同水位時土層的浸潤曲線

從圖1 可看出，井內部以及井周圍土體的水位在抽水時保持一致，浸潤曲線形狀呈現為漏斗形；伴隨著井內不斷降低的水位，增大了抽水影響的范圍，使位置相同的土層水位持續下降。

圖2 所示地面沉降與井中水位關系曲線圖所選取的地面沉降值為以群井中心為原點直徑為100 m 的圓范圍。從圖中可看出，地面在同一位置隨著不斷下降的井中水位沉降量也在不斷升高，且沉降范圍也呈現以漏斗狀不斷增加，地面沉降值最為劇烈的位置在群井中心，該區域外的沉降較緩。

3.3 橋梁樁基沉降與開采井中水的關系

隨著井內水位不斷的下降群樁樁頂的沉降量不斷增大，群樁樁頂的最小的沉降量位于井內水位下降<9 m 時，試驗結果表明井內水位的降低與群樁樁頂沉降成正比。

圖2 地面隨著井內水位變化的沉降曲線

3.4 橋梁樁基內力與開采井中水的關系

（1）角樁、側樁及近井中樁。隨著井中水位的不斷下降，角樁、側樁及近井中樁的樁頂周圍均作用有負摩阻力。當降低較小（＜9 m）的井中水位時，角樁、側樁及近井中樁受到的作用力主要為正摩阻力并且該作用力總體上不斷沿著樁身上升。當井中水位的下降量不斷增多時角樁、側樁及近井中樁上部越來越多的范圍受到負摩阻力作用，在該范圍內，沿著樁身的該種負摩阻力呈現出的趨勢為先上升后降低。角樁、側樁及近井中樁所受正摩阻力表現為中性點以下的范圍作用力不斷增強。隨著不斷降低的水位，中性點位置不斷降低。

（2）中心樁。隨著井中水位不斷下降，負摩阻力主要作用在中心樁樁頂下0～34 m；正摩阻力主要作用在中心樁樁頂下34～44 m并且呈現出沿著樁身不斷上升的趨勢。當井中水位持續降低時，摩阻力在樁周同一位置的作用力不斷上升。井中水位的降低對中心樁中性點位置的影響較小，有較多中性點出現。

分析可知，隨著井中水位的不斷下降，除去中心樁外，其余樁沿著樁身所承受的摩阻力變化基本一致。當井中水位下降程度相同時，所承受摩阻力最大的為角樁，最小的為中心樁，側樁和近井中樁具有大小相近的摩阻力。隨著井中水位的下降，各種單樁同一位置所受到的摩阻力呈現出不斷上升的趨勢。

4 水井數量對橋梁樁基的影響

所設置研究橋梁樁基沉降以及樁基內力與不同水井數量的方案見表2。此模塊內容將直接給出試驗結果。

表2 研究水井數量對橋梁樁基影響方案

4.1 水井數量對群井周圍地面沉降的影響

從井周圍地下水的浸潤曲線可知，在保持一定的井內水位時，水井數量的增多增大了群樁水位的下降高度；且隨著水井數量的增加，水位影響范圍也不斷增加。

從地面沉降曲線可知，水井數量的增加，增大了群樁基礎同一位置處的沉降量以及沉降范圍，且和浸潤曲線一樣的是地面沉降也呈現出漏斗狀，群井所在處具有較大的沉降，反之群井以外區域的沉降則較小。

4.2 水井數量對橋梁樁基沉降的影響

通過將水井內水位降低至指定標高后，分析不同的水井數量對群樁沉降的影響可知，隨著不斷增加的水井數量，群樁沉降量也在不斷上升，并且當保持水井內的水位不變時增加水井數量，群樁具有較為穩定的沉降量。

4.3 水井數量對橋梁樁基內力的影響

將井內水位降低至指定標高后，分析各個單樁在不同水井數量進行降水時的內力情況。從整體上看可知，角樁、側樁以及近井中樁所表現的沿樁身的摩阻力變化規律為：盡管所采取的抽水井數不同，但不管是何種情況均有負摩阻力作用在樁身的上半段，正摩阻力作用在樁身的下半段。樁體沿著樁身所受到的負摩阻力呈現出先上升后下降的趨勢，在樁身同一位置處隨著水井數量的上升負摩阻力也不斷上升；沿著樁身的正摩阻力呈現出逐漸增加的趨勢，在樁身同一位置處隨著水井數量的上升正摩阻力不斷增大。隨著水井數的不斷增加角樁中性點埋置深度也在不斷上升。中心樁的摩阻力影響范圍同上述樁體一致，隨著不斷增加的水井數，中心樁樁身同一位置處的負摩阻力和正摩阻力均呈現出不斷上升的趨勢，并且中性點有多個。

5 結束語

采用數值模擬的方法對橋梁樁基的沉降及內力在不同井內開采水位及不同水井數量工況下的變化規律進行研究，重點對兩種工況下的群井周圍地面浸潤曲線以及地面沉降，樁基沉降及內力進行分析。主要結論有：

（1）當不斷降低井內水位時，抽水對橋梁樁基及周圍地面的影響范圍不斷增加，土層同一位置處的水位不斷下降；地面同一位置處的沉降不斷上升，影響范圍也逐漸上升；沉降量較為劇烈且較大的位置為群井中心；隨著水位的降低群樁沉降量和樁身同一處的摩阻力不斷上升。

（2）當保持井內水位不變時，增加群井數量使得群樁下部水位的降低深度不斷上升，影響范圍也不斷增加；隨著不斷增加的水井數量，地面同一位置的沉降量及其沉降影響范圍不斷上升；隨著不斷增加的水井數量，群樁沉降也在不斷上升，但當水井數量上升到一定值之后，群樁保持穩定高度沉降量不變；隨著水井數量的增加，樁身同一位置的摩阻力不斷上升。