高速铁路采空桥基变形数据仿真分析

第1章绪论

  1.1论文研究意义

  我国矿产资源丰富,分布广泛,由于历史原因,矿产开采后很多并没有进行有效的治理,采空区因而形成并长期处于废弃状态。大面积的地面沉陷和裂隙是采空区发展阶段容易出现的情况,虽然有些还没有发生明显的变化,但它仍然对工程建设和人民的生命财产安全有着很严重的威胁,它是人类活动产生的潜在地质灾害之一。采空区的勘察和稳定性评价的研究还处于发展阶段,其勘察和稳定性分析方法尚未系统化,是非常值得探索研究的重要课题。目前国内高速铁路设计对于大型采空区都进行了绕避,针对无法绕避的小采空区和采空巷道都釆取了相应的工程措施,高速铁路采空区桥梁桩台基础的应用在国内研究的还比较少,以合福铁路上饶采空区为依托,开展高速铁路采空区桥基变形的研究有着很重要的意义。近年来,随着铁路工程建设的快速发展,铁路线路遍布大江南北,由于煤矿的大量开采而形了很多采空区,现在有些铁路项目不得不绕道避开采空区或者直接穿过釆空区,因此采空区对铁路建设的影响将会愈大。尤其是高速铁路的建设要求极为严格,对于不可避免地宴经过煤炭采空区的高速铁路,若采空区产生沉降和不均勻变形,则会对高铁桥梁工程造成巨大影响和破坏。对于高速铁路,桥基的不均勾沉降量对线路的平顺性有着很大的影响,一旦沉降量过大,就会因为平顺性变差而引起列车振动、列车运行时就会因为轮轨的原因而产生很大的冲击力;列车在高速运行中,其平稳舒适以及安全性指标将会受到较大影响,情况严重时可能导致列车出轨。因此,对于高速铁路采空区上方桥基变形进行研究显得格外重要,意义重大。通过研究高速铁路采空区桥梁基础变形机理,将数值模拟和理论分析联系在一起,并通过模型试验和现场监测的对比,研究其桥基荷载传递规律、地基沉降和不均匀沉降的规律,用以指导实践,为采空区的处理提供了有效的可靠的方法,因此具有重要的理论与实际意义。

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  1.2国内外研究现状

  高速铁路采空区上方桥基变形及其稳定性评价在国内外都发展较慢,理论和实践还处于起步的阶段,很多新兴的课题正在开展中。国内外对于采空区的研究分布很广,在煤炭、冶金、军事和交通等部门都有其开展研究的项目。开釆沉陷及“三下”采煤技术也是国内外研究的重点,矿山开釆沉陷学等学科就是在这样的循循渐进中建立的。在国外上世纪70年代,JoneS等人[1]研究分析了釆矿造成的塌落对公路的影响;上世纪80年代,Jones、sergeant[3]、M.c.wang[4]等人分别对采矿及其因开采而形成的釆空空洞进行了研究,并分析了其对上部建筑物的地基的印象和可能造成的危害。这些研究都只是处于理论阶段,并结合了当时少量的经验和调查,因此并没有发现比较系统的规律。1838年,比利时工程师哥诺特调查了列日城下因开采而发生沉陷的具体情况,提出了“垂线理论”,这是关于开采沉陷的首个理论。随后Gonot通过研究实测的资料,提出用相应的层面法线来确定采空区边界的影响范围,这就是“法线理论”。1885年,法国人裴约尔提出了“拱形理论”。之后,史米茨,凯因霍尔斯特、巴尔斯等人的研究对影响函数法的发展起到了很重要的推动作用,他们分析了开采影响范围内的区域及其分布情况,提出连续影响分布函数。1947年,前苏联的阿维尔申结合经验方法与理论分析对开采沉陷进行了非常详细研究,建立了地表下沉盆地剖面方程,通过该指数函数形式的方程得出水平移动与地面倾斜成正比。1954年,波兰的李特维尼申[5]认为岩层移动过程是随机的,并用柯尔莫哥罗夫方程证明其下沉过程,这就是开采沉陷的随机介质理论,由此幵采沉陷研究进入到更高的一个阶段。

 

第2章研究区的工程地质概况

  2.1自然地理概况

  2.1.1地形地貌

  南陵工山采空区主要为铜矿、铁矿、煤矿釆空区;安徽省旌德县附近采空区主要以萤石矿为主,一般规模不大;德兴市、上饶县大茅山区以董石矿为主,开采规模不大;上饶段采空区主要以煤矿采空区为主。合肥至福州段自安徽省合肥起,巢湖市、南陵县、经县、旌德、黄山市与休宁县进入江西省,经婺源、德兴、玉山、上饶后越过武夷山山脉进入福建省,经武夷山、建阳、建瓶、南平、宁德、闽清,止于福州。铜陵至上饶段主要为低山丘陵区,山势延绵,起伏较大,植被发育,相对高差15-300m。局部地段为河流一级阶地,多呈狭长条带状,地势平缓,起伏不大,其中径县为青戈江一级阶地,地面标高35-42m,歙县、屯溪市为新安江及其支流一级阶地,地面标高130~142m,上饶市局部为信江及其支流一级阶地,地面标高70~85m。上饶至福州段以低山丘陵为主,部分为中山区,地形起伏较大,植被发育,相对高差20(K500m。局部地段为河流一级阶地,多呈狭长条带状,地势平缓,起伏不大。上饶段处于北武夷山脉,地势总体表现为南高北低的特点,南部海拔标高500-l000tn,属中低山一中山区;北部属丘陵低山区,海拔标高在100~700in;工作区大多属丘陵一中低山区。地形睦峭,植被发育,自然地理条件较差。

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  2.2呆空区分布

  上饶段釆空区主要为分布于二叠系地层中的煤矿采空区和少量的铜矿釆空区,主要有广丰县洋口镇和上饶县上庐一四十八都一花厅两个煤矿带,受华夏系和新华夏系构造运动的影响,该地区断层及褶皱都极为发育。根据现场调查,上饶调查区内共有各种矿产资源普查区10个,各种釆矿区39个,各种矿井97个。上饶县上炉一四十八都一花厅煤矿带主要由上饶大桥群发煤矿、上饶黄沙六个煤矿群、上饶应家第二煤矿、上饶四十八波阳村煤矿、上饶四十八煤矿、上饶应家郑玛煤矿、上饶田場外樟树湾煤矿、上饶田墩松树底煤矿、上饶田壤儒玛煤矿、上饶田墩黄金玛煤矿、上饶田壞镇田墩村煤矿、上饶花厅永安煤矿、上饶花厅象鼻山煤矿等40多个煤矿和废弃的桐子湾煤矿、四十八镇煤矿、洋塘利玛煤矿、胜利煤矿及数量众多的废弃矿井组成。从上庐至四十八都鸡坪和四十八都上顶畈至花厅之间,煤矿分布较为密集,采深一般在200?400m。以上煤矿基本为私人幵釆,煤矿管理水平参差不齐,废弃矿井较多,资料不全,调查较为困难,且尾矿处理不规范,随意堆放,越界开采、随意开釆时有发生。

 第3章基于FLAC3D的数值模型建立...........17

  3.1FLAC3D程序介绍..........17

  3.2数值分析模型的建立..........17

  3.3模型参数..........24

  3.4监测点的设置..........26

  3.5数值模拟计算流程..........29

  3.6本章小结..........29

  第4章采空区桥基变形研究..........30

  4.1沉降变形研究分析..........30

  4.1.1地层沉降..........30

  4.1.2桩间土与桩顶沉降研究..........33

  4.1.3采空巷道顶板沉降..........37

  4.1.4承台顶底板沉降..........39

  4.2荷载传递机理研究分析..........40

  4.2.1桩身轴力..........41

  4.2.2桩侧摩阻力..........46

  4.2.3桩间土及桩顶受力分析..........52

  4.2.4桩荷载分担比..........55

  4.3本章小结..........56

  第4章采空区桥基变形研究

  4.1沉降变形研究分析

  本章沉降变形主要从以下几方面进行论述:地层沉降变形、承台顶底板的沉降变形、桩及桩间土的沉降变形、釆空巷道顶板的沉降变形。从图4-1可以看出各深度地层在每一级荷载下的沉降在不断增加,但沉降增加速率基本相同,这通过曲线在该段斜率大致相同可以得出。不同深度地层沉降在每次加载后期出现不同程度的减小反弹现象,以深度为2.5m的监测点为例,在第一次加载后期,7600步时,沉降量为0.5575mm,而在8000步和8400步时,沉降量逐渐减小到.0.5226mm和0.4868mm,在其他四次加载的最后阶段都会出现这样的情况;然后在短时间内受到较大荷载,沉降又出现突增现象,在8800步和9200步时,沉降量出现大幅度增加,这与地层本身的组成有关。不同深度地层的沉降量有所不同,地层的深度与沉降成反比,深度为2.5m时,其最终沉降量为6.695mm,10m处的沉降量为1.336mm,离地面越浅的地层,沉降越大,离地面越深的地层,沉降越小,即深地层的沉降量小于浅地层的沉降量,而且沉降量主要集中在浅土层。在地层相同竖向间距的情况下,深地层的沉降变化量要小于浅地层的沉降变化量,这也说明了地基附加应力随着深度越来越小。

结论

  本文以合福铁路官山底特大桥采空区桥基变形监测项目为依托,选取59号墩台(DK499+584.180)和62号墩台(DK499+682.28),应用有限元软件FLAC3D,对高速铁路采空区桥基变形进行数值模拟。通过数值模拟分析研究了两个墩台在实际工况下的地层沉降变形、桩间土桩顶沉降、采空巷道顶板沉降、承台顶底面沉降桩与桩身轴力、桩侧摩阻力、桩间土桩顶应力、桩土应力比以及桩荷载分担比等。通过上述研究得出以下主要结论:

  (1)承台下方不同深度地层的沉降随着荷载的增大而增大,沉降主要集中在浅地层,深度越大,沉降量越小。在每次加载时,沉降曲线呈现明显的陡降,这表明地层沉降随加载的变化具有一定的间歇性。

  (2)桩间土桩顶沉降随着荷载的增大而增大,在每次加载时,沉降曲线呈现明显的陡降。由于桩与土之间参数不同,随着荷载的变化,桩间土桩顶的沉降快慢也不同,桩土相对位移增.加。不同位置的桩间土和桩顶沉降有差异,但数值上差别不大,可以忽略不计,这跟群桩的布置相关。