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    高速铁路采空域桥基变形物理模式试验研究

    第1章绪论

      1.1论文研究意义

      采空区是指地下矿产被人为挖掘而遗留的空洞。由于幵采过程中,土体初始平衡应力遭到破坏,致使采空区产生逐渐变形,其上方土体缓慢沉降,很可能导致釆空区上方建筑物由于地基失稳而破坏,进而威胁人们生命财产安全。近年来,由于高速铁路建设的不断进行及煤炭资源的不断开采,很多高铁线路都要穿过煤矿及其釆空区,釆空区的存在对高铁建设的影响逐步扩大。由于高速铁路的建设的要求极其严格,对于不可避免地要穿过采空区的高速铁路而言,若采空区处发生沉降或者出现了不均匀变形,将会对高铁的桥涵工程及其附属结构造成巨大影响和破坏。若由采空区的变形导致桥基的不均匀沉降量过大,则会造成铁路线路的平顺性较差,从而引起列车振动和轮轨动力作用增大,导致列车运行过程中受到巨大的冲击力作用;列车在平稳、舒适、安全性的指标方面受到严重影响,甚至_导致列车脱轨[58]。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。然而,纵观国内外相关文献和资料,大都是关于高速公路釆空区上方路基或者釆空区上方建筑物的稳定性的研究,对于高速铁路采空区上方桥基的研究相当缺乏。因此这是一个比较新的研究课题。为了研究的方便,我们将采取物理模型试验作为研究手段。物理模型试验比较直观,可定性或定量地反映桥梁基础穿过采空区时的受力、变形特性,以及采空区顶板稳定性变化特征,可与数学模型相互验证;尤为重要的是通过物理模拟试验,我们可以对复杂的地下工程结构、复杂的地质构造以及复杂的地下岩层组合关系进行较为全面地、真实地模拟[I6]。试验在某种程度上就是隔离和控制,利用物理模型试验,我们可以重点研究模型原型在某些方面的特性,而不用全面顾及其他方面的特性。国内已经有许多单位和院校利用模型试验来研究采空地区变形规律和采空区建筑地基稳定性的成功例子这为我们在物理模型试验中研究采空区上方桥梁基础受力和变形特性提供了参考依据,也可作为本物理模型试验的材料选择、模型方案制作、数据采集与处理的范例。综上所述,通过物理模型试验来研究高速铁路采空区上方桥基受力和变形特性,可以得到比较直观可靠的结论,可为釆空区上方桥梁基础稳定性评价提供依据,具有重要的理论和实际意义。

    1.2国内外研究现状

      在国外,B.Shen等[1]针对澳大利亚采空区长期存在的冒落问题,研究出了新型的集成观测系统,该系统将位移、应力和地震活动性联合监测,在澳大利亚的一个矿井下进行的两个现场试验中,取得了很好的效果;P.R.Sheorey等⑵在处理印度采空区时发现地表沉陷程不规律性,由此建立起具有独特功能的地表位移预报方法,并与常见的4种方法以及实测数据进行了比较,得到了较好的预测效果。上世纪70年代,Jones等人[3]研究了煤矿采掘遗留的空洞塌落对公路路基的影响;80年代以来,Jones[4],Sergeant[5],M.C.Wang[6]等人又分别对采矿及下伏空洞空洞对建筑物地基的危害进行研究。这些研究都是基于半经验和半调查的基础上,没有统一的相似的普遍规律。在国内,陈龙以离军高速公路柳林段工程为例,对高速公路的路基和桥險重点构筑物的下伏采空区进行物理模型实验研究,分别以开采的方式、幵采的深度、开采的层数及附加荷载为控制因素,研究这四个因素对釆空区稳定性的影响并做出相应的初步评价。王玉标[8]从国内外有关采空区上方路基路面变形的研究成果入手,总结了采空区路基路面变形的影响因素、变形规律、分析方法以及应对变形失稳的处理方法。在此基础上采用有限元数值分析方法研究高速公路下伏采空区路基路面的变形破坏规律,获得针对釆空区路基路面变形协调的设计方法。并以四个工程实例进行剖析和验证。陈则连[9]结合某矿山采空区的分布特点及开釆方式,并吸取国内外对矿山开采过程中地面沉陷调查与研究的最新成果,全面分析研究采空区的类型、变形、及地基稳定性和采空区的处理方法。胡志广依托于武广客运专线西瓜地特大桥,在施工期间按照相关设计要求动观测其沉降变形,通?过系统综合分析并评估采集的沉降数据,对设计措施进行验证或调整,使桥涵工程的变形控制要求达到规定的范围,确保客运专线运营的安全性。姚连凯分别总结了国内外计算客运专线桥梁基础沉降的一些常规方法,分析了我国选取的客运专线桥梁基础沉降计算方法的利弊,并介绍了有关秦沈客运专线桥梁基础沉降的试验结果。

     第2章研究区工程地质概况和工程结构

      2.1工程概况

      京福铁路客运专线合肥至福州段正线全长809.919km,主要经过安徽省合肥市、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、闽清引入福州枢纽福州站。线路通过的采空区主要分布于安徽省南陵县工山附近、安徽省旌德县附近、江西省上饶市大茅山区、上饶县南洋口镇至四十八镇之间。南陵工山釆空区主要以铜矿采空区为主,铁矿、煤矿釆空区次之;安徽省旌德县附近采空区主要以蛮石矿为主,一般规模不大;德兴市、上饶县大茅山区以萤石矿为主,开采规模不大;上饶段采空区主要以煤矿采空区为主。官山底特大桥,位于江西省上饶市四十八镇与应家乡境内,桥址起讫里程为D497+695.75?DK499+885.26,全长2189.51米。桥位跨越小河,桥址区有县道及乡村?公路穿插,交通方便。桥梁结构型式采用l-24.6m简支梁+20-32.6m简支梁+l-24.6m简支梁+25-32.6m简支梁+3-24.6m简支梁+2-32.6m简支梁+l-24.6m简支梁+9-32.6m简支梁+4-32m两线变四线道盆连续梁+2-32m五线简支箱梁。

      ……………

      2.2地形地貌

      上饶段调查区处于北武夷山脉,地势总体表现为南高北低的特点,南部海拔标高500-1000m,属中低山一中山区;北部属丘陵低山区,海拔标高在100?700rn;工作区大多属丘陵一中低山区。地形陆峭,植被发育,自然地理条件较差。59号墩所在地属于址地貌属丘陵及河流阶地,地势较开阔平坦。沿线路方向左侧为耕地,右侧为施工便道及农田。上饶段调查区地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水,第四系孔隙潜水主要埋藏于谷地和河流的第四系冲积层中,水量丰富,主要受地表水及大气降水双重补给。官山底特大桥桥址处地表水由两边山体向河流阶地汇集。桥区径流条件良好,有小河及溪流通过,流量受大气降水影响较大。地下水类型有孔隙水、基岩裂隙水,勘察期间测得地下稳定水位埋深0.60-15.40m,稳定水位标高127.112-151.831m,受大气降水补给,向低洼处排泄。水量受大气降雨影响较大。根据现场勘察报告及钻孔资料,59号徵下基础主要受到地表水作用。其来源主要是季节性降水和农田灌概。

    第3章模型试验原理与方法..........10

      3.1模型试验定义..........10

      3.2相似原理..........10

      3.3相似常数的概念..........11

      3.4相似准则的推导方法..........11

      3.5模型实验特点..........12

      本章小结..........12

      第4章模型方案设计..........13

      4.1模型相似准则推导..........13

      4.2确定模型相似常数..........14

      4.3确定模型尺寸..........15

      4.4模型试验材料的确定..........18

      4.5确定模型试验材料参数..........19

      4.6确定承台上部荷载及加载方式..........24

      4.7模型试验测试内容及测试元件的布置..........29

      4.8测试元件的选择..........32

      本章小结..........33

      第5章模型试验的实施..........34

      5.1模型槽的制作..........34

      5.2模型管桩的处理及应变片的布置..........34

      5.3沉降观测标的制作..........39

      5.4釆空巷道的预制..........40

      5.5地层的制作及管桩布置..........41

      5.6测量元件的布置及承台的制作..........43

      5.7安装千分表及加载系统..........44

      第6章模型试验数据处理及分析

      6.1模型试验数据处理方法

      本次模型试验监测3根桩,3号与5号桩未穿过釆空巷道,7号桩穿过采空巷道。如第二章图2-2所示。其中3号与7号披位于承台角点处,5号桩位于承台中心处。对于3号桩,桩长为130cm,其中0-3cin处于填土层,3-119cm处于强风化炭质页岩层,119-130cm处于弱风化炭质页岩层。对于5号桩,桩长130cm,其中0-6cm处于填土层,6-108cm处于强风化炭质页岩层,108-13()cm处于弱风化炭质页岩层。对于7号桩,柱长130cm,其中0-8cin处于填土层,8-lOlcm处于强风化炭质页岩层,101-130cm处于弱风化炭质页岩层,其中43?51cm段为釆空巷道。至最大荷载时三根桩在该段轴力分别为124N、113.5N和108.4N;在桩的同一深度处,桩身轴力都是随着荷载的增大而增大;三根桩桩底附近128~130cm段,轴力虽然也呈增大趋势,但趋势不是很明显,例如3号桩在荷载从500N加至2450N时,该段轴力增值幅度分别为0.54N,0.23N,0.78N,1.94N,3.IN,3.11N,增值幅度不大,说明3号桩在该段轴力增大趋势不明显。至最大荷载时,三根桩在该段轴力分别为9.7N、13.6N和6.6N。造成上述变化的原因是桩身受到周围填土及岩体的侧摩阻力作用,致使桩轴力逐渐减小。且桩身轴力在25?100cm段减小较明显,由表6-1可知,三根桩在该段均是强风化炭质页岩,说明大部分摩阻力都由强风化炭质页岩提供。

    结论

      得到如下主要结论:

      1.本次模型试验具有不可逆性,即本次模型试验数据只能用来反映客观规律,不可将其数值返至模型原型之中。这是因为模型试验不能完全反映模型原型的具体情况,其数据与真实值肯定存在差别。

      2.通过模型试验可知,桥梁桩基轴力特性为:沿桩身长度方向,桩身轴力逐渐减小,桩顶段(0-2cm)轴力最大,桩底段(128?130cm)轴力最小。随着荷载的增大,在桩的同一深度处轴力也随之增大,且桩顶段轴力增幅最为明显。位于承台中心的桩体,其桩顶处轴力越大。位于釆空巷道的桩体,在采空巷道段桩身轴力为一恒定值。

      3.模型试验反映,桥梁桩基侧摩阻力规律为:桩身侧摩阻力沿桩身深度呈现先增大后减小的变化过程。当荷载增大时,桩身同一深度处侧摩阻力也随之变大,地下岩层提供侧摩阻力的能力也逐步发挥。穿过采空巷道的桩,在采空巷?道段其侧摩阻力为零。

      4.模型试验显示,桩间土应力与桩顶应力都随荷载的增加而增大。两桩之间的平均土应力大于四桩之间的平均土应力。当荷载增加至一定值时,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,但其增大幅度逐渐减小。当加载的荷载对应于模型原型的设计荷载时,桩体承担大约56%的荷载,说明桥基设计偏于保守,桩的作用没有得到完全发挥。

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