关键词：高速铁路；地下水开采；桥梁结构沉降；PLAXIS 3D
1 引言
随着我国高速铁路技术的不断发展，在注重速度与效率的同时，高速铁路列车在行驶时的安全性也成为了一个不容忽视的问题。调查发现，在高速铁路沿线附近，分布着大量农用抽水井，其在用水期的集中抽水对周围场地的土体沉降影响巨大，容易形成沉降漏斗，从而危及桥上列车及乘客的安全[1-5]。
基于此，课题组利用PLAXIS 3D有限元模拟软件对某高速铁路附近抽水井工作情况进行模拟，分析并评估抽水井对高速铁路桥梁安全性的影响。
2 工程实例分析
2.1 工程概况
模拟抽水井位于某高铁运营段下行处，属于灌溉井。根据现场调查结果以及前期的地勘资料，该抽水井约180m深、井内水深20m，内径0.35m，与左中右侧桥墩相距分别为128m、123.5m和128m。地层从上至下依次为：30m厚粉质黏土层、20.8m厚砂层、14.2m厚粉质黏土层、10m厚深层砂层、25m厚深层粉质黏土层、50m厚深层黏土层、40m厚深层粉质黏土层、10m厚深层砂层、70m厚深层粉质黏土层。具体现场环境及灌溉井距桥梁位置关系见图3..png)
图3 灌溉井距桥梁位置关系图
2.2 计算参数的确定
土的性质决定土层沉降量的大小，渗透系数越大其影响的沉降量越多，同时，各种土层的厚度也是影响沉降量的重要因素[6-8]。通过室内土工试验并结合《工程地质勘察手册》[9]确定相应土壤参数，见表1
表1 土壤参数取值表
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2.3 数值模型的建立
2.3.1 模型建立
基于有限元分析软件PLAXIS3D对现场环境进行模拟分析，其中模型由桥梁、周围土体和水井三部分组成，桥梁选择与抽水井最近两跨建立（合计65.48米），设计模型整体尺寸为长290米、宽140米，高210米，桥面荷载按照50kPa考虑。数值模型底部边界固定，通过设置补水边界来保证地下水供给，从而实现土体回弹。该模型网格共剖分出248239个单元，343929个节点，具体仿真分析模型见图4、图5.
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图4 桥梁结构-抽水井轴视图
图5 数值仿真模型图
2.3.2 施工阶段设置
结合农业灌溉规律和铁路建设的施工顺序，模型时间长度设置为一年，计算一年内抽水过程中桥梁结构的沉降变化。初始阶段生成自重应力及初始水压力场，施工阶段在创建桥面、桥墩、桩基础等结构后施加列车荷载，同时生成初始地应力场，最后进行循环抽水的流固耦合分析。其抽水周期为灌溉井抽水20天后停止抽水10天，持续170天后停止抽水，为期一年。
3 结果分析
3.1 桥面沉降
铁路沿线的农用灌溉井使用时造成的场地土层沉降是影响桥面沉降的关键因素，而高速铁路桥面的沉降量直接关系到上部行车的安全。基于此，本研究针对桥梁模型选取5个位移监测点（A、B、C-桥墩监测点、D、E-桥面中部监测点）。经过一年抽水周期后，其沉降曲线见图6，相邻桥墩差异沉降曲线见图7.
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图6 全年内桥梁沉降曲线
图7 全年内相邻桥墩差异沉降曲线
由图6可知，在灌溉期间，桥面要先于桥墩发生沉降，20天后桥面最终沉降量为0.607mm，抽水井停止工作后，由于地下水位的恢复，孔隙水压力增大，土体发生回弹，回弹值为0.358mm，再次抽水则继续发生沉降，持续180天后，土体沉降最终趋于稳定，其最终沉降为0.204mm。同时，桥墩相较于桥面沉降较小，最大沉降量为0.585mm。而由图7可知，相邻桥墩之间的差异沉降量随着使用状态的不同也发生改变，在180天后停止抽水，最终沉降差趋于稳定，其最大差异沉降量为0.023mm。
根据《铁路工程沉降变形观测与评估技术规程》（QCR9230-2016）[10]中第7.2.3条规定：对于有砟轨道，高速列车运行时其桥墩桥台均匀沉降需小于等于30mm，相邻桥墩桥台沉降差小于等于15mm，对于无砟轨道则分别小于等于20mm和5mm。数值分析结果满足要求。
3.2 不同工况对比
利用PLAXIS 3D模型建立方法，选取两个具有代表性的工况，对铁路桥梁的沉降曲线进行对比分析。
（一）工况1
该抽水井属于饮水井，因其全年使用的特点，将该工况的抽水总时长设置为3年，抽水频率仍为抽水20天休息10天。其三年内桥梁沉降曲线及相邻桥墩差异沉降曲线见图8、图9.
图8 三年内桥梁沉降曲线
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图9 三年内相邻桥墩差异沉降曲线
由图8、图9可知，其沉降特点与灌溉井有所区别，没有与灌溉井抽水停止后稳定的曲线，从总体趋势来看，当每个抽水循环结束后，结构的最终沉降值形成一条斜率绝对值逐渐减小的曲线，这说明：饮水井抽水期间，土体的沉降虽然一直增大，但是土体沉降的速率随时间的增长而逐渐减小，并最终趋于稳定。
（二）工况2
该抽水井属于灌溉井，与主要论述的工况不同的是，其抽水频率为抽水4.5天休息2.5天，持续一年。选取相邻两个桥墩监测点绘制其全年内桥梁沉降曲线及相邻桥墩差异沉降曲线，见图10，图11.
图10 全年内桥梁沉降曲线
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图11 全年内相邻桥墩差异沉降曲线
由图10、图11可知，其沉降特点与本文叙述灌溉井的沉降特点相同，土体通过回弹最终形成一条稳定的曲线，这说明：本次模型设置的抽水频率并不影响土体沉降的总体变化规律，应用本建模方法，针对任意高铁沿线抽水井，通过改变其不同抽水频率可实现对不同抽水情况下的抽水井进行数值仿真分析。
4 结论
基于PLAXIS 3D有限元模拟软件对不同工况下抽水井对高铁桥梁结构沉降进行安全性影响分析，结论如下：
（一）抽水停止后，土体因水位补给会有明显的回弹现象，继续抽水则发生沉降，当抽水彻底停止之后，土体回弹并趋于稳定，其桥上监测点最终沉降会明显小于其最大沉降量。
（二）饮水井与灌溉井引起的沉降特点有所区别，饮水井抽水导致桥梁结构一直处于下沉状态，但桥梁沉降速率逐渐减慢，最终会趋于稳定
（三）调整抽水井抽水频率对最终的沉降结果影响不大，其整体趋势最终仍然会达到稳定。
（四）结合《铁路工程沉降变形观测与评估技术规程》（QCR9230-2016）相关规定，利用PLAXIS3D分析抽水井降水对桥梁结构沉降的问题符合实际工程现象以及土体物理力学性质，计算结果可靠，为之后的高铁沿线抽水井的治理提供理论依据。
参考文献
[1] 骆勇,祝晓彬,郭飞,吴吉春,蒋建国,曾献奎,范亚民,王栋.不同方法求解疏排水引起的地面沉降对比研究[J].水文地质工程地质,2018,45(05):150-157.
[2] 王恒松.某铁路沿线水井抽水引发的地面沉降模拟研究[J].铁道勘察,2015,41(04):61-64.
[3] 李国和,张建民,张嘎等.浅层地下水开采对高速铁路工程的影响及对策[J].铁道工程学报,2007(12):23-27+35.
[4] 杨建民,隋颜阳,纪森林.抽水引起的土层与地面沉降规律[J].铁道建筑,2018,58(02):92-99.
[5] 郝学强,刘奎建,崔婕.基于ABAQUS的立井降水数值模拟[J].水利科技与经济,2010,16(02):141-142.
[6] 李文运,崔亚莉,苏晨,张伟,邵景力.天津市地下水流-地面沉降耦合模型[J].吉林大学学报(地球科学版),2012,42(03):805-813.
[7] 王海波,徐明,宋二祥.考虑土体小应变特性的一种实用本构模型[J].工程力学,2011,28(06):60-65.
[8] 施刚.软土地区基坑开挖现场抽水试验数值模拟研究[J].上海国土资源,2018,39(02):84-87+97.
[9] 《工程地质勘察手册》编委会.工程地质勘察手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.4
[10] 中国铁路总公司，中国铁道科学研究院. QCR 9230-2016 铁路工程沉降变形观测与评估技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2016.
论文作者:李峰
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第4期
论文发表时间:2020/4/22
标签：桥墩论文; 桥梁论文; 桥面论文; 曲线论文; 模型论文; 工况论文; 黏土论文; 《工程管理前沿》2020年第4期论文;