地下水位變化條件下高速鐵路路基變形機制分析

王凌霄，沈宇鵬，2，石天奇，3，魏向陽，蔡港鈺，寇大力

(1.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044; 2.北京交通大學軌道工程北京市重點實驗室,北京 100044;3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

由于城市經濟的高速發(fā)展,伴隨“八縱八橫”高速鐵路網的初步形成,地下水位變化誘發(fā)的地層局部不均勻變形已經導致高速鐵路子系統(tǒng)的一系列病害凸顯,比如基床表層和底座板底面脫空、無砟軌道結構應力集中開裂破壞等,特別是路基結構的工后沉降問題,將危及高速列車行車安全,嚴重影響高速鐵路路基結構的可持續(xù)健康發(fā)展。高速鐵路路基工程沿線附近地下水隨意開采的現(xiàn)象頻發(fā),而地下水位變化下地基-路基協(xié)同變形機制或量化研究較少[1],且高速鐵路無砟軌道以其良好的穩(wěn)定性和安全性得到了廣泛的應用,這些優(yōu)點是基于對鐵路路基結構變形的嚴格控制。因此,開展地下水位變化下高速鐵路路基結構變形機制分析對于解決其引發(fā)的路基不均勻變形問題是必要的。

過度抽取地下水誘發(fā)地層沉降的機制頗為復雜,影響因素亦很多,不僅會影響高鐵工程,同樣可能對所有工程造成影響,對于地下水位變化下的地基沉降變形問題已經引起國內外學者的高度關注。CHAI[2]基于一維固結理論針對不同地下水位下降工況分別計算了相應的地面沉降;MOMOYA[3]在1∶5的有砟軌道路基模型上進行了低速試驗,認為鐵路路基在移動荷載作用下的變形是至關重要的;DONG[4]通過建立地下水滲流運動偏微分方程,引入隨機場研究了地下水位周期性變化特征;BIAN[5]發(fā)現(xiàn)波長較短的軌道不平順會引起軌道和地面的高振動;VARANDAS[6]通過三維模擬分析了過渡段道砟層和路堤沉降增加的原因;SATTARI[7]對伊朗西北部的Ardebil平原地下水位研究中發(fā)現(xiàn),過度開采地下水灌溉農田是導致地下水位下降的主要原因;王建秀[8]對傳統(tǒng)的分層總和法進行了修正,進一步精確了分層沉降計算值;郭帥杰[9]研究了地下水位降低對樁網、樁板及樁筏復合地基結構變形規(guī)律和樁側摩阻力分布的影響;鄧洋洋[10]系統(tǒng)研究了開采地下鐵礦資源對相應區(qū)域地下水位埋深的影響機理和地面變形塌陷的驅動因素;張治國[11]利用兩種復變勢函數(shù)模擬二維土體顆粒應力狀態(tài),提出了地下水位變化條件下盾構隧道結構及周圍地層變形受力計算方法,并通過數(shù)值仿真驗證了方法的正確性;朱邦彥[12]利用永久散射體雷達干涉技術獲取的InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)地層形變數(shù)據與同期水準數(shù)據,結合地下水位變化規(guī)律以及分層形變數(shù)據,分析了南京市河西地區(qū)的地層局部不均勻變形成因;趙玉峰[13]選取多種數(shù)據源通過相關性分析和主成分分析的方法,識別出研究區(qū)域單元影響地下水位升降的主要因素是社會經濟發(fā)展;劉祥勇[14]在富水深厚砂性土層中開展抽灌水試驗,得到了地下水位升降條件下地層沉降和回彈變化機理;譚淋耘[15]分析了速率參數(shù)和降雨量參數(shù)變化條件下巖質滑坡的誘發(fā)成因。目前,大多數(shù)研究主要集中于地下水位變化條件下地層沉降規(guī)律,涉及高速鐵路路基結構變形機制的成果較少,路基結構變形特征尚不清楚,缺乏現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據驗證。

以京雄城際鐵路霸州北站路基結構為依托,基于飽和土體的滲流理論和固結理論,建立一種地下水位變化條件下的路基變形計算方法;并開展霸州北站路基變形現(xiàn)場監(jiān)測試驗,進一步探究研究區(qū)域路基結構的變形機制,研究成果可為類似鐵路路基工程提供理論基礎和科學參考。

1 工程地質條件和監(jiān)測數(shù)據源

1.1 工程地質概況

霸州北站場區(qū)位于華北平原北緣,車站中心里程為DIIK82+520,路基結構分布區(qū)間在DIIK82+120～DIIK82+760,為高速鐵路無砟軌道標準雙線路基。線路覆蓋區(qū)域自晚第三系以來持續(xù)下沉,上部沉積巨厚層的第三、第四紀松散沉積物,斷裂屬隱伏斷裂。根據霸州北站工程地質斷面圖,勘探深度范圍內地層為第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4)、上更新統(tǒng)沖積層(Q3)、沖洪積地層和下伏上第三系上新統(tǒng)(N2)。

地下水受大氣降水及地下水側向徑流補給,以地下水側向徑流、大氣蒸發(fā)和人工開采為排泄條件,埋深18.80～20.50 m。淺層地下水位呈周期性變化,每年年初至3月中旬為相對穩(wěn)定期;3月中旬至6月中旬為春采水位下降期,農業(yè)灌溉集中開采,下降幅度因開采強度不同而異,5月中旬至6月中旬出現(xiàn)年最低水位;6月中旬以后,由于降水量增加,開采量銳減,地下水水位回升,到8月上旬至9月中旬達到年最高水位;進入秋冬開采期,農業(yè)開采量相對較小,地下水位緩慢下降,11月底秋冬采停止,地下水位回升進入相對穩(wěn)定期。

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測布置方案

監(jiān)測范圍為DIIK81+580～DIIK83+227,共47個監(jiān)測斷面。觀測基準點分別為QJ01、ZB02-1、ZB02-2、ZB04、ZB05、ZB08、JM17、CPI2011、CPII2035,路基沉降監(jiān)測范圍內劃分成10條觀測線路,詳細的監(jiān)測點位布置方案及觀測線路的走向見圖1。霸州北站路基沉降監(jiān)測范圍DIIK81+580～DIIK83+227內共選取2種監(jiān)測斷面類型,具體布置方案示意見圖2,沉降觀測板和沉降觀測樁布置在同一監(jiān)測斷面上。

圖1 霸州北站路基沉降觀測線路平面

圖2 不同監(jiān)測斷面沉降觀測元件布置方式

2 理論推導

根據有效應力原理,孔隙水壓力的變化量等于有效應力的變化量,土體抽水后會發(fā)生孔隙水的“開挖效應”,即土中的孔隙水被排走。在地層沉降曲線下取一微小土體單元,在z軸方向上所受的應力為Δσz,與地下水位整體下降土體所受應力對稱不同的是,隨距離抽水中心遠近的不同呈現(xiàn)不均勻分布的趨勢,分析引起沉降變形的成因比較困難。但可以將抽水中心至影響半徑范圍內的有效應力變化量劃分為兩部分,第Ⅰ部分是有效應力變化不同引起的差異沉降,有效應力變化量為Δσ1;第Ⅱ部分是有效應力變化相等引起的均勻沉降,有效應力變化量為Δσ2,如圖3所示。從土體所受應力角度分析不同原因產生的兩部分地基沉降,對第Ⅰ部分土體取微小單元進行受力分析,垂直方向上受到的剪應力τxz比水平方向上的剪應力τzx大,以此來平衡垂直方向上的有效應力,同時垂直方向較水平方向大的剪應力部分τxz-τzx還會產生剪切力矩,這表明,當抽取地下水時,土體不僅會發(fā)生豎直方向上的固結變形,還會發(fā)生剪切變形和旋轉變形,剪切變形和旋轉變形均可以使土體顆粒發(fā)生隨抽水中心距離不同的差異性沉降。

圖3 土體微分單元受力分析示意

抽取地下水導致孔隙水壓力減小,有效應力增加的部分應將導致垂直方向不均勻變形而增加的剪切應力扣除,因為在該方向上的剪切應力可以抵消一部分有效應力增加值,所以砂性土在不考慮側向變形條件下產生的沉降量可以用式(1)表示。

(1)

式中,Es為土體的壓縮模量,kPa;H為地層厚度,m;G為剪切模量,kPa。

若不計土體的徑向位移,根據土顆粒所受剪應力-應變幾何關系及柱坐標系轉換公式,可以化簡成關于地層沉降s的微分方程,見式(2)。

(2)

將垂直方向的地層劃分成n層,依次記為w1、w2…,對于每一層的土體沿水平徑向進行微分,其微分方程選取考慮剪切應力存在的地基沉降計算公式(2)。以任意一層土層wi為例,建立微分方程及邊界條件,見式(3)。

(3)

式中,si為第i層土體頂部沉降量,m。

對地基沉降的控制微分方程組由第1層至底部最后一層依次進行計算,第1層土體的微分方程是非齊次微分方程,對應的齊次微分方程為零階貝賽爾方程。

(4)

不計高階無窮小量,計算得到第1層土體的通解,見式(5)。

(5)

式中,J0(x)、Y0(x)分別為零階第一、二類貝賽爾函數(shù)。

將初始變量代入式(5),得到第1層土體因水位變化產生的地面變形方程的通解,見式(6)。

(6)

其余各層土體同理推導得到與第1層土體相似的通解,將各層土體計算的通解進行各項累加,得到整個抽水層地基沉降量s1,見式(7)。

s1=(s1-s2)+(s2-s3)+…+(sn-sn+1)=

(7)

經上述推導分析可知,水位呈漏斗狀下降時,導致的地面變形沉降曲線符合對數(shù)線性發(fā)展規(guī)律。

3 路基變形機制及驅動因素分析

3.1 路基結構變形機制分析

圖4為新建霸州北站DIIK81+580～DIIK83+227區(qū)間內選取的9個典型監(jiān)測斷面路基變形量隨時間的變化曲線,由于不同區(qū)段路基填筑和堆載預壓的起始時間不同,因此將9個典型監(jiān)測斷面劃分為2組。各個斷面的路基累計變形量在整體上均表現(xiàn)出隨時間增加而加大的趨勢,在堆載預壓完成之前,路基變形近似呈線性增加,路基變形發(fā)展較快,這是由于此過程路基的變形不僅包括外界環(huán)境條件變化誘發(fā)的變形,還包括因路基結構自身產生的變形。而在堆載預壓完成之后,堆載預壓等因素造成的路基結構自身變形的影響逐漸減弱,變形速率隨時間的增加逐漸降低,但是所有監(jiān)測點位的累積變形量仍有不斷發(fā)展的趨勢,變形沉降量最大的點位分別為DIIK82+260和DIIK82+680。

圖4 監(jiān)測點位路基累積變形趨勢

由圖4(a)進一步分析可知,全部點位路基累積變形量均在140 mm范圍內。DIIK81+580～DIIK82+120段落中變形最大的點位為DIIK81+680,累積變形量為20.02 mm,沉降速率最大達到0.28 mm/d,造成堆載預壓完成后該點位產生微小變形的原因是段落內現(xiàn)場路肩護坡施工、線間技術局部開挖等施工,引起小幅下沉,但總體上DIIK81+580～DIIK82+120段落路基沉降速率逐漸減小,路基變形基本趨于穩(wěn)定。DIIK82+120～DIIK82+400段落中平均沉降速率最大的點位為DIIK82+260,達到0.69 mm/d,累積變形量為135.6 mm。需要指出的是,DIIK82+400點位在堆載預壓完成后變形速率突然有較大幅度的增加,這是由于現(xiàn)場站臺墻施工過程中,運輸土方車輛行駛碾壓監(jiān)測點位,造成局部沉降增大,破壞沉降監(jiān)測點位所致。

由圖4(b)進一步分析可知,DIIK82+400～DIIK82+680 段落中路基累計變形量最大點位為DIIK82+680,為177.11 mm,DIIK82+400～DIIK82+680區(qū)段路基變形量較DIIK82+120～DIIK82+400區(qū)段大幅增加。其中,2020年3月26日沉降速率最大的點位是DIIK82+500,沉降速率為0.80 mm/d,沉降速率有加大趨勢。

DIIK81+580～DIIK82+680段落全部監(jiān)測點位中,在2019年11月19日之前完成堆載預壓施工工作,堆載預壓后段落內選取的9個監(jiān)測斷面測得的變形量仍有進一步增加的趨勢,因此,對9個監(jiān)測斷面監(jiān)測點附近的點位從2020年1月27日開始進行監(jiān)測點位加密觀測,觀測周期為7 d/次,至2020年3月23日,監(jiān)測數(shù)據見圖5。由圖5(a)分析,DIIK81+580～DIIK82+680段落沉降最大的點位為距離DIIK82+680點40 m處的DIIK82+640,最大累積變形量為18.2 mm,因此可以確定該點位局部沉降過大,且沉降還有進一步加大的趨勢。同時,由圖5(b)也可以看出,DIIK82+720、DIIK82+760兩處點位累積變形量分別達到22.4 mm和21.6 mm,其余點位均有較小程度的局部沉降。

圖5 加密觀測點位路基累積變形趨勢

3.2 路基變形驅動因素識別

(1)地質構造及構造運動

京雄城際鐵路穿越受區(qū)域構造運動影響的華北平原,華北平原具有第四紀地層沉積條件,厚度較大的第四紀地層是產生區(qū)域地面沉降的重要因素,因此第四紀沉積厚度的不同會影響地面沉降的發(fā)展。同時鐵路沿線斷裂發(fā)育,各主要斷裂第四紀以來均有不同程度的活動,少數(shù)斷裂(或斷裂段)在晚更新世或全新世仍有活動,結合華北平原區(qū)域地震活動與構造環(huán)境的關系,其地震構造環(huán)境具有以下基本特征。

近場區(qū)地處華北平原、太行山和燕山三大構造區(qū)的結合部,北東向和北西向兩組斷裂構造帶相互交匯,形成復雜的地質構造。北京坳陷及其內部次級凹陷和相關的北東向斷裂在古近紀和新近紀期間強烈活動。第四紀特別是晚期以來,構造活動發(fā)生變化,向北遷移至北西向張家口—蓬萊斷裂構造帶(區(qū)內為南口—孫河斷裂)及其控制或關聯(lián)的第四紀凹陷和北東向斷裂(段)。近場區(qū)斷裂和凹陷的活動第四紀以來總體呈減弱趨勢。早、中更新世活動較為普遍,晚更新世以來活動逐漸減弱,甚至停止活動,全新世僅部分段落仍有活動。近場區(qū)內歷史上發(fā)生過多次中強地震,是中強地震活動區(qū),現(xiàn)代小震活動與晚更新世以來斷裂活動關系密切,因此近場區(qū)內具備發(fā)生7級左右地震的構造條件。但與華北平原和山西斷陷帶內部斷裂相比,近場區(qū)斷裂無論規(guī)模和活動強度均不大,不構成特大地震孕育與發(fā)生的控制構造。

根據有關的地質、物探、鉆探等資料,工程場地及其5 km范圍內不存在晚更新世以來的活動斷裂,構造環(huán)境比較穩(wěn)定,與工程線路交叉的順義—良鄉(xiāng)斷裂(中段)、通縣—南苑斷裂(南西段)、夏墊—禮賢斷裂(南段)和牛駝鎮(zhèn)凸起東斷裂的最新活動主要發(fā)生在早、中更新世期間,晚更新世以來不活動,因此可忽略斷裂活動產生的地表破裂對線路工程的直接影響。

(2)氣候條件

沿線周邊主要存在大城縣降落漏斗、廊坊降落漏斗和滄州降落漏斗,與新建鐵路相對位置關系如圖6所示。

圖6 京雄城際鐵路沿線典型降落漏斗分布

依據當?shù)厮馁Y料,全線深層地下水埋深在37～50 m之間,賦存于第四系松散堆積層中,圖7表示3個主要的降落漏斗在1975—2015年的深層地下水位埋深變化規(guī)律和同期年標準化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index,SPI),其中SPI指數(shù)反映對應年份的干旱程度,指標值越接近1表示降水量充沛,氣候濕潤;指標值接近-1時則是代表對應年份干旱。由圖7可知,華北平原氣候干旱年份數(shù)量在1975—2015年中所占的比例較大,對應年份的SPI值會對地下水位產生影響,在較為干旱的年份深層地下水位埋深有略微下降的趨勢,影響程度較弱,但是典型水位降落漏斗所處地區(qū)深層地下水位埋深隨用水量的增加逐年下降,變化幅度顯著。

圖7 1975—2015年深層地下水位埋深變化和同期年標準化降水指數(shù)SPI[16]

因此,從自然因素影響的角度分析,地層巖性、地質構造及氣候條件對路基不均勻沉降產生的影響較小。同時,由于沿線建筑物稀少,建筑物產生的附加地面荷載也不是造成霸州北站路基不均勻沉降的重要因素。

(3)油氣和地熱資源開采

在不同類型地下資源的開采對地面沉降影響方面,京雄城際鐵路主要地下資源包括油氣和地熱田,沿線石油開采主要位于牛駝鎮(zhèn)凸起以東,隨著對地下油層的開采,局部油層上部含水層中地下水需要注入到油層中,以便開采石油,減小油層的壓縮量。但是開采石油引起含水層地下水位變化的影響區(qū)域只是在局部地點出現(xiàn),并沒有造成較大范圍的地面下沉。同時,沿線牛駝鎮(zhèn)地熱田位于華北平原中部,地熱田主要覆蓋雄縣、固安、永清及霸州4個行政區(qū)域,開采出的地熱資源主要用于居民供暖、養(yǎng)殖業(yè)和農業(yè)。牛駝鎮(zhèn)地熱資源從補給區(qū)到排泄區(qū)需要經過相當長時間的滲透過程,一般牛駝鎮(zhèn)地熱資源的補給區(qū)來自較遠山區(qū)。因此,開采油氣和地熱田地下資源不是影響新建鐵路路基不均勻沉降的主要因素。

(4)地下水資源開采

在地面沉降與地下水降落漏斗影響范圍的一致性方面,線路經過華北平原地面沉降區(qū)域,途徑禮賢榆垡、雄縣兩個區(qū)域地下水下降漏斗的影響范圍。這兩個地區(qū)地面沉降目前都處于快速發(fā)展時期,在未來一段時期內,沉降面積和沉降速率有進一步加大的趨勢,其中新機場至雄安段2014—2017年地面累計沉降量和沉降速率等值線見圖8。由圖8可知,在地面沉降嚴重的地區(qū)與圖6中大城縣降落漏斗和廊坊降落漏斗范圍高度重合,發(fā)現(xiàn)華北平原的地面沉降和地下水位變化有緊密的聯(lián)系。

圖8 新機場至雄安段2014—2017年地面累計沉降量和沉降速率等值線

在霸州北站沿線抽取地下水導致地面沉降現(xiàn)場實測值與理論計算差異方面,現(xiàn)場實測值與理論計算結果具有一致性,可以認為線路縱向DIIK82+120～DIIK82+870段落路基沉降與地下水位變化相關。s1和r/2呈對數(shù)線性發(fā)展規(guī)律,本節(jié)需要計算距離抽水中心一定位置時,沿線路縱向的路基變形沉降變化曲線,則應對式(7)換算,見式(8)。

(8)

圖9 地面沉降變化線性擬合值與實測值對比

綜上所述,從人為因素影響的角度分析,開采油氣和地熱資源對地面沉降的影響較小,不作為主要因素。但是,分別從地面沉降與地下水降落漏斗影響范圍的一致性以及霸州北站沿線抽取地下水導致地面沉降現(xiàn)場實測值與理論計算差異兩個方面分析,發(fā)現(xiàn)京雄城際鐵路典型地段路基不均勻沉降的主要驅動因素是沿線過度開采地下水。

4 結論

(1)根據對土顆粒微分單元的受力分析,將抽水中心至影響半徑范圍內的地基沉降劃分為兩部分,第Ⅰ部分地層變形的主要原因是土體顆粒受到的剪切應力以及剪切力矩,第Ⅱ部分地層變形則是普通的地基沉降變形。

(2)通過提出的地基沉降變形計算方法,發(fā)現(xiàn)當水位呈漏斗狀下降時,導致的地面變形沉降曲線符合對數(shù)線性發(fā)展規(guī)律,驗證了地下水位變化誘發(fā)的沉降計算方法的正確性,為后續(xù)進行的現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值仿真模擬提供理論支撐。

(3)根據地下水位變化時霸州北站路基9個典型監(jiān)測斷面結構變形監(jiān)測案例可知,在堆載預壓完成之前,路基變形近似呈線性增加;在堆載預壓完成之后,變形速率逐漸降低,但累積變形量仍有不斷發(fā)展的趨勢,其中DIIK82+720、DIIK82+760兩處點位累積變形量分別達到了22.4 mm和21.6 mm,其余點位也均有較小程度的局部沉降。

(4)從自然因素影響的角度分析,地層巖性、地質構造和氣候條件對路基不均勻沉降產生的影響較小,同時建筑物產生的附加地面荷載也不應該是造成霸州北站路基不均勻沉降的重要因素。

(5)從人為因素影響的角度分析,開采油氣和地熱資源對地面沉降的影響較小,可不作為主要因素;但發(fā)現(xiàn)了路基不均勻沉降的主要驅動因素是沿線過度開采地下水。