高速铁路采空区桥基变形物理模型试验研究
|
摘要
近年来,随着铁路的不断建设,很多铁路项目都穿越煤矿及其采空区。而高铁建设要求极为严格,对于不可避免要穿过小型采空区或采空巷道的高铁而言,它们的存在会导致桥基发生不均匀沉降,进而影响列车运营的安全性,严重时甚至会造成列车脱轨。因此,有必要对采空巷道上方的高铁桥基变形进行分析研究。
合福高铁官山底特大桥下方采空区主要是采空巷道,本文依托该项目,以模型试验为手段,研究高速铁路采空区上方桥基变形规律,具体研究内容和成果如下：
(1)桥梁桩基轴力由桩顶到桩底逐渐减小；在同一截面处桩身轴力随荷载的增加而增大；位于承台中心处的桩体,其桩顶轴力最大；穿过采空巷道的桩在巷道内的桩身轴力为一定值。
(2)桩的侧摩阻力沿桩长呈现先增大后减小的变化规律；在同一截面处桩的侧摩阻力随荷载的增加而增大；穿过采空巷道的桩在巷道内的桩身侧摩阻力为零。
(3)加载初期,桩间土应力与桩顶应力都存在一个迅速增大的过程,但当荷载增加至1850N时,桩间土应力增加幅度减小,桩顶应力增加幅度变大；桩土荷载分担比随荷载增加而增大,但其增加幅度逐渐减小。
(4)承台和桩间土沉降量都随荷载的增加而增大；两桩中心土体沉降量要稍大于四桩中心土体的沉降量；采空巷道顶板处沉降随着荷载的增加而增大；采空巷道上方土体沉降量大于非采空区处土体沉降量；位于采空巷道上方的承台部分沉降量大于其它部分沉降量。
In recent years, with the continuous construction of high-speed railway, many railway lines cross coalmines and the goaf. The presence of goaf roadway is bound to have a certain impact on the deformation of the bridge foundation of high-speed railway. Therefore, it is necessary to research the deformation of high-speed railway bridge foundation overlying the goaf roadway.
In this dissertation, based on the GuanShanDi bridge of Hefei-Fuzhou high-speed railway, the deformation regularity of the bridge foundation above the mined-out area of high-speed railway is studied by model test The specific contents and the achievements of the research are as follows:
(1) The pile's axial force of the bridge gradually decreases from the top of the pile to the bottom. At the same section of the piles, the axial force of the piles enlarges with the increment of load. The axial force on the top of the pile which is in the center of the cap is maximum; The axial force of the piles which go through the goaf roadway is a certain value in the roadway.
(2)The skin friction of piles is first increment and then turns to decrease. At the same section of the piles,it enlarges with the increment of load; the skin friction of piles which go through the goaf roadway is zero.
(3)At the beginning of loading, stresses of both soil among piles and pile top will increase rapidly for a while. But when the load increases to1850N, the increase of stress of soil among piles is reduced and the increase of stress of pile top is enlarged. The sharing ratio of the pile-soil load increases with the increment of load, but the extent of increasing gradually gets small.
(4) The settlement of the cap and the soil among piles increases with the increment of load. The central soil settlement of two piles is slightly larger than that of four piles. The settlement at the roof of the goaf roadway increases as the increment of load. The soil settlement above the goaf roadway is greater than that of other places. The settlement of parts of the cap located on the goaf roadway is greater than that of other parts of the cap.
合福高铁官山底特大桥下方采空区主要是采空巷道,本文依托该项目,以模型试验为手段,研究高速铁路采空区上方桥基变形规律,具体研究内容和成果如下：
(1)桥梁桩基轴力由桩顶到桩底逐渐减小；在同一截面处桩身轴力随荷载的增加而增大；位于承台中心处的桩体,其桩顶轴力最大；穿过采空巷道的桩在巷道内的桩身轴力为一定值。
(2)桩的侧摩阻力沿桩长呈现先增大后减小的变化规律；在同一截面处桩的侧摩阻力随荷载的增加而增大；穿过采空巷道的桩在巷道内的桩身侧摩阻力为零。
(3)加载初期,桩间土应力与桩顶应力都存在一个迅速增大的过程,但当荷载增加至1850N时,桩间土应力增加幅度减小,桩顶应力增加幅度变大；桩土荷载分担比随荷载增加而增大,但其增加幅度逐渐减小。
(4)承台和桩间土沉降量都随荷载的增加而增大；两桩中心土体沉降量要稍大于四桩中心土体的沉降量；采空巷道顶板处沉降随着荷载的增加而增大；采空巷道上方土体沉降量大于非采空区处土体沉降量；位于采空巷道上方的承台部分沉降量大于其它部分沉降量。
In recent years, with the continuous construction of high-speed railway, many railway lines cross coalmines and the goaf. The presence of goaf roadway is bound to have a certain impact on the deformation of the bridge foundation of high-speed railway. Therefore, it is necessary to research the deformation of high-speed railway bridge foundation overlying the goaf roadway.
In this dissertation, based on the GuanShanDi bridge of Hefei-Fuzhou high-speed railway, the deformation regularity of the bridge foundation above the mined-out area of high-speed railway is studied by model test The specific contents and the achievements of the research are as follows:
(1) The pile's axial force of the bridge gradually decreases from the top of the pile to the bottom. At the same section of the piles, the axial force of the piles enlarges with the increment of load. The axial force on the top of the pile which is in the center of the cap is maximum; The axial force of the piles which go through the goaf roadway is a certain value in the roadway.
(2)The skin friction of piles is first increment and then turns to decrease. At the same section of the piles,it enlarges with the increment of load; the skin friction of piles which go through the goaf roadway is zero.
(3)At the beginning of loading, stresses of both soil among piles and pile top will increase rapidly for a while. But when the load increases to1850N, the increase of stress of soil among piles is reduced and the increase of stress of pile top is enlarged. The sharing ratio of the pile-soil load increases with the increment of load, but the extent of increasing gradually gets small.
(4) The settlement of the cap and the soil among piles increases with the increment of load. The central soil settlement of two piles is slightly larger than that of four piles. The settlement at the roof of the goaf roadway increases as the increment of load. The soil settlement above the goaf roadway is greater than that of other places. The settlement of parts of the cap located on the goaf roadway is greater than that of other parts of the cap.
引文
[1]B. Shen, A.King, H. Guo. Displacement, stress and seismicity in roadway roofs during mining-induced failure. Int J of Rock Mech and Min Sci.45 (2008):672-688
[2]P. R. Sheorey, J. P. Loui, K. B. Singh, etc. Ground subsidence observations and a modified influence function method for complete subsidence prediction. Int J of Rock Mech and Min Sci.37 (2000):801-818
[3]C. J. F. P. Jones and W. J. Spencer. The Implication of Mining Subsidence for Modem Highway Structure, Large Greunel Movements and Structures Proceedings, University of Wales Cardiff,1977:515-526
[4]C. J. F. P. Jones and T. D. Rourke. Mining Subsidence Effects on Transportation Facilities, MIS,1988(7):107-126
[5]Eric. C. Drum. Mechanism of Subsidence Induced Damage and Technique for Analysis, MIS,1985(10):168-190
[6]M. C.Wang. Settlement Behavior of Footing Above a oid, PCGGE, NewOrleans,1982: 168-183
[7]陈龙.高速公路桥隧下伏采空区稳定性分析的相似模拟试验研究[D].太原：太原理工大学,2008
[8]王玉标.采空区高速公路路基路面变形破坏规律与演化分析[D].长沙：长沙理工大学,2007
[9]陈则连.煤矿采空区地基变形及对铁路工程影响评价研究[D].成都：西南交通大学,2005
[10]胡志广.时速350km客运专线桥梁工程沉降变形观测技术[J].铁道建设技术,2010
[11]姚连凯.客运专线桥梁基础沉降计算和分析[J].铁道建筑,2007,12
[12]陈涛.岩溶地区的桥梁基础稳定性评价及施工技术[J].华东公路,2010,12(6)
[13]刘秀英,张永波.采空区覆岩移动规律的相似模拟实验研究[J].太原理工大学学报,2004年第1期
[14]郭广礼,邓喀中,常江.采空区上方建大型建筑物的地基沉降研究[J].中国矿业大学学报,1996,6,第2期
[15]郭汉超,葛琳延.交通荷载下浅层采空区注浆充填路基变形模型试验[J].湖南交通科技,2008,3,34(1)
[16]陈陆望.物理模型试验技术研究及其在岩土工程中的应用[D].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所,2007
[17]方磊.长大公路隧道通风物理模型试验研究[D].西安：长安大学,2005
[18]赵家福,田钢等.采空区二维超声波物理模型实验研究[J].吉林大学学报(地球科学版),2005,7
[19]张改玲,蔡荣,董青红等.开采覆岩破坏工程地质力学模型实验研究[J].中国煤田地质,2003,10
[20]李俊平,周创兵,李向阳.下凹地形下采空区处理方案的相似模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2005,2
[21]张永波,张利民.多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙发育规律的实验研究[J].工程地质学报,2010
[22]黄乃斌,张向阳.近距离采空区下开采覆岩移动规律相似模拟研究[J].煤炭技术,2006,6
[23]赵金刚.太佳高速公路下伏采空区稳定性评价[D].西安：西北大学,2010
[24]刘涛.太佳高速公路下伏采空区注浆研究[D].西安：西北大学,2010
[25]余学义.高等级公路下伏采空区危害程度分析[J].西安公路交通大学报,2000,20(4)：43-45
[26]余学义.采动区地表剩余变形对高等级公路影响预计分析[J].西安公路交通大学学报,2001,21(4)：9-12
[27]童立元.高速公路与下伏采空区相互作用分析理论与处理技术研究[D].2003：1-15
[28]童立元,刘松玉,邱钰.采空区对高速公路危害性特征与评价方法研究[J].公路交通科技,2005,22(11)：1-5
[29]童立元,赖远明,刘松玉等.高速公路下伏多层倾斜采空区危害性评价数值模拟[J].工程地质学报,2007,15(1)：114-118
[30]王生俊,贾学民,韩文峰.高速公路下伏采空区剩余沉降量FLAC3D计算方法[J].岩石力学与工程学报,2005,24(19)：3545-3550
[31]张志沛,王芝银,刘旭.高速公路与下伏煤矿采空区的长期稳定性分析[J].西安科技大学学报,2005,25(4)：415-419
[32]Z. P. Zhang, Z. Y. Wang, X. Liu. Stability Assessement of the Freeway over the Gob of Coalmine. Journal of Coal Science and Engineering(China),2005, 11 (1):26-30
[33]刁心宏,刘峰,习小华.采空区对公路路基稳定性影响的离散元法分析[J].路基工程,2006,(6)：91-93
[34]张志沛.高速公路下伏采空塌陷区的治理方法[J].中国煤田地质,1997,9(4)：45-48
[35]赵永国.公路路基下伏人工洞穴的成因、危害与处治技术[J].公路,2002, (8)：59-62
[36]王兵,杨为民,王辉.路基下煤矿采空区地表塌陷特征及其形成机理[J].公路,2007,(10)：101-105
[37]林韵梅.实验岩石力学模拟研究.北京：煤炭工业出版社,1984
[38]徐挺.相似理论与模型试验[M].北京：中国农业机械出版社,1982
[39]吴钰应,王世元,关玉顺等.相似材料配比研究[J].辽宁工程技术大学学报,1981
[40]中华人民共和国建设部.混凝土结构设计规范(GB50010-2002)[S].北京：中国建筑工业出版社,2002
[41]中华人民共和国建设部.普通混凝土配合比设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2005
[42]张四平,邓安福,李世蓉.软质岩中嵌岩桩模型试验技术的研究[J].重庆建筑工程学院学报,1990,12(3)：68-75
[43]谢涛,李子沟.特大桥超大群桩基础试验研究[D].硕士学位论文,成都：西南交通大学,2002
[44]文华.湿馅性黄土地基中矩形闭合型地下连续墙桥梁基础负摩阻力作用机理研究[D].博士学位论文,成都：西南交通大学,2008
[45]谢涛,袁文忠,朱明.群桩基础竖向承载力群桩效应模型试验研究[J].铁道建筑技术,2002(4)
[46]康希并,张建义.相似材料模拟中的材料配比[J].淮南矿业学院学报,1988,第二期：50-64
[47]雷金山,阳军生,周灿郎,苏伟,杨秀竹.广州轨道交通岩溶地质模型相似材料试验研究[J].铁道科学与工程学报,2007,12(4)：73-77
[48]中华人民共和国行业标准.铁路桥涵设计基本规范(TB 10002.1-2005)[S].北京：中国铁道出版社,2005
[49]龙秀均.潮汕车站桩网复合地基承载性状物理模型试验研究[D].成都：西南交通大学硕士学位论文,2011
[50]韩煊,张乃瑞.北京地区群桩基础桩土荷载分担的现场实验研究[J].土木工程学报,2005,38(11)
[51]张超.桩承加筋土复合地基的模型试验研究[D].硕士学位论文,杭州：浙江大学,2007
[52]林德建.桩承加筋土复合地基的理论分析及模型试验研究[D].硕士学位论文,杭州,浙江大学,2010
[53]闫明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践(第二版)[M].北京：中国水利水电出版社,2006
[54]龚晓南.复合软土路基路堤设计与施工关键技术[M].北京：中国建筑工业出版社,2007
[55]卢世深,林亚超,王邦楣.桥梁地基基础试验[M].北京：中国铁道出版社,1984
[56]洪毓康,陈华强.钻孔灌注桩的荷载传递性能[J].岩土工程学报,1985,7(5)：22-35
[57]于进江,程谦恭,李成辉,文华.超大面积深厚软土桩-网复合地基现场试验研究[J].岩土力学,2012,10(33)：2881-2889
[58]铁道部.客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定[S].北京：中国铁道出版社,2006
[59]铁道部.高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社,2009
[2]P. R. Sheorey, J. P. Loui, K. B. Singh, etc. Ground subsidence observations and a modified influence function method for complete subsidence prediction. Int J of Rock Mech and Min Sci.37 (2000):801-818
[3]C. J. F. P. Jones and W. J. Spencer. The Implication of Mining Subsidence for Modem Highway Structure, Large Greunel Movements and Structures Proceedings, University of Wales Cardiff,1977:515-526
[4]C. J. F. P. Jones and T. D. Rourke. Mining Subsidence Effects on Transportation Facilities, MIS,1988(7):107-126
[5]Eric. C. Drum. Mechanism of Subsidence Induced Damage and Technique for Analysis, MIS,1985(10):168-190
[6]M. C.Wang. Settlement Behavior of Footing Above a oid, PCGGE, NewOrleans,1982: 168-183
[7]陈龙.高速公路桥隧下伏采空区稳定性分析的相似模拟试验研究[D].太原：太原理工大学,2008
[8]王玉标.采空区高速公路路基路面变形破坏规律与演化分析[D].长沙：长沙理工大学,2007
[9]陈则连.煤矿采空区地基变形及对铁路工程影响评价研究[D].成都：西南交通大学,2005
[10]胡志广.时速350km客运专线桥梁工程沉降变形观测技术[J].铁道建设技术,2010
[11]姚连凯.客运专线桥梁基础沉降计算和分析[J].铁道建筑,2007,12
[12]陈涛.岩溶地区的桥梁基础稳定性评价及施工技术[J].华东公路,2010,12(6)
[13]刘秀英,张永波.采空区覆岩移动规律的相似模拟实验研究[J].太原理工大学学报,2004年第1期
[14]郭广礼,邓喀中,常江.采空区上方建大型建筑物的地基沉降研究[J].中国矿业大学学报,1996,6,第2期
[15]郭汉超,葛琳延.交通荷载下浅层采空区注浆充填路基变形模型试验[J].湖南交通科技,2008,3,34(1)
[16]陈陆望.物理模型试验技术研究及其在岩土工程中的应用[D].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所,2007
[17]方磊.长大公路隧道通风物理模型试验研究[D].西安：长安大学,2005
[18]赵家福,田钢等.采空区二维超声波物理模型实验研究[J].吉林大学学报(地球科学版),2005,7
[19]张改玲,蔡荣,董青红等.开采覆岩破坏工程地质力学模型实验研究[J].中国煤田地质,2003,10
[20]李俊平,周创兵,李向阳.下凹地形下采空区处理方案的相似模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2005,2
[21]张永波,张利民.多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙发育规律的实验研究[J].工程地质学报,2010
[22]黄乃斌,张向阳.近距离采空区下开采覆岩移动规律相似模拟研究[J].煤炭技术,2006,6
[23]赵金刚.太佳高速公路下伏采空区稳定性评价[D].西安：西北大学,2010
[24]刘涛.太佳高速公路下伏采空区注浆研究[D].西安：西北大学,2010
[25]余学义.高等级公路下伏采空区危害程度分析[J].西安公路交通大学报,2000,20(4)：43-45
[26]余学义.采动区地表剩余变形对高等级公路影响预计分析[J].西安公路交通大学学报,2001,21(4)：9-12
[27]童立元.高速公路与下伏采空区相互作用分析理论与处理技术研究[D].2003：1-15
[28]童立元,刘松玉,邱钰.采空区对高速公路危害性特征与评价方法研究[J].公路交通科技,2005,22(11)：1-5
[29]童立元,赖远明,刘松玉等.高速公路下伏多层倾斜采空区危害性评价数值模拟[J].工程地质学报,2007,15(1)：114-118
[30]王生俊,贾学民,韩文峰.高速公路下伏采空区剩余沉降量FLAC3D计算方法[J].岩石力学与工程学报,2005,24(19)：3545-3550
[31]张志沛,王芝银,刘旭.高速公路与下伏煤矿采空区的长期稳定性分析[J].西安科技大学学报,2005,25(4)：415-419
[32]Z. P. Zhang, Z. Y. Wang, X. Liu. Stability Assessement of the Freeway over the Gob of Coalmine. Journal of Coal Science and Engineering(China),2005, 11 (1):26-30
[33]刁心宏,刘峰,习小华.采空区对公路路基稳定性影响的离散元法分析[J].路基工程,2006,(6)：91-93
[34]张志沛.高速公路下伏采空塌陷区的治理方法[J].中国煤田地质,1997,9(4)：45-48
[35]赵永国.公路路基下伏人工洞穴的成因、危害与处治技术[J].公路,2002, (8)：59-62
[36]王兵,杨为民,王辉.路基下煤矿采空区地表塌陷特征及其形成机理[J].公路,2007,(10)：101-105
[37]林韵梅.实验岩石力学模拟研究.北京：煤炭工业出版社,1984
[38]徐挺.相似理论与模型试验[M].北京：中国农业机械出版社,1982
[39]吴钰应,王世元,关玉顺等.相似材料配比研究[J].辽宁工程技术大学学报,1981
[40]中华人民共和国建设部.混凝土结构设计规范(GB50010-2002)[S].北京：中国建筑工业出版社,2002
[41]中华人民共和国建设部.普通混凝土配合比设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2005
[42]张四平,邓安福,李世蓉.软质岩中嵌岩桩模型试验技术的研究[J].重庆建筑工程学院学报,1990,12(3)：68-75
[43]谢涛,李子沟.特大桥超大群桩基础试验研究[D].硕士学位论文,成都：西南交通大学,2002
[44]文华.湿馅性黄土地基中矩形闭合型地下连续墙桥梁基础负摩阻力作用机理研究[D].博士学位论文,成都：西南交通大学,2008
[45]谢涛,袁文忠,朱明.群桩基础竖向承载力群桩效应模型试验研究[J].铁道建筑技术,2002(4)
[46]康希并,张建义.相似材料模拟中的材料配比[J].淮南矿业学院学报,1988,第二期：50-64
[47]雷金山,阳军生,周灿郎,苏伟,杨秀竹.广州轨道交通岩溶地质模型相似材料试验研究[J].铁道科学与工程学报,2007,12(4)：73-77
[48]中华人民共和国行业标准.铁路桥涵设计基本规范(TB 10002.1-2005)[S].北京：中国铁道出版社,2005
[49]龙秀均.潮汕车站桩网复合地基承载性状物理模型试验研究[D].成都：西南交通大学硕士学位论文,2011
[50]韩煊,张乃瑞.北京地区群桩基础桩土荷载分担的现场实验研究[J].土木工程学报,2005,38(11)
[51]张超.桩承加筋土复合地基的模型试验研究[D].硕士学位论文,杭州：浙江大学,2007
[52]林德建.桩承加筋土复合地基的理论分析及模型试验研究[D].硕士学位论文,杭州,浙江大学,2010
[53]闫明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践(第二版)[M].北京：中国水利水电出版社,2006
[54]龚晓南.复合软土路基路堤设计与施工关键技术[M].北京：中国建筑工业出版社,2007
[55]卢世深,林亚超,王邦楣.桥梁地基基础试验[M].北京：中国铁道出版社,1984
[56]洪毓康,陈华强.钻孔灌注桩的荷载传递性能[J].岩土工程学报,1985,7(5)：22-35
[57]于进江,程谦恭,李成辉,文华.超大面积深厚软土桩-网复合地基现场试验研究[J].岩土力学,2012,10(33)：2881-2889
[58]铁道部.客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定[S].北京：中国铁道出版社,2006
[59]铁道部.高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社,2009