鹵水井開采對鐵路橋梁群樁的影響分析

王忠昶，李亞洲，白海峰

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連　116028)

鐵路沿線區(qū)域性地面沉降嚴重削弱了鐵路橋梁群樁基礎的穩(wěn)定性，使橋梁發(fā)生均勻或差異性沉降[1-3]，過量開采鹵水是造成德(德州)大(大家洼)鐵路沿線區(qū)域性地面沉降的主要原因[4-6]。隨著鹵水水位的下降，土體骨架發(fā)生壓縮變形并影響土體的滲透性能。目前，抽水對橋梁群樁沉降及內力影響的研究主要以室內試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試為主[7-9]。但大部分研究并不能反映實際的抽水工況，鹵水井抽水造成的群樁基礎沉降是一個復雜的應力—滲流耦合過程[10-12]。抽水導致樁周土與樁基發(fā)生相對位移，在樁身產生負摩阻力及水平推力。負摩阻力將增大樁身的軸力及樁端的壓力，造成樁身及樁端土的壓縮量增大，使樁基總沉降量增加[13-15]，水平推力引起群樁承臺發(fā)生不均勻沉降，對橋梁的穩(wěn)定性產生影響。本文以德大鐵路沿線的營子溝大橋為工程背景，在分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎上，采用FLAC3D軟件建立不同鹵水井開采條件下的帶承臺群樁—土流固耦合計算模型，分析不同鹵水水位降時的樁土沉降特性、不同位置處樁體的軸力與摩阻力變化規(guī)律，為今后類似工程的設計與施工提供參考。

1　工程概況及監(jiān)測分析

營子溝大橋長132.6 m，中心樁點里程位于德大鐵路DK249+724處，該橋上部結構為連續(xù)預應力混凝土T梁，下部結構橋臺采用肋板臺，橋墩采用柱式墩，墩臺采用群樁基礎，群樁基礎包含9根單樁，樁長45 m，直徑1 m，呈矩形分布，樁間距分別為3.4和4.1 m，樁中心至承臺邊緣距離為1.15 m，樁與承臺為剛性連接，群樁及承臺尺寸如圖1所示。

圖1　群樁及承臺尺寸(單位：cm)

德大鐵路工程于2010年11月開工建設，據(jù)2010—2013年的監(jiān)測資料，過量地抽取鹵水造成德大鐵路DK229+800—DK257+500標段發(fā)生嚴重的區(qū)域性沉降，圖2給出了2010—2013年德大鐵路DK229+800—DK257+500段地表沉降監(jiān)測結果。由圖2可見：該地段線路兩側地表表現(xiàn)出不均勻沉降現(xiàn)象。左側地表的沉降量為2～145 mm，右側地表的沉降量為4～159 mm，其中DK246—DK249段及DK252—DK257段沉降現(xiàn)象最為嚴重，營子溝大橋附近產生明顯的沉降。為保障沉降區(qū)域內鐵路橋梁的安全性，從2014年7月至2015年3月對營子溝大橋的沉降及地下水位進行了監(jiān)測，營子溝大橋2#橋墩各期沉降量及地下水位見表1。

圖2　2010—2013年德大鐵路DK229+800—DK257+500段地表沉降監(jiān)測結果

監(jiān)測日期地下水位/m沉降量/mm2013-04-25-2.52014-07-01-9.002014-09-02-26.723.52014-12-01-33.150.02015-03-01-36.756.52015-08-05-40.2

注：2014年7月1日布設橋梁監(jiān)測點，將沉降值設為0。以后各期的監(jiān)測值在此基礎上累加。

2　帶承臺群樁數(shù)值計算模型建立及鹵水井開采模擬

2.1　有限差分模型的建立

帶承臺群樁三維模型的長、寬和高分別為350，350和80 m，鹵水井為邊長2 m的正方形，井深80 m。采用群樁兩側同時布設8口井的方式進行抽水工況的模擬。井與井之間相距5 m，群井中心距離群樁中心46 m?；炷翗恫捎镁€彈性模型，混凝土的密度為2 500 kg·m-3，體積模量和剪切模量分別為15.6和11.7 GPa。土體采用彈塑性模型，符合摩爾—庫倫屈服準則，土體的物理力學參數(shù)見表2。樁土界面采用移來移去法建立接觸面，承臺以下的土體和井網格劃分密集，兩側的土體網格稀疏，樁采用漸變放射網格，帶承臺群樁的有限差分模型如圖3所示。模型底部邊界施加全約束，側面邊界施加橫向位移約束；模型的底部為不透水邊界，模型的四周及頂部為透水邊界，進行抽水模擬時，井內地下水位線以上的孔隙水壓力固定為0。

圖3　帶承臺群樁的有限差分模型

2.2　鹵水井開采模擬

對模型施加重力荷載獲得初始地應力，根據(jù)地下水水位，將孔隙水壓力施加到模型上，承臺頂部施加2 000 kN的均布荷載，模擬過程中將地下水位從-9 m下降到-40.2 m并保持穩(wěn)定。由于從營子溝大橋完工后到布設監(jiān)測點時樁基在載荷與降水的共同作用下已經產生沉降，模擬時將此沉降量初始化為0，通過調整土體參數(shù)、滲透系數(shù)、降水深度等對各期監(jiān)測到的橋梁樁基的累計沉降值進行擬合。在此基礎上，將2015年8月監(jiān)測到的地下水位作為最終水位，預測群樁基礎的最終沉降量，并分析不同地下水位降時的群樁沉降量及其內力變化規(guī)律。在用FLAC3D軟件進行流固耦合計算時，滲流的計算時間與監(jiān)測間隔時間保持一致。

表2　土體的物理力學參數(shù)

3　模擬結果分析

3.1　不同水位降對地面與群樁的沉降影響

圖4給出了不同地下水位時地面與群樁基礎的沉降等值線圖。由圖4可見：隨著地下水位的下降，地面的沉降范圍不斷擴大，同一位置處的地面與群樁的沉降量增大；當?shù)叵滤唤抵?40.2 m、且沉降穩(wěn)定后，群井中心地面的最大沉降量為1 030 mm，群樁基礎的承臺中央最大累計沉降量為715 mm。

圖4　不同地下水位時地面及群樁基礎的沉降等值線(單位：m)

圖5給出了不同地下水位時距群井中心不同距離的地面沉降曲線。由圖5可知：地面沉降呈漏斗狀分布，沉降漏斗的中心位于群井的中心，地面沉降主要位于距群井中心100 m范圍內，距群井中心100 m以外的地面沉降很小(<2 cm)，同一位置的地面沉降量隨地下水位的下降而增大。

圖6給出了不同時期群樁承臺頂部的沉降曲線。由圖6可見：群樁沉降主要發(fā)生在2014年7—12月，地下水水位從-9 m下降至-33.1 m，群樁累計沉降量為50 mm，此階段群樁沉降量占工后總沉量的64.7%；隨著地下水位的繼續(xù)下降，群樁的沉降趨緩，當?shù)叵滤幌陆抵?40.2 m并保持穩(wěn)定(2015年8月)時，群樁沉降并未停止，直到2016年4月群樁沉降才趨于穩(wěn)定，此時群樁的累計沉降量為71.5 mm，工后累計沉降量為77.3 mm。由于該值接近《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》規(guī)定的沉降限值80 mm，因此必須采取工程措施防止群樁繼續(xù)沉降。

圖5不同地下水位時距群井中心不同距離的地面沉降曲線

3.2　不同水位降對群樁軸力的影響

圖7給出了不同時期、不同位置的樁軸力變化曲線(壓力為負，拉力為正)。由圖7可見：隨著地下水位的下降，群樁中各截面的軸力不斷增大，當抽水結束并沉降達到穩(wěn)定時，樁身軸力達到最大值，隨著地下水位的下降，各樁的軸力沿樁身先增大后減小，軸力最大值所在截面不斷下移；相同的地下水位降時，各樁軸力的大小順序為角樁>側樁>近井中樁>中樁，抽水結束，沉降達到穩(wěn)定時水位穩(wěn)定后，角樁樁身軸力最大值為-5 418.75 kN；各樁軸力最大值所在截面距樁頂?shù)木嚯x為中樁>近井中樁>側樁>角樁，中樁最大軸力所在截面距樁頂?shù)木嚯x為35.2 m。

圖6　不同時期群樁承臺頂部的沉降曲線

圖7　不同時期不同位置的樁軸力變化曲線

3.3　不同水位降對群樁摩阻力的影響

圖8給出了不同時期不同位置的樁摩阻力變化曲線。由圖8可見：隨著地下水位的下降，各樁上部負摩阻力的作用區(qū)域逐漸增大，在負摩阻力作用區(qū)域內負摩阻力沿樁身先增大后減小，負摩阻力的最大值位于樁頂部以下10 m左右的樁周處，各樁負摩阻力的大小順序為角樁>側樁>近井中樁>中樁，角樁的最大負摩阻力為-36.5 kPa；隨著地下水位的下降，各樁的中性點逐漸下移，中性點以下，各樁受到正摩阻力的作用且沿樁身逐漸增大，在樁底部側面達到最大，各樁受到正摩阻力的大小順序為角樁>側樁>近井中樁>中樁。抽水結束，沉降達到穩(wěn)定時角樁受到的最大正摩阻力為75 kPa，群樁各單樁的中性點距樁頂距離依次為中樁>近井中樁>側樁>角樁，中樁的中性點距離樁頂35.2 m，各樁的中性點與樁軸力最大截面位置一致。

圖8　不同時期不同位置的樁摩阻力變化曲線

4　結　論

(1) 隨著地下水位的降低，地面沉降呈漏斗狀分布，沉降漏斗的中心位于群井的中心，地面沉降主要位于距群井中心100 m范圍內，距群井中心100 m以外的地面沉降很小(<2 cm)，地面沉降量隨水位的下降而增大。當?shù)叵滤唤抵?40.2 m時，待沉降穩(wěn)定后，群井中心地面的最大沉降量為1 030 mm，群樁基礎的承臺中央最大累計沉降量為715 mm。

(2) 2014年7—12月，地下水水位從-9 m下降至-33.1 m，群樁累計沉降量為50 mm，此階段群樁沉降量占工后總沉量的64.7%。隨著地下水位的繼續(xù)下降，群樁的沉降趨緩，當?shù)叵滤幌陆抵?40.2 m并保持穩(wěn)定時，群樁沉降并未停止，直到2016年4月沉降才趨于穩(wěn)定，群樁的累計沉降量為71.5 mm，工后累計沉降量為77.3 mm。此值已接近規(guī)范規(guī)定的沉降限值80 mm，必須采取相關工程措施避免群樁繼續(xù)沉降。

(3) 隨著地下水位的下降，群樁中各樁截面的軸力不斷增大，抽水結束且沉降達到穩(wěn)定時樁身軸力達到最大。隨著地下水位的下降，各樁的軸力沿樁身先增大后減小，最大軸力所在截面不斷下移。相同的地下水位降時，各樁軸力的大小順序為角樁>側樁>近井中樁>中樁。各樁最大軸力所在截面距樁頂距離的大小順序為中樁>近井中樁>側樁>角樁。

(4) 隨著地下水位的下降，各樁上部負摩阻力的作用區(qū)域逐漸增大，在負摩阻力作用區(qū)域內負摩阻力沿樁身先增大后減小，最大負摩阻力位于樁頂部以下10 m左右的樁周處，各樁負摩阻力的大小順序為角樁>側樁>近井中樁>中樁，角樁的最大負摩阻力為-36.5 kPa。隨著地下水位的下降，各樁的中性點逐漸下移，在中性點以下，各樁受到正摩阻力的作用且沿樁身逐漸增大，在樁底部側面達到最大，各樁受到的正摩阻力大小順序為角樁>側樁>近井中樁>中樁。抽水結束且沉降達到穩(wěn)定時角樁受到的最大正摩阻力為75 kPa，群樁中各單樁的中性點距樁頂距離的大小順序為中樁>近井中樁>側樁>角樁，中樁的中性點距離樁頂35.2 m，各樁的中性點與樁軸力最大截面位置一致。

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