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高速铁路采空区桩板结构复合路基受力机理数值模拟

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第58卷第4期 铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN V01.58 No.4 April 2014 2014年4月 文章编号:1004—2954(2014)04—0001一O4 高速铁路采空区桩板结构复合路基受力机理数值模拟 梁 鑫 ,程谦恭 ,王长宝 ,李传宝 (】.西南交通大学,成都610031;2.广西科技大学,柳州545006: 3.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉430063) 摘要:桩板结构在国内多条高速铁路软土和黄土路基中已得到广泛应用,但该结构用于处理路基采空区的研究 成果不多。以合肥至福州高速铁路采空巷道上方车站桩板复合路基为研究对象,数值模拟分析路基的受力机理。 研究表明:桩身轴力呈上大下小变化趋势,所有桩均为端承摩擦桩,穿过采空巷道的桩在采空巷道范围内轴力保持 不变;所有桩桩侧摩阻力都呈现出先增大后减小的趋势,桩的侧摩阻力分布重心下移,穿过采空区的桩侧摩阻力分 布重心要比未穿越采空区的桩要深,桩身越长侧摩阻力所占承载力比例越大;采空区复合路基的桩土应力比要比 软土路基的小。 关键词:高速铁路;采空区;桩板结构;受力机理;数值模拟 中图分类号:U238;U213.1 4 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004—2954.2014.04.001 Numerical Simulation on Stress Mechanism of Sheet.Pile Composite Subgrade of High・speed Railway in Goaf Area LIANG Xin ’ ,CHENG Qian—gong ,WANG Chang—bao ,LI Chuan—bao (1.Southwest Jiaotong University,Cbengdu 610031,China;2.Faculty of Civil Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China;3.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China) Abstract:Sheet-pile structure had been widely used for treating the soft soil or loess soil subgrade of domestic high—speed railway,but for treating the goaf area,there was little research result.For this reason,in this study,the sheet—pile composite subgrade above a goaf roadway at a station of Hefei— Fuzhou high—speed railway was taken as research object,and the numerical simulation was conducted to analyze the stress mechanism of this subgrade.The research results show that:(a)The axial force along the pile shaft presents a change trend of large top and small bottom basically;all of the piles are end—bearing friction piles;the axial forces of pile shafts within the range of goaf roadway remain the same during passing through the goaf roadway.(b)All of the pile side frictions present a trend of increasing first and then decreasing;and the orthocenter of pile side friction distribution is downward,especially the orthoeenter of pile side friction distribution of the piles in the goaf area is much deeper than that of piles not in the goaf area;the longer the pile shaft is,the greater the propo ̄ion of side friction in bearing capacity becomes.(C)The pile-soil stress ratio of composite subgrade in goaf area is smaller than that of subgrade in soft soil. Key words:high—speed railway;goaf area;sheet-pile structure;stress mechanism;numerical simulation 高速铁路线路选线对大型采空区一般采取绕避措 施,但对于小型采空区若全部绕避,对于满足线路半径 收稿日期:2013—08—14;修回日期:2013—09—02 基金项目:铁四院科技研究开发计划课题(2010K31) 作者简介:梁鑫(1979一),男,讲师,博士研究生,E—mai:liangxin819@ 126.COB。 标准和控制工程造价来说都是不利的。桩板结构已成 功运用于京津…、京沪 和武广 高速铁路的软土路 基处理,郑西…高速铁路的湿陷性黄土路基处理,遂 渝高速铁路 的川东红土路基处理,高速铁路斜坡路 基处理 ,沪杭客运专线上跨浅埋地铁深厚软土路基 第4期 梁鑫,程谦恭,王长宝,等一高速铁路采空区桩板结构复合路基受力机理数值模拟 3 3计算结果及分析 减的速率越快,穿过采空巷道的桩在采空巷道范围内 轴力保持不变。荷载较小时,桩侧摩阻力承担了绝大 部分荷载,桩端阻力很小,随着荷载的增加,桩端阻力 逐渐加大。在填筑荷载作用下,桩端阻力占桩顶荷载 ;~9 2 3.1 桩身轴力 选取断面4根桩进行桩身内力研究(图3),其中 1号、2号和4号桩穿过采空巷道。监测桩穿过地层情 况如表2所示。 5 6 的具体比例及桩的类型见表3。从数据可以看出,上 述4根桩受力特性均为端承摩擦桩,以摩擦力为主。 在第三级荷载作用时,桩长仅为12 m的2号桩在侧摩 阻力占到70.6%,穿过采空区的3号桩桩长为17 m, 6 侧摩阻力占到68.5%。可见在采空区桩板结构设计 中不能简单地将桩底到达基岩的短桩归类为端承桩。 表2监测桩穿越地层情况 桩号桩长 穿越地层 ” 4 m 端承摩桩端持力层采空巷道深度 擦桩图3监测桩位置示意 图4为监测桩桩身轴力沿深度变化曲线。从图中 可以看出:在不同填筑荷载作用下,轴力沿桩身呈非线 性分布,轴力总体变化趋势呈上大下小,随着荷载的增 加轴力沿桩身整体增大,荷载越大桩身轴力沿桩长衰 轴力/kN 0 100 200 300 400 500 0 轴力/kN 100 200 300 4OO 500 600 0 轴力/kN 100 200 300 400 500 600 0 4 8 1 轴力/kN 100 200 300 400 500 6OO 囊 , L//Y {撼 4 8 12 l6 20 16 20 (a)l号桩 (b)2号桩 (c)3号桩 (d)4号桩 图4各桩轴力沿深度变化曲线 表3 桩端阻力占桩顶荷载比例及桩的类型 分布重心在桩顶以下9 m左右。对比可以发现,穿过 采空区的桩侧摩阻力分布重心要比未穿越采空区的桩 要深,原因在于1号、2号和4号桩采空巷道顶板在桩 侧摩阻力下拉作用和桩间土压力作用下变形比其他桩 土层更大,较大的沉降减小了桩土相对位移量,了 浅层土侧摩阻力的发挥,使更深土层侧摩阻力得到发 挥。通过对比1号桩和3号桩可以发现,1号桩的侧 3.2桩侧摩阻力 摩阻力所占桩顶荷载的比例要大于3号桩的侧摩阻力 所占桩顶荷载的比例,即1号桩的桩端力所占桩顶荷 载比例大于3号桩的桩端力所占桩顶荷载比例,表明 桩身越长侧摩阻力所占比例越大。 3.3桩间土应力 图5为桩侧摩阻力沿深度变化曲线。从图中可以 看出:在荷载作用下4根桩的桩侧摩阻力都呈现出先 增大后减小的趋势,在荷载作用下1~4号桩侧摩阻力 由大变小的转折点分别位于桩顶以下13、13、9 m和 15 m。本工程桩板结构承台为低承台,荷载作用下承 台下桩间土受力,较浅土层发生沉降,减小了该处地层 的桩土相对位移,桩上部侧摩阻力未得到很好发挥,整 个桩的侧摩阻力分布重心下移¨。-“ ,且在三级荷载作 用下,穿过采空区的桩侧摩阻力下移深度基本相同,分 布重心在桩顶以下10~13 m,未穿越采空区的3号桩 选取4个具有代表性的桩间土应力监测点,T1、 T4位于两桩中心,T2、T4位于四桩中心,Tl、T2靠近 路肩处,T3、T4靠近路基中心,z1一z4为桩顶应力监 测点。监测点平面布置如图6所示。 图7为桩间土应力随填土高度的变化曲线,从图 中可以看出:桩间土应力曲线随着路堤填土呈现出明 4 铁道标准设计 第58卷 — 第三级填筑 (a)1号桩 ㈣2号桩 c)3号桩 (d)4号桩 图5桩侧摩阻力沿深度分布曲线 线路中心线 0 + 0 ・桩顶应力监测点・桩间土应力监测点 图6监测点平面布置 显的阶梯状变化。在同一横剖面处,四桩中心桩间土 应力与两桩中心桩间土应力相差很小,四桩中心桩间 土应力略微小于两桩中心桩间土应力;距离路基中心 近的监测点桩间土应力略大,距离路基中心远的桩间 土应力略小,例如T1、T4第三级填筑荷载作用下,桩 间土的最大压应力分别为31.2、33.8 kPa。桩间土应 力随着填筑荷载施加增加的幅度越来越小,从侧面反 映出桩承担的荷载在增加而且幅度越来越大。例如 T4桩问土应力监测点,在第一级填筑荷载作用下桩间 土应力为18 kPa,在第二级填筑荷载作用下桩间土应 力为27 kPa,在第三级填筑荷载作用下桩间土应力为 32 kPa,可以很明显看出随着荷载的增加桩间土增大 的幅度在减小。 3 : 累计填土\ / 1 啭 重0 16 鎏2 4 40 ~ 图7桩间土应力随填土高度的变化曲线 3.4桩顶应力 图8为桩顶应力随填土高度的变化曲线,图中 z1为穿过采空巷道的1号桩桩顶监测点;Z3为没有 穿过采空巷道的3号桩桩顶监测点。从图中可以看 出:桩顶应力曲线随填土高度的变化趋势与桩间土应 力曲线随填土高度的变化趋势是相同的,同样是随着 填土高度的增加桩顶应力增大。随着填土高度的增 加,桩顶应力的增幅是不断增大的,这也说明了桩分担 总荷载的比重在增大。z3监测点在第一级、第二级、 第三级填筑荷载作用下桩顶应力分别为175 kPa、 450 kPa、780 kPa,可以看出随着填土高度的增加,桩顶 应力增大的幅度也在增大。 : m 幽嚣  。 。.鑫焉 0∞∞∞∞: ; : 口o*一 booOooo 桩顶应力随填土高度的变化曲线 3.5桩土应力比 为了得到桩土应力比,把4根桩桩顶应力平均值 作为断面的桩顶应力,把4个桩间土应力平均值作为 桩间土应力。图9为桩土应力比随填土高度的变化曲 线,从图中可以看出:桩土应力比随路堤填土高度增加 而增大,在每一级填筑期间应力比都增大较快。例如 当填土高度为2 m时,桩土应力比从第一级荷载的 12增大到l9,当填土高度为3 m时桩土应力比达到 18.9,一般情况下由于土体徐变会使桩间土应力减小, 最终的桩土应力比会比计算的结果略大,而京沪高速 铁路软土桩板结构路基中最终桩土应力比为31.1 E 2]。 : 累计填土\ / ,千 : 口 一 一一 桩土应力EE随填土高度的时程曲线 4 结论 通过对合福高速铁路上饶段五府山车站采空区桩 板结构复合路基的受力机理进行数值模拟研究,得出 以下结论。 第58卷第4期 铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN VO1.58 No.4 April 2014 2014年4月 文章编号:1004—2954(2014)04—0005—05 拉日铁路选线回顾 毛 雷 (中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710043) 摘 要:拉(萨)日(喀则)铁路位于自治区西南部,线路穿越近90 km的雅鲁藏布江峡谷区,沿线地势起伏多 变,地形、地质条件复杂。结合路网规划、线路功能定位、接轨方案和线路走向方案、沿线地质情况、环保要求、地方 经济发展规划等特点,提出复杂山区铁路选线的基本原则和研究思路,为同类山区铁路选线提供借鉴。 关键词:拉日铁路;铁路选线;设计 中图分类号:U212.32 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.002 Review on Route Selection for Lasa-Shigatse Railway MA0 Lei (China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi’an 710043,China) ;2 {3 Abstract:Located in the southwest of the Tibet autonomous region,the Lasa-Shigatse Railway passes through nearly 90 km of the Brahmaputra Canyon area,where the terrain is undulant and changeable and the geological condition is complicated.In this study,the relevant characteristics were analyzed, including the railway network planning,the line’S function orientation,the track junction scheme and the routing scheme,the geological condition along the line,the requirement of environment protection,the local economic development planning and SO on.Furthermore,the basic principle and research idea of 收稿日期:2013—06—27;修回日期:2013—08—12 作者简介:毛雷(1980一),男,工程师,2003年毕业于中南大学,工学 学士,E-mail:1136709944@qq.com。 (1)桩身轴力呈非线性分布,轴力总体变化趋势 呈上大下小,穿过采空巷道的桩在采空巷道范围内轴 力保持不变,穿过和未穿过采空区的桩均为端承摩 擦桩。 (2)荷载作用下4根桩的桩侧摩阻力都呈现出先 增大后减小的趋势,所有桩的侧摩阻力分布重心下移, 穿过采空区的桩侧摩阻力分布重心要比未穿越采空区 的桩要深,桩身越长侧摩阻力所占比例越大。 (3)离路基中心近的点桩间土应力略大,距离路 基中心远的桩间土应力略小,随着荷载的增加桩间土 特性[J].交通运输工程学报,2009,9(6):32—35. 张继文,曾俊铖,涂永明,等.京沪高速铁路CFG桩一筏复合地基 现场试验研究[J].铁道学报,2011,33(1):83—88. 詹永祥,蒋关鲁,牛国辉,等.武广线高边坡陡坡地段桩板结构路 基的设计理论探讨[J].铁道工程学报,2007(S):94—101. 苏谦,王武斌,白皓,等.非埋式桩板结构路基承载机制[J].交通 运输工程学报,2012,2(1):19—24. 詹永祥,蒋关鲁,牛国辉,等.桩板结构路基动力模型试验研究 [J].岩土力学,2008,29(8):2097—2010. 高霞,肖宏,王洪刚.高速铁路斜坡桩板结构路基稳定性影响因素 分析[J].铁道标准设计,2013(8):23—27. 刘家兵.深厚软土地基上跨浅埋地铁桩板结构施工技术研究[J]. 铁道标准设计,2013(7):16—19. 增大的幅度在减小,桩与其间的土体没有软土路基中 的土拱效应。 铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道 出版社,1999. (4)桩顶应力曲线随填土高度的变化趋势与桩间 土应力曲线随填土高度的变化趋势是相同的,采空区 复合路基的桩土应力比要比软土路基的小。 参考文献: 『1] 沈宇鹏。李小和,冯瑞玲,等.客运专线桩板结构复合地基的沉降 彭文斌.FLAC 3D实用教程[M].北京:机械工业出版社,2008. 刘金砺,袁振隆.粉土中钻孔群桩承台一桩一土的相互作用特性和 承载力计算[J].岩土工程学报,1987,9(6):1—15. 韩煊,张乃瑞.北京地区群桩基础荷载传递特性的现场测试研究 [J].岩土工程学报,2005,27(1):74—80. 

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