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1、铁路桥梁桩基周围卤水井安全开采距离研究 方懿 李亚洲 高京生 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 大秦股份有限公司太原高铁工务段 宁波市轨道集团有限公司 摘 要： 卤水井开采对其附近的铁路桥梁桩基带来严重的危害, 采用数值模拟的方法, 在现场监测数据的基础上, 分析了采取不同卤水井开采距离抽水时, 桥梁桩基的沉降及内力变化特点。研究结果可为地下水开采造成的铁路桥梁沉降治理工作提供决策依据。关键词： 卤水井开采; 数值模拟; 桩基沉降; 轴力; 摩阻力; 作者简介：方懿 (1983) , 男, 安徽宿松人, 工程师, 主要研究方向为轨道交通工程监测及风险管控。收稿日期：2017-10-11A
2、nalysis of Influence of Brine well Mining Distance on Pile Foundation of Railway BridgeFang Yi Li Ya-zhou Gao Jing-sheng Abstract： The exploitation of brine well is harmful to the pile foundation of railway bridge nearby. Based on the field monitoring data, in this paper, numerical simulation method
3、 is used to analyze the characteristics of settlement and internal force of bridge pile foundation with different mining distance. The research results can provide decision basis for the settlement control of railway bridges caused by groundwater exploitation.Keyword： brine well mining; numerical si
4、mulation; settlement of pile foundation; axial force; frictional resistance; Received： 2017-10-11区域性地面沉降地质灾害对铁路桥梁桩基稳定性造成极大的破坏, 致使铁路桥梁桩基发生沉降1,2, 研究结果表明过量开采地下水是导致区域性沉降的主因。地下水开采致使地面发生沉降是一个复杂的流固耦合过程, 随着土中水被抽出, 由水承担的应力转移到土骨架上, 造成土体被压缩, 进而导致土的渗透性的变化, 从而又影响抽水进程。地下水开采对铁路桥梁桩基的影响主要表现为, 地下水开采造成铁路桥梁桩基附近土体与桩基发生相
5、对沉降, 在桩身产生负摩阻力, 造成桩的承载力下降及桩身被压缩, 使桩的沉降量增加9,10。由于地下水开采对桥梁桩基影响的复杂性, 目前地下水开采对铁路桥梁内力及沉降影响的研究主要集中在数值模拟和室内外试验研究方面。本文以德大铁路沿线受卤水开采影响沉降严重的营子沟大桥为工程背景, 在现场监测数据的基础上, 采用数值模拟的方法, 研究不同的卤水井开采距离对铁路桥梁桩基的影响。本研究可为铁路沿线地下水开采及铁路桥梁桩基保护工作提供参考。1 工程概况德大铁路位于山东省内, 于 2010 年 11 月开工建设。据沉降监测资料显示, 德大铁路 DK228+700DK257+529 标段在 2010 年至
6、 2013 年间发生严重的区域性地面沉降, 造成了该区间内 17 座桥梁桩基发生了不同程度的沉降灾害。调查发现, 在沉降区域存在多口卤水井, 研究表明过量开采地下卤水是造成临近桥梁桩基发生沉降的主要原因。2010 年至 2013 年间的监测资料显示, 营子沟大桥位于沉降最严重区域, 为保障铁路桥梁的安全, 本文以营子沟大桥 2 号桥墩为工程背景, 研究了不同的卤水开采距离对铁路桥梁桩基的影响。营子沟大桥 2 号桥墩下部采用群桩基础, 承台长宽高为 10.5 m9.1 m2.5 m, 承台下部有 9 根单桩, 单桩的直径为 1 m, 长 45 m。沉降发生后, 于 2014 年 7 月 1 日对
7、 2 号桥墩进行了沉降监测, 并对其周围卤水井内水位进行了监测, 桥墩各期沉降量及地下水位情况参见表1。表 1 营子沟大桥 2 号桥墩各期沉降量及地下水位 下载原表 2 数值计算模型建立及研究方案2.1 桩基及抽水模型的建立数值模拟软件采用有限差分软件 FLAC3D, 群桩为钢筋混凝土结构, 模拟计算时采用线弹性模型。由于地下水开采影响范围理论上为无穷大, 为保证计算精度, 土体模型的宽和高分别取 300 m 及 100 m, 模型的长度根据卤水井与桩基的距离不同分别选为 120 m, 150 m, 200 m, 250 m, 土体模型采用摩尔库伦模型。由于营子沟大桥位于卤水井密集区, 模拟分
8、析时将卤水井简化为沿桩基两侧布置, 每侧布置 8 口井, 群井中心至桩基中心的距离为 47 m。卤水井深度为 80 m, 平面尺寸为边长 2 m 的正方形, 两口井之间的距离为 6 m。为使模拟结果更精确, 对模型的群桩及井周土体采用放射形网格的优化处理方案, 计算模型如图 1 所示。2.2 研究方案为保证数值模拟结果的可靠性, 模拟工作分两部分进行。图 1 带承台群桩的有限差分模型 下载原图(1) 在表 1 监测数据的基础上, 预测桩基的最终沉降量, 模型中土体及桩基的计算参数见表 2。模拟方法为:首先, 根据监测到的水位和对应的桩基沉降值, 通过不断调整土体的渗透系数, 对已有的 4 期数
9、据进行拟合, 拟合前将水位下降至9 m 时, 模型计算结果初始化。最后, 将 2015 年 8 月 5 日监测的水位40.2 m 定为稳定水位预测桩基的最终沉降量。抽水过程的实现:抽水时将井内水位按定水位进行处理, 水位以上的孔隙水压力为 0, 井外土体中的孔隙水压力按实际水位自动生成。进行流固耦合计算时, 选择主从进程法, 将流体计算选为主进程, 力学计算为从进程。表 2 土体及群桩的物理力学参数 下载原表 (2) 将群井中心至群桩中心的距离分别设定为 27 m, 87 m 和 147 m, 水井数量, 抽水方式, 土体参数及模拟方法与抽水距为 47 m 工况完全一致并按其模拟方法进行依次模
10、拟计算。根据模拟结果, 分析采用不同的卤水井开采距离时桩基的沉降量及内力的变化情况并得出卤水井安全开采距离。3 模拟结果分析3.1 桩基沉降量预测图 2 给出了桩基顶部不同时期的沉降曲线。由图 2 可知, 受卤水开采影响桩基的沉降主要发生在 2014 年 7 月至 2014 年 12 月, 在此期间井内水位下降 24.1 m, 桩基累计沉降量为 50.0 mm。后期随着对卤水开采的限制, 地下水水位缓慢下降, 2015 年 3 月份以后水位基本稳定在40.2 m。将该水位定为最终水位, 由于流固耦合过程是一个缓慢过程, 模拟得出桩基在2016 年 9 月沉降才趋于稳定, 桩基累计沉降量为71.
11、9 mm。该值已经接近 TB 100932017铁路桥涵地基和基础设计规范, 其中规定有砟桥面桥梁墩台均匀沉降量不大于 80 mm 的标准, 因此, 应严格控制营子沟大桥两侧的卤水开采水位。图 3 给出了沉降稳定时地面和桩基沉降剖面图。由图 3 可知, 抽水造成地面沉降呈漏斗状, 地面沉降最大值为1.03 m, 位于群井中心。受双侧抽水影响, 桩基发生均匀沉降。图 2 桩基承台顶部不同时期沉降曲线 下载原图图 3 沉降稳定时地面和桩基沉降剖面图 (计算机截图) 下载原图3.2 开采距离对桥梁桩基沉降的影响3.2.1 群井周围地下水浸润曲线图 4 给出了不同开采距离布井抽水时土中浸润曲线。由图
12、4 可知, 当水位降至40.2 m 且保持水位不变时, 群桩下面水位随开采距离的增加而减小;当抽水井至桩基之间的开采距离大于 147 m 时, 桩基下部水位基本不受扰动。图 4 不同开采距离布井抽水土中浸润曲线 下载原图3.2.2 群桩沉降特点图 5 给出不同开采距离布井抽水时桩顶沉降曲线。由图 5 可知, 桩基顶部的沉降量随开采距离的增大而减小;开采处距桩基的距离为 147 m 时, 桩基的沉降量为4.1 mm, 该值远小于标准值 80 mm。因此, 为保障营子沟大桥的安全运输, 应严禁在桥梁两侧 147 m 范围内开采地下卤水。图 5 不同开采距离布井抽水桩顶沉降曲线 下载原图3.3 开采
13、距离对桩基轴力的影响根据模拟结果将采取不同卤水开采距离抽水, 将井内水位降至40.2 m 时桩基各单桩在不同位置的轴力绘制成图 6 所示的不同开采距离不同位置桩基轴力变化曲线。由图 6 可知, 各单桩在同一位置处的轴力随着卤水开采距离的增加而减小;当抽水距离增加至 147 m 时, 各单桩的轴力与未进行抽水时的轴力基本一致, 可以得出当卤水开采距离大于 147 m 时, 抽水不会影响桩基轴力。图 6 不同开采距离不同位置桩基轴力变化曲线 下载原图(a) 脚桩; (b) 侧桩; (c) 近井中桩; (d) 中心桩3.4 开采距离对桩基摩阻力的影响根据模拟结果将采取不同卤水开采距离抽水, 将井内水
14、位降至40.2 m 时桩基各单桩在不同位置的摩阻力绘制成图 7 所示的不同开采距离不同位置桩基摩阻力变化曲线。由图 7 可知, 各单桩在同一位置处的摩阻力随着卤水开采距离的增加而减小;当抽水距离增加至 147 m 时, 各单桩的摩阻力与未进行抽水时的摩阻力基本一致, 可得出当卤水开采距离大于 147 m 时, 抽水不会影响桩基摩阻力。图 7 不同开采距离不同位置桩基摩阻力变化曲线 下载原图(a) 脚桩; (b) 侧桩; (c) 近井中桩; (d) 中心桩综上可知, 当抽水距离增加至 147 m 时, 各单桩的轴力和摩阻力与未进行抽水时的摩阻力基本一致, 可得出当卤水开采距离大于 147 m 时
15、, 抽水不会影响桩基轴力和摩阻力。4 结论在现场监测数据的基础上, 采用数值模拟的方法, 分析了不同的卤水井开采距离对铁路桥梁桩基的影响, 所得结论如下。(1) 根据模拟预测结果, 营子沟大桥 2 号桥墩下桩基沉降将于 2016 年 9 月趋于稳定, 在此期间由抽水造成的桩基累计沉降量为71.9 mm, 十分接近规范规定沉降值不大于 80 mm 的标准。(2) 桩基顶部的沉降量随开采距离的增大而减小;当卤水井开采距离为 147 m 时, 桩基的沉降量为4.1 mm。(3) 桩基中各单桩在同一位置处的轴力和摩阻力随着卤水井开采距离的增加而减小;当抽水距离增加至 147 m 时, 各单桩的轴力和摩
16、阻力与未进行抽水时基本一致。(4) 为保障铁路桥梁运输安全, 卤水井距铁路桥梁桩基的开采距离应大于 147 m。参考文献1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. 2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. 3SHI X Q, XUE Y Q, YE S J, et al.Characterization of land subsidence induced by groundwater withdrawals in SuXiChang area, ChinaJ.Engineering Geology, 2007, 52 (1) :2740. 4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 (Z1) :3135 3140.
