[摘 要] 文章以合福高速鐵路采空巷道上方車站路基為研究對象，對采空巷道路基樁板結(jié)構基礎受力機理進行數(shù)值模擬，分析結(jié)構在不同工況下受力規(guī)律，為采空巷道上方樁板路基內(nèi)力分析提供依據(jù)。研究表明，該基礎能較好滿足采空區(qū)路基加固要求，完善高速鐵路采空區(qū)加固地基的理論，具有一定理論價值。

[關鍵詞] 高速鐵路；采空巷道；樁板基礎；受力機理

[作者簡介] 魯濤濤，中鐵十九局集團有限公司助理工程師，研究方向：鐵路施工技術，遼寧 大連，116100

[中圖分類號] TU41 [文獻標識碼] A [文章編號] 1007-7723（2013）05-0025-0005

目前采空區(qū)對鐵路項目建設影響越來越大，對采空區(qū)的研究成果也逐漸增多[1]。樁板結(jié)構已成功運用于京津[2]、京滬[3]高鐵軟土路基、鄭西[4]高鐵濕陷性黃土路基、遂渝[5]高鐵川東紅土路基等高速鐵路，但采用樁板結(jié)構對下伏采空區(qū)地基的處理尚屬于較新穎的研究課題，現(xiàn)有研究成果極少，如何對采空區(qū)進行處理及結(jié)構受力機理課題仍然需要做大量的研究。本文對合福高鐵上饒段五府山車站采空區(qū)上方樁板路基進行研究，分析其受力機理，為今后樁板結(jié)構處理下伏采空區(qū)路基提供理論依據(jù)。

一、工程概況

五府山車站（DK499+763.83～DK500+835.00）位于上饒縣城正南37km處四十八鎮(zhèn)，為無砟軌道設計，共有四股軌道。該車站位于北山村小學右側(cè)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(zhèn)1#大橋，為橋橋過渡段。路基采用C35混凝土灌注樁和C35鋼筋混凝土承載板加固，人工挖孔灌注樁直徑1.0m，樁間距5.0m，樁長12.0～25.0m。承載板結(jié)構采用C35鋼筋混凝土，厚1.2m。承載板以上路堤填土采用的是摻3%水泥的級配碎石。

五府山車站段采空區(qū)，為民國及20世紀80年代采煤形成，主要為采空巷道、風井。DK499+940斷面左側(cè)埋深10.5～12.5m，中部埋深19.8～22.6m為采空巷道，采空巷道的高度分別為2.0m、2.8m。地層從上至下主要有全風化砂巖、強風化砂巖、弱風化灰?guī)r三層，采空巷道位于弱風化灰?guī)r層。地層、采空區(qū)及灌注樁位置示意圖如圖1（a）所示，圖1（a）中灌注樁編號從左至右依此為1～7號，長度依次為12m、20m、25m、24m、25m、25m、25m，斷面路堤填高3.0m，路基頂面寬26m，路基底面寬35m，邊坡坡率1∶1.5。灌注樁平面布置示意圖如圖1（b）。

二、模型建立及計算

本文采用FLAC3D軟件數(shù)值模擬。模型邊界取線路橫截面方向?qū)?05m，承載板以下深度取60m，線路方向以DK499+940斷面為中心前后延伸12.5m（共25m）；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(cè)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。計算模型如圖2所示。承載板采用彈性本構模型，巖土體采用Mohr -Coulomb本構模型。根據(jù)五府山車站工程地質(zhì)勘察報告[6]和鐵路工程地質(zhì)手冊[7]得到數(shù)值計算所需的各層巖土體物理力學參數(shù)見表1。樁單元采用FLAC3D的Pile樁單元模型[8][9]。路基高度為3m，采用分層填筑施工，每層填筑高度為1m。按施工工況將荷載分為3級，板樁結(jié)構+第一層填土為第一級荷載，填土高度2m時為第二級荷載，3m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(shù)，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(tài)。然后按工況進行加載計算，共三次，每次計算均在前一級計算完成的基礎上進行。

三、樁體受力研究結(jié)果與分析

（一）樁身軸力

本文選取了監(jiān)測斷面的1號、4號和7號樁作為研究對象，監(jiān)測樁位置示意圖如圖3，其中1號和4號樁穿過采空巷道。

圖4為監(jiān)測斷面監(jiān)測樁樁身軸力沿深度變化曲線。

從圖中可以看出：

（1）在不同填筑荷載作用下，軸力沿樁身呈非線性分布，軸力總體趨勢呈上大下小，而且隨著荷載的增加軸力沿樁身整體增大。

（2）對于穿過采空巷道的樁身軸力的變化可以分為上、中、下三段。上段樁身軸力傳遞較快，主要是因為樁土相對位移較大，側(cè)摩阻力較高；中段位樁身軸力衰減較慢，表明樁側(cè)摩阻力在減小，原因是樁土相對位移減??；在采空巷道因為沒有樁側(cè)摩阻力，所以軸力保持不變；下段位于采空巷道底板以下范圍，該段軸力繼續(xù)減小，但減小幅度小于上、中段，說明該段側(cè)摩阻力要小于上、中段側(cè)摩阻力。

（3）對于未穿過采空巷道的樁身軸力的變化可以分為上、下兩段。7號樁上段軸力傳遞較快，這主要是由于樁土相對位移較大，側(cè)摩阻力較高，且隨深度增加而增加；下段軸力衰減相對較慢，樁側(cè)摩阻力的受力機理是上部側(cè)摩阻力先發(fā)揮，下部側(cè)摩阻力后發(fā)揮，隨著荷載的增大下部側(cè)摩阻力也在逐漸增大。

（4）由圖還可以看出樁頂荷載是逐漸從上向下傳遞的，上部軸力大、下部軸力小，減少的軸力為側(cè)摩阻力所分擔，而且隨著荷載的增大，樁端力也在逐漸增大。1號樁的受力特性為摩擦端承樁，以端承力為主；4號樁、7號樁為端承摩擦樁，以側(cè)摩阻力為主。樁端阻力占樁頂荷載的具體比例及樁的類型分別見表2。

（二）樁側(cè)摩阻力

各樁段側(cè)摩阻力可根據(jù)實測的軸力計算得到，圖5為在填筑荷載作用下樁側(cè)摩阻力沿深度變化曲線，由圖5可知：

（1）樁側(cè)摩阻力隨著荷載的增加而增大，而且增幅也隨荷載的增加而增大[10]。

（2）對于穿過采空巷道的樁身側(cè)摩阻力沿深度的變化可以分為上、中、下三段。上段為側(cè)摩阻力從小變大，中段為側(cè)摩阻力從最大值逐漸減小，到達采空巷道時突然變?yōu)榱恪?/p>

（3）對于沒有穿過采空巷道的樁，樁側(cè)摩阻力沿深度的變化可以分為上、下兩段。上段為樁身側(cè)摩阻力從小變大，下段為樁身側(cè)摩阻力從大變小。樁身上部的側(cè)摩阻力先發(fā)揮、下部的側(cè)摩阻力后發(fā)揮。

（三）樁間土應力

樁間土應力和樁頂應力監(jiān)測點布置如圖6所示，T1～T6為樁間土應力監(jiān)測點，Z1和Z2為樁頂應力監(jiān)測點； T1、T2和T6位于兩樁之間，T3、T4和T5位于四樁之間。

圖7為樁間土應力隨填土高度變化曲線，從圖中可以看出：

（1）與路堤填筑荷載相對應，樁間土應力曲線呈現(xiàn)出明顯的階梯狀變化，在填筑施工期，樁間土壓應力增長較快。

（2）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，表現(xiàn)在曲線上為四樁中心樁間土應力曲線與兩樁中心應力曲線基本重合。這與樁間土沉降的趨勢相對應，表明承載板作為一個剛度較大板，在荷載作用下承載板沉降較為均勻，同一橫剖面沉降量相同。

（3）距離路基中心近的監(jiān)測點樁間土應力大，距離路基中心遠的樁間土應力小。

（4）從圖中還可以看出，樁間土應力隨著填筑荷載的施加增加的幅度越來越小，從側(cè)面反映出樁承擔的荷載在增加而且幅度越來越大。

（四）樁頂應力

Z1和Z2為1號和4號樁樁頂應力監(jiān)測點（如圖6），圖7為樁頂應力隨填土高度變化曲線，從圖中可以看出：

（1）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，Z2監(jiān)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166kPa、491kPa、840 kPa，可以看出隨著荷載的增大樁頂應力也在增大。

（2）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。

（五）荷載分擔比

樁土荷載分擔比是樁土承擔的荷載與總荷載的比值。圖8為樁土荷載分擔比隨荷載增加的變化曲線。由圖8可以看出：

（1）隨著總荷載的增加，樁分擔的比例有所增加，樁間土分擔的比例有所減小。隨著荷載的增加樁分擔的比例從0增大47%。

（2）從曲線上可以看出，樁分擔比例的曲線為一上凸的曲線，而且隨著荷載的增大曲線接近為水平直線，說明樁分擔比例的增大幅度越來越小，直至達到一穩(wěn)定值。樁間土分擔比例的曲線為一下凹的曲線，隨著荷載的增大樁間土分擔的比例在減小，直至達到一穩(wěn)定值。最終二者分擔荷載的比例都趨于穩(wěn)定在50%。

四、結(jié) 論

通過對五府山車站板樁路基三維數(shù)值進行模擬，得出樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、樁間土應力、樁頂應力和荷載分擔比等規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1. 不同填筑荷載作用下，軸力沿樁身呈非線性分布，即軸力不是隨深度直線分布，而是有轉(zhuǎn)折點，軸力總體趨勢呈上大下小，在采空巷道范圍內(nèi)軸力保持不變。

2. 樁身側(cè)摩阻力沿樁身分布總體呈先增大后減小，有采空巷道處樁側(cè)摩阻力為零。

3. 在填筑荷載初期，樁頂和樁間土應力都增長得十分快，但樁頂應力增長的速率要大于樁間土應力增長的速率；樁頂和樁間土應力曲線在路基填筑荷載作用下同樣具有明顯的階梯狀。

4. 樁土應力比是由樁頂應力除以樁間土應力得出，樁土應力比隨著荷載的增加而增大但最終趨于一穩(wěn)定值；樁土荷載分擔比，隨著總荷載的增大，樁分擔的比例逐漸增大，土分擔的比例逐漸減小，最后樁土荷載分擔比例達到一定值。二者分擔荷載的比例都趨于穩(wěn)定在50%。

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