高速鐵路采空域橋基變形物理模式試驗研究
第1章緒論
1.1論文研究意義
采空區是指地下礦產被人為挖掘而遺留的空洞。由于幵采過程中，土體初始平衡應力遭到破壞，致使采空區產生逐漸變形，其上方土體緩慢沉降，很可能導致釆空區上方建筑物由于地基失穩而破壞，進而威脅人們生命財產安全。近年來，由于高速鐵路建設的不斷進行及煤炭資源的不斷開采，很多高鐵線路都要穿過煤礦及其釆空區，釆空區的存在對高鐵建設的影響逐步擴大。由于高速鐵路的建設的要求極其嚴格，對于不可避免地要穿過采空區的高速鐵路而言，若采空區處發生沉降或者出現了不均勻變形，將會對高鐵的橋涵工程及其附屬結構造成巨大影響和破壞。若由采空區的變形導致橋基的不均勻沉降量過大，則會造成鐵路線路的平順性較差，從而引起列車振動和輪軌動力作用增大，導致列車運行過程中受到巨大的沖擊力作用；列車在平穩、舒適、安全性的指標方面受到嚴重影響，甚至_導致列車脫軌[58]。因此，對于高速鐵路采空區上方橋基變形進行研究顯得格外重要，意義重大。然而，縱觀國內外相關文獻和資料，大都是關于高速公路釆空區上方路基或者釆空區上方建筑物的穩定性的研究，對于高速鐵路采空區上方橋基的研究相當缺乏。因此這是一個比較新的研究課題。為了研究的方便，我們將采取物理模型試驗作為研究手段。物理模型試驗比較直觀，可定性或定量地反映橋梁基礎穿過采空區時的受力、變形特性，以及采空區頂板穩定性變化特征，可與數學模型相互驗證；尤為重要的是通過物理模擬試驗，我們可以對復雜的地下工程結構、復雜的地質構造以及復雜的地下巖層組合關系進行較為全面地、真實地模擬[I6]。試驗在某種程度上就是隔離和控制，利用物理模型試驗，我們可以重點研究模型原型在某些方面的特性，而不用全面顧及其他方面的特性。國內已經有許多單位和院校利用模型試驗來研究采空地區變形規律和采空區建筑地基穩定性的成功例子這為我們在物理模型試驗中研究采空區上方橋梁基礎受力和變形特性提供了參考依據，也可作為本物理模型試驗的材料選擇、模型方案制作、數據采集與處理的范例。綜上所述，通過物理模型試驗來研究高速鐵路采空區上方橋基受力和變形特性，可以得到比較直觀可靠的結論，可為釆空區上方橋梁基礎穩定性評價提供依據，具有重要的理論和實際意義。
1.2國內外研究現狀
在國外，B.Shen等[1]針對澳大利亞采空區長期存在的冒落問題，研究出了新型的集成觀測系統，該系統將位移、應力和地震活動性聯合監測，在澳大利亞的一個礦井下進行的兩個現場試驗中，取得了很好的效果；P.R.Sheorey等⑵在處理印度采空區時發現地表沉陷程不規律性，由此建立起具有獨特功能的地表位移預報方法，并與常見的4種方法以及實測數據進行了比較，得到了較好的預測效果。上世紀70年代，Jones等人[3]研究了煤礦采掘遺留的空洞塌落對公路路基的影響；80年代以來，Jones[4]，Sergeant[5],M.C.Wang[6]等人又分別對采礦及下伏空洞空洞對建筑物地基的危害進行研究。這些研究都是基于半經驗和半調查的基礎上，沒有統一的相似的普遍規律。在國內，陳龍以離軍高速公路柳林段工程為例，對高速公路的路基和橋險重點構筑物的下伏采空區進行物理模型實驗研究，分別以開采的方式、幵采的深度、開采的層數及附加荷載為控制因素，研究這四個因素對釆空區穩定性的影響并做出相應的初步評價。王玉標[8]從國內外有關采空區上方路基路面變形的研究成果入手，總結了采空區路基路面變形的影響因素、變形規律、分析方法以及應對變形失穩的處理方法。在此基礎上采用有限元數值分析方法研究高速公路下伏采空區路基路面的變形破壞規律，獲得針對釆空區路基路面變形協調的設計方法。并以四個工程實例進行剖析和驗證。陳則連[9]結合某礦山采空區的分布特點及開釆方式，并吸取國內外對礦山開采過程中地面沉陷調查與研究的最新成果，全面分析研究采空區的類型、變形、及地基穩定性和采空區的處理方法。胡志廣依托于武廣客運專線西瓜地特大橋,在施工期間按照相關設計要求動觀測其沉降變形，通?過系統綜合分析并評估采集的沉降數據，對設計措施進行驗證或調整，使橋涵工程的變形控制要求達到規定的范圍，確保客運專線運營的安全性。姚連凱分別總結了國內外計算客運專線橋梁基礎沉降的一些常規方法，分析了我國選取的客運專線橋梁基礎沉降計算方法的利弊,并介紹了有關秦沈客運專線橋梁基礎沉降的試驗結果。
第2章研究區工程地質概況和工程結構
2.1工程概況
京福鐵路客運專線合肥至福州段正線全長809.919km,主要經過安徽省合肥市、巢湖市、南陵縣、經縣、旌德、黃山市與休寧縣進入江西省，經婺源、德興、玉山、上饒后越過武夷山山脈進入福建省，經武夷山、建陽、建瓶、南平、寧德、閩清引入福州樞紐福州站。線路通過的采空區主要分布于安徽省南陵縣工山附近、安徽省旌德縣附近、江西省上饒市大茅山區、上饒縣南洋口鎮至四十八鎮之間。南陵工山釆空區主要以銅礦采空區為主，鐵礦、煤礦釆空區次之；安徽省旌德縣附近采空區主要以蠻石礦為主，一般規模不大；德興市、上饒縣大茅山區以螢石礦為主，開采規模不大；上饒段采空區主要以煤礦采空區為主。官山底特大橋，位于江西省上饒市四十八鎮與應家鄉境內，橋址起訖里程為D497+695.75?DK499+885.26，全長2189.51米。橋位跨越小河，橋址區有縣道及鄉村?公路穿插，交通方便。橋梁結構型式采用l-24.6m簡支梁+20-32.6m簡支梁+l-24.6m簡支梁+25-32.6m簡支梁+3-24.6m簡支梁+2-32.6m簡支梁+l-24.6m簡支梁+9-32.6m簡支梁+4-32m兩線變四線道盆連續梁+2-32m五線簡支箱梁。
……………
2.2地形地貌
上饒段調查區處于北武夷山脈，地勢總體表現為南高北低的特點，南部海拔標高500-1000m，屬中低山一中山區；北部屬丘陵低山區，海拔標高在100?700rn;工作區大多屬丘陵一中低山區。地形陸峭，植被發育，自然地理條件較差。59號墩所在地屬于址地貌屬丘陵及河流階地，地勢較開闊平坦。沿線路方向左側為耕地，右側為施工便道及農田。上饒段調查區地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，第四系孔隙潛水主要埋藏于谷地和河流的第四系沖積層中，水量豐富，主要受地表水及大氣降水雙重補給。官山底特大橋橋址處地表水由兩邊山體向河流階地匯集。橋區徑流條件良好，有小河及溪流通過，流量受大氣降水影響較大。地下水類型有孔隙水、基巖裂隙水，勘察期間測得地下穩定水位埋深0.60-15.40m，穩定水位標高127.112-151.831m，受大氣降水補給，向低洼處排泄。水量受大氣降雨影響較大。根據現場勘察報告及鉆孔資料，59號徵下基礎主要受到地表水作用。其來源主要是季節性降水和農田灌概。
第3章模型試驗原理與方法..........10
3.1模型試驗定義..........10
3.2相似原理..........10
3.3相似常數的概念..........11
3.4相似準則的推導方法..........11
3.5模型實驗特點..........12
本章小結..........12
第4章模型方案設計..........13
4.1模型相似準則推導..........13
4.2確定模型相似常數..........14
4.3確定模型尺寸..........15
4.4模型試驗材料的確定..........18
4.5確定模型試驗材料參數..........19
4.6確定承臺上部荷載及加載方式..........24
4.7模型試驗測試內容及測試元件的布置..........29
4.8測試元件的選擇..........32
本章小結..........33
第5章模型試驗的實施..........34
5.1模型槽的制作..........34
5.2模型管樁的處理及應變片的布置..........34
5.3沉降觀測標的制作..........39
5.4釆空巷道的預制..........40
5.5地層的制作及管樁布置..........41
5.6測量元件的布置及承臺的制作..........43
5.7安裝千分表及加載系統..........44
第6章模型試驗數據處理及分析
6.1模型試驗數據處理方法
本次模型試驗監測3根樁，3號與5號樁未穿過釆空巷道，7號樁穿過采空巷道。如第二章圖2-2所示。其中3號與7號披位于承臺角點處，5號樁位于承臺中心處。對于3號樁，樁長為130cm，其中0-3cin處于填土層，3-119cm處于強風化炭質頁巖層，119-130cm處于弱風化炭質頁巖層。對于5號樁，樁長130cm，其中0-6cm處于填土層，6-108cm處于強風化炭質頁巖層，108-13()cm處于弱風化炭質頁巖層。對于7號樁，柱長130cm,其中0-8cin處于填土層，8-lOlcm處于強風化炭質頁巖層，101-130cm處于弱風化炭質頁巖層，其中43?51cm段為釆空巷道。至最大荷載時三根樁在該段軸力分別為124N、113.5N和108.4N;在樁的同一深度處，樁身軸力都是隨著荷載的增大而增大；三根樁樁底附近128~130cm段，軸力雖然也呈增大趨勢，但趨勢不是很明顯，例如3號樁在荷載從500N加至2450N時，該段軸力增值幅度分別為0.54N,0.23N,0.78N,1.94N,3.IN,3.11N,增值幅度不大，說明3號樁在該段軸力增大趨勢不明顯。至最大荷載時，三根樁在該段軸力分別為9.7N、13.6N和6.6N。造成上述變化的原因是樁身受到周圍填土及巖體的側摩阻力作用，致使樁軸力逐漸減小。且樁身軸力在25?100cm段減小較明顯，由表6-1可知，三根樁在該段均是強風化炭質頁巖，說明大部分摩阻力都由強風化炭質頁巖提供。
結論
得到如下主要結論：
1.本次模型試驗具有不可逆性，即本次模型試驗數據只能用來反映客觀規律，不可將其數值返至模型原型之中。這是因為模型試驗不能完全反映模型原型的具體情況，其數據與真實值肯定存在差別。
2.通過模型試驗可知，橋梁樁基軸力特性為：沿樁身長度方向，樁身軸力逐漸減小，樁頂段（0-2cm)軸力最大，樁底段(128?130cm)軸力最小。隨著荷載的增大，在樁的同一深度處軸力也隨之增大，且樁頂段軸力增幅最為明顯。位于承臺中心的樁體，其樁頂處軸力越大。位于釆空巷道的樁體，在采空巷道段樁身軸力為一恒定值。
3.模型試驗反映，橋梁樁基側摩阻力規律為：樁身側摩阻力沿樁身深度呈現先增大后減小的變化過程。當荷載增大時，樁身同一深度處側摩阻力也隨之變大，地下巖層提供側摩阻力的能力也逐步發揮。穿過采空巷道的樁，在采空巷?道段其側摩阻力為零。
4.模型試驗顯示，樁間土應力與樁頂應力都隨荷載的增加而增大。兩樁之間的平均土應力大于四樁之間的平均土應力。當荷載增加至一定值時，樁間土應力增加幅度減小，樁頂應力增加幅度變大。樁土荷載分擔比隨荷載增加而增大，但其增大幅度逐漸減小。當加載的荷載對應于模型原型的設計荷載時，樁體承擔大約56%的荷載，說明橋基設計偏于保守，樁的作用沒有得到完全發揮。
