高速铁路岩溶路基段桩板结构沉降变形分析.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁二十四局集团有限公司科技研发项目(科研)作者简介:唐宏华()男江苏无锡人高级工程师主要从事高铁路基与线路技术研究与管理方面的工作:.引文格式:唐宏华.高速铁路岩溶路基段桩板结构沉降变形分析.铁道建筑技术():.高速铁路岩溶路基段桩板结构沉降变形分析唐宏华(中铁二十四局集团有限公司 上海)摘 要:以新建某高速铁路岩溶路基段为研究背景基于通用有限元分析软件将土体简化为 弹塑性模型建立岩溶地段桩板结构有限元模型 采用生死单元对桩土进行地应力平衡将集中荷载作用于模型上研究集中荷载和摩擦系数对桩板结构沉降影响规律 结果表明摩擦系数不变所施加集中荷载越大桩板结构沉降越大集中荷载不变改变桩土间摩擦系数随摩擦系数增大桩板结构沉降越来越小 数据显示集中荷载达到 时桩板结构沉降值趋于稳定(小于.)验证了桩板结构设计的合理性和有效性关键词:岩溶地段 桩板结构 地应力平衡 沉降 数值分析中图分类号:.文献标识码:./.():.(.).:引言近十多年来我国高速铁路迅速发展“四纵四横”已全线贯通“八纵八横”也逐渐成型由于我国幅员辽阔地质条件错综复杂岩溶地质在我国广泛分布且发育状况和复杂程度各不相同在建设过程中面临的问题多样复杂岩溶地段路基失稳已是高铁建设面临的严峻问题之一尤其是南方地区岩溶发育更为严重对高速铁路施工和运营产生重大影响岩溶地质一般采取“先探后灌探灌结合”的处理原则对于裸露型或覆盖土较薄的岩溶可采用揭盖回填的方法进行处理顶板大于 且无地下水的岩溶地质可采用钻孔灌注水泥浆的方式进行处理岩溶洼地地段可采用桩板或桥梁进行处理 同时岩溶地段桩基础施工也具有较大难度可能会出现坍孔、漏浆、卡钻、漏混凝土等问题 本文以新建某高铁南京至常州段位于句容市境内的岩溶地质条件为背景以施工设计图纸为依据采用通用有限元软件建立摩尔 库伦本构土体 桩板结构整体模型对荷载作用下的桩结构、板结构进行沉降分析以论证桩板结构的稳定性 背景概况某高铁南京南至常州段在地质补勘阶段发现岩溶铁道建筑技术 ()唐宏华:高速铁路岩溶路基段桩板结构沉降变形分析岩溶地段位于句容市境内路基里程 .小里程端接潘庄村特大桥大里程端接老虎洞大桥长.岩溶呈弱 中等发育 该地段地层从上而下分别为粉质黏土、黏土、粗砾岩地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水 路堑两侧有锚杆框架格梁防护基底采用钻孔桩 筏板加固形式 桩径.桩长.沿线路方向间距为.筏板宽.厚.纵向布置 块 有限元工程模型.岩土工程常用的土体本构模型有限元分析软件提供了丰富强大的材料本构模型在岩土工程领域最常用的有 模型、推广的 模型、修正的 模型等()模型 强度理论将土体破坏看作剪切破坏土体各点在荷载作用下产生剪应力当某一点的剪应力大于该点的抗剪强度剪切面两侧将产生剪切破坏出现相对位移 在 公式中土体抗剪强度:t ()式中:为土的黏聚力()为作用在剪切面上的法向应力()为土的内摩擦角()在 破坏模型中极限平衡状态下的法向应力、剪应力t和最大主应力、之间的关系用摩尔应力圆表示该模型的抗剪强度曲线和摩尔应力圆相切模型屈服面函数为:()式中:为极偏角定义为()(第三偏应力不变量)模型需要在材料属性截面定义土体的摩擦角、剪胀角、黏聚力和塑性应变()扩展的 模型在传统的 模型进行扩展屈服面在子午面上的形状可以通过线性函数、双曲线函数或指数函数模型模拟 线性 模型的屈服面函数为:()式中:为屈服面在 应力空间上的倾角与 有关 为三轴拉伸强度与三轴压缩强度之比.此时屈服面为凸面考虑土体性质、加载条件和研究内容选用 模型作为桩板结构沉降变形分析的土体本构模型不仅能较好地表达土体性质而且方便参数选取.模型建立地质勘测中发现 处有 深的溶洞线路方向为 宽度为 以 处桩板结构为研究对象混凝土板尺寸为 模型在长度和宽度方向均取混凝土板的 倍即 深度方向取接近桩长的 倍即 土体中溶图 土层中溶洞所在位置洞位置如图 所示 由于该路段为路堑地段开挖后地层从上而下分别为级黏土和级粗砾岩黏土厚度为 以下为粗砾岩 黏土和粗砾岩物理力学参数如表 所示表 地层物理力学参数地层质量级别厚度/重度/(/)内摩擦角/()黏聚力/变形模量/泊松比 级黏土.级粗砾岩.由于钻孔灌注桩嵌入桩板托帽.桩顶钢筋与桩板钢筋一同绑扎一次浇筑完成所以将桩板与桩设置为刚性连接桩板下表面与土体上表面设置为绑定接触桩体与土体之间设置为硬接触摩擦系数取 桩体和桩板物理力学参数如表 所示 设置模型边界条件时与 轴垂直的两个平面约束 方向位移与 轴垂直的两个平面约束 方向位移在土体底部约束、三个方向位移桩板结构上部为自由面上部荷载简化为集中力表 各结构物理力学参数结构物厚度/重度/(/)弹性模量/泊松比 钻孔灌注桩.桩板.图 桩体网格划分.网格划分网格的划分疏密对结果的准确性和可靠性影响较大在划分网格时将桩板结构及其前后左右区域进行加密划分网格后的铁道建筑技术 ()唐宏华:高速铁路岩溶路基段桩板结构沉降变形分析桩体如图 所示 数值分析.地应力平衡在进行桩板结构沉降分析之前首先应实现地应力平衡条件保证模型中模拟的土体和现实中的土体初始状态一致 采用生死单元方法平衡地应力建立两个地应力分析步首先对原土体进行地应力平衡之后再对桩打入后的桩土进行地应力平衡该方法平衡效果较好且容易收敛图 和图 分别为土体和桩体地应力平衡之后的云图 可以看出土体和桩体都有较好的地应力平衡效果溶洞所在位置的桩体变形稍大于其他位置的桩体但依旧保持在一个数量级且均不大于.图 土体地应力平衡图 群桩地应力平衡.模型验证该岩溶地段桩板结构施工完毕后进行了 个月的堆载预压堆载高度 预压土分层堆载、分层碾压现场每 布设 个观测断面每个观测断面设置 个观测点 铁路工程管理平台上查得岩溶地段堆载后的沉降变形为.模拟过程土的容重取 /地应力平衡后在筏板表面施加 的压强模拟得出筏板表面变形为.与现场实测数据对比误差在.验证了该模型的可靠性.荷载及桩土接触分析在进行荷载作用下的桩板结构沉降分析时采用集中荷载形式进行加载在板结构的正中心加载集中作用力 图 为加载集中力后的群桩沉降云图 可以看出在集中荷载作用下整个群桩结构的沉降规律相同且差别不大位于溶洞位置附近的桩体沉降稍大于其他位置的桩体但受溶洞的影响极小这也说明了板桩结构设计对于溶洞地区沉降控制的效果极为显著 图 为 集中荷载作用下桩板结构整体沉降云图 从桩结构和板结构的沉降对比可以看出桩体上部沉降与板结构的沉降差距不大板结构同样表现为位于溶洞位置附近的沉降略大于其他位置的沉降但并不显著图 荷载作用下桩体沉降图 荷载作用下桩板结构整体沉降进行荷载敏感性分析分别在板结构正中心加载、的集中力云图显示在不同荷载作用下群桩具有相同的沉降规律沉降变形最大位置为位于溶洞位置的桩板 不同荷载作用下桩板结构沉降如表 和图 所示表 不同荷载作用下桩板结构沉降值集中荷载/桩体最大沉降/板最大沉降/.铁道建筑技术 ()唐宏华:高速铁路岩溶路基段桩板结构沉降变形分析.图 不同荷载作用下桩板结构沉降规律由图 可以看出桩结构和板结构在荷载逐渐增大条件下具有相同的变化规律混凝土板与桩体上部沉降差距很小桩板结构沉降与荷载大小呈线形关系在之前的分析中桩体与土体之间的侧向摩阻系数取.为分析桩土之间摩阻力对桩板结构沉降变形的影响桩土之间的摩擦系数分别取.、.、.、.由于桩体上部与板结构沉降差距不大在研究摩擦系数对沉降的影响时以板结构沉降作为研究对象进行分析不同摩擦系数和荷载作用下混凝土板沉降如表 和图 所示 根据图表摩擦系数与桩板结构的沉降呈线性反比关系在相同集中荷载作用下摩擦系数越大桩板结构沉降越小而桩土之间的摩擦系数与土体和岩石的本身材料特性有关在岩土地质情况较差的岩溶地段可以通过适当增加桩径来减小荷载作用下的沉降表 不同摩擦系数下板结构沉降值摩擦系数集中荷载/.图 不同摩擦系数下板结构沉降规律 结束语结合新建某高铁工程实际地质条件及施工图设计文件采用有限元分析软件建立岩溶路基地段土体 群桩 筏板结构模型研究荷载及桩土摩擦对桩板结构沉降影响得出以下结论:()建立有限元模型采用两步平衡法对原土体进行地应力平衡之后激活桩板结构再次进行地应力平衡采用生死单元两步平衡法结果容易收敛且可有效保证地应力平衡效果()通过堆载预压期的实测变形数据与相同条件下模拟出的数据进行对比验证了模型的可靠性()保持桩土间摩擦系数不变改变集中荷载大小分析结果表明桩板结构沉降与集中荷载的大小为线性关系随集中荷载增大桩板沉降依旧保持在较小数值因此桩板结构设计能够有效保证岩溶地段路基的稳定性()保持集中荷载不变改变桩土之间的摩擦系数随摩擦系数增大桩板结构沉降越来越小而桩土之间摩擦力与土体地质条件相关桩径大小可以通过地质情况进行优化从而满足沉降及经济性要求参考文献 黄峻峰.高速铁路岩溶区路基地基处理研究.智能城市():.张常轩.岩溶发育区长大直径群桩综合施工技术研究.铁道建筑技术():.李庆丰.岩溶地区桩基施工综合防治与处理措施探讨.铁道建筑技术():.杨峰.岩溶地区路基病害勘察技术及处理方案研究.长沙:中南大学.张文学陈壮刘海陆.客运专线岩溶区地基注浆加固研究.铁道工程学报():.侯勇王蓉川.岩溶地区桩基础施工.铁道工程学报():.贺嘉陈国兴.基于 软件的大直径桩承载力 变形分析.地下空间与工程学报():.杨宜章.岩溶和空区上方地基承载特性的研究.长沙:中南大学.中华人民共和国水利部.工程岩体分级标准:/.北京:中国计划出版社.盛志强石玉成孙军杰等.基于 的竖向荷载下三维桩土沉降变形分析.岩土工程学报():.徐卓君.岩溶区嵌岩桩承载机理及计算方法研究.长沙:湖南大学.聂爽.基于 的群桩基础沉降分析.长春:吉林建筑大学.铁道建筑技术 ()