地下水对路基的影响因素分析

地下水变化对高速铁路路基沉降的影响因素非常多，但是主要的因素一般有抽水井至高速铁路的距离、抽水速度（抽水量）的大小，另外还有地层本身固有的性质（如渗透系数）等因素，分别进行简要分析。

1.模型建立

1）影响范围

选取在浅层含水层中通过井点抽取地下水的典型实例作为计算对象，对抽取浅层地下水的影响范围所引起的地面沉降量进行估算和分析。

抽水后，井内及周围含水层的水位便开始下降，形成漏斗状的水位下降区，如图5.1-1，影响范围可通过抽水影响半径R 来确定，计算公式如下：

式中：s 为水位降深；K 为含水层渗透系数；R 为影响半径。

图5.1-1　漏斗状水位下降区示意图

根据经验，取水位降深为5 m，含水层的渗透系数为5×10-5m/s，通过上述公式算得抽水的影响半径为106 m，该值在建立有限元模型、确立模型大小和计算范围时是一个非常重要的参考指标。

2）抽水速度（抽水量）

模型中建立了一个半径为 r 的抽水井，假定地下水位为地表以下3 m，抽取深度为整个含水地层（深度为 3～17 m），则水井表面的抽水速度可由下式得出

式中：Q 为抽水量；r 为抽水井半径；n 为孔隙率；l 为水井长度。

3）有限元模型

路基与水井的相互关系如图5.1-2所示。

图5.1-2　路基与抽水井的相互关系（单位：m）

建立有限元模型时，如何确立模型大小、消除边界效应是一个非常重要的问题。根据上文计算所得抽水的影响范围，考虑到有限元模型中边界效应的影响，模型的大小较抽水影响范围略大为宜，经过试算，当有限元模型的长、宽均取为300 m 时，边界的影响可降至较低的水平，从而提高了计算精度。

根据试算，有限元模型的尺寸确定如下：路基左侧（无水井）为50 m，路基右侧250 m，其中水井距离边界为50 m，线路纵向取为300 m。地层深度取28 m，分为3 层。路基面宽度为13.6 m，路基厚度为4.2 m，路基边坡坡度为1∶1.5。路基与地基土体的物理力学指标如表5.1-1所示。

表5.1-1　路基与地层参数

三维有限元模型采用C3D8P（8 节点完全积分孔隙流体单元），假设计算边界处水头压力不变，同时不考虑孔隙介质孔隙比的变化。设置孔压边界条件，利用Distribution 空间分布函数在周围含水层的边界上设置随深度线性增加的静水孔压边界，其余边界设为不排水边界。建立的有限元计算模型如图5.1-3所示。

图5.1-3　有限元模型示意图

2.水井距离的影响分析

为了研究水井距离对路基沉降的影响，当抽水速度（抽水量）为750 m3/d 时，取距离为50、75、100、150、200 m 作为对比工况进行分析。

1）水井与路基中心距为50 m 时

水井与路基中心距为50 m 时的计算结果如图5.1-4～图5.1-8所示。

图5.1-4　路基孔隙压力分布图

图5.1-5　路基横向位移变形图

图5.1-6　路基横向位移剖面图

图5.1-7　路基垂向位移变形图

图5.1-8　路基垂向位移剖面图

2）水井与路基中心距为75 m 时

水井与路基中心距为75 m 时的计算结果如图5.1-9～图5.1-13所示。

图5.1-9　路基孔隙压力分布图

图5.1-10　路基横向位移变形图

图5.1-11　路基横向位移剖面图

图5.1-12　路基垂向位移分布图

图5.1-13　路基垂向位移剖面图

3）水井与路基中心距为100 m 时

水井与路基中心距为 100 m 时的计算结果如图 5.1-14～图 5.1-16所示。

图5.1-14　路基空隙压力分布图

图5.1-15　路基横向位移分布图

图5.1-16　路基垂向位移分布图

4）水井与路基中心距为150 m 时

水井与路基中心距为150 m 时计算结果如图5.1-17～图5.1-19所示。

图5.1-17　路基孔隙压力分布图

图5.1-18　路基横向位移变形图

图5.1-19　路基垂向位移分布图

5）水井与路基中心距为200 m 时

水井与路基中心距为200 m 时的计算结果如图5.1-20～图5.1-22所示。(www.xing528.com)

图5.1-20　路基孔隙压力分布图

图5.1-21　路基横向位移分布图

图5.1-22　路基垂向位移分布图

从图5.1-4～图5.1-22 可以看出，各工况土体变形指标的分布云图较为相似，但随着水井与路基距离的增大，各指标云图有一定的变化：

从孔压云图可以看出，距离井点越近的土体，孔压越大；孔压的消散呈较规则的同心圆分布。随着井点与路基距离的增大，路基土体的孔压逐渐减小，路基受井点抽水的影响也就越小。

从土体的沉降云图可以看出，井点周围的土体沉降较大，距离井点越远，土体的沉降越小，减小规律呈同心圆分布。井点距离路基较近时，沿线路纵向沉降的等值线较为密集，表明路基沿纵向出现了较大的不均匀沉降，随着井点与路基距离的增大，路基不均匀沉降的趋势逐渐消失，路基沿纵向的沉降变得均匀。由此表明，随着井点与路基间距离的增大，路基的沉降会显著减小，路基受井点抽水的影响逐渐变弱。因此，为减小地下水位降低对路基沉降的影响，应严禁在高速铁路路基影响范围内打井抽水。

从土体的横向位移云图可以看出，井点两侧土体的横向位移大致呈对称分布，且均有向井点移动的趋势，这与抽水点附近的孔隙水压力出现负值有关。随着与井点距离的增大，路基土体的横向位移不仅在数值上有了较大的减小，而且沿线路纵向横向位移的等值线逐渐稀疏，表明沿线路纵向土体的横向位移逐渐减小。这表明，随着井点与路基距离的增大，路基的横向位移受井点降水的影响逐渐减小。

为进一步对比水井与路基的距离对高速铁路路基沉降的影响，绘制水井在不同距离时对路基垂向沉降的影响如图5.1-23所示。

图5.1-23　不同距离时路基中心线沉降分布

由图5.1-23 可以看出，路基沉降沿线路纵向的分布呈现“下凹”形，即与水井直线距离最近的路基区域的沉降越大，远离水井路基的沉降越小。可见，井点与路基的距离对路基沉降有较大的影响。

计算的井点与路基不同距离下各工况路基最大沉降对比如图 5.1-24所示。

图5.1-24　路基中部顶点沉降随井点与路基距离的变化图

从图5.1-24 可以看出，井点与路基的距离大小对路基沉降的影响非常显著。当距离为50 m 时，路基顶面沉降为8.05 mm，当距离增大到200 m时，路基顶面沉降仅为2.54 mm，后者比前者减小了68.3%，基本呈线性减小，其拟合曲线方程为

式中：x 为抽水井距离（m）；y 为路基垂向最大沉降量（mm）。

路基横向位移在井点与路基不同距离工况下的分布如图5.1-25所示。

图5.1-25　不同距离时路基中心线横向位移分布

由图5.1-25 可以看出，路基横向位移沿线路纵向的分布大致呈现“上凸”形。其中，与水井直线距离越近的路基位置，横向沉降变形越大，而越远离水井路基的横向变形越小。可见，井点与路基的距离对路基横向变形也有较大的影响。

计算的井点与路基不同距离下各工况路基最大横向变形对比如图5.1-26所示。

从图5.1-26 可以看出，井点与路基的距离对路基横向位移的影响非常显著。当距离为50 m 时，路基顶面横向位移为6.79 mm，当距离增大到200 m 时，路基顶面沉降仅为1.45 mm，后者比前者减小了78.6%，减小呈指数型关系，其指数型曲线方程为

式中：x 为抽水井距离（m）；y 为路基横向变形量（mm）。

图5.1-26　路基中部顶点横向位移随路基与井点距离的变化图

3.抽水量的影响分析

为了研究抽水速度（抽水量）对路基沉降的影响，取5 种不同的单日抽水量进行计算，分别为 250 m3/d、500 m3/d、750 m3/d、1 000 m3/d和1 250 m3/d。根据抽水速度的计算公式，可得水井表面的抽水速度分别为0.000 2 m/s、0.000 4 m/s、0.000 6 m/s、0.000 8 m/s、0.001 m/s。由于规律基本一致，这里仅列出抽水量为 750 m3/d 时土体沉降剖面，如图5.1-27所示。

图5.1-27　抽水量为750 m3/d 时土体沉降剖面图

从上述土体沉降的剖面图可以看出，抽水会造成周边土体和路基的沉降。沉降影响范围大致呈同心圆向外扩散，离抽水点越近，土体的沉降越大。

不同抽水速度下路基沉降沿线路纵向的分布如图5.1-28所示。

图5.1-28　抽水速度对路基沉降的影响

从图5.1-28 可以看出，路基沉降沿线路方向的分布呈“下凹”形，即越靠近路基中间部位（水井与路基的直线距离越短），沉降越大，这与实际情形吻合。

抽水速度对线路纵向沉降的影响有明显的规律性，抽水速度越大，沉降越大。不同抽水速度下路基顶面最大沉降值对比如图5.1-29所示。

图5.1-29　路基中部顶点沉降随抽水速度的变化

由图5.1-29 可以看出，抽水速度对路基顶面沉降的影响非常明显。抽水速度为250 m3/d 时，沉降值为4.0 mm，抽水速度为1 250 m3/d 时，沉降值为13.7 mm，后者较前者增大了2.4 倍。可见，抽水速度对路基沉降具有显著的影响，抽水速度与路基垂向位移呈三次曲线分布，其曲线方程为

式中：x 为抽水速度（m3/d）；y 为垂向位移（mm）。

不同抽水速度下路基横向位移沿纵向的分布如图5.1-30所示。

图5.1-30　抽水速度对路基横向位移的影响

从图5.1-30 可以看出，路基的横向位移沿纵向长度的分布呈“上凸”形，即越靠近抽水井对应的路基横断面位置，横向位移越大，这与实际情形吻合。

抽水速度对路基横向位移的影响有明显的规律性，抽水速度越大，路基横向位移越大。不同抽水速度下路基顶面沉降的横向位移值如图5.1-31所示。

由图5.1-31 可以看出，抽水速度对路基顶面横向位移的影响非常明显。抽水速度为250 m3/d 时，横向位移为3.98 mm，抽水速度为1 250 m3/d时，横向位移为12.94 mm，后者较前者增大了2.25 倍，其拟合曲线方程为

式中：x 为抽水速度（m3/d）；y 为横向位移（mm）。

图5.1-31　路基中部顶点横向位移随抽水速度的变化

综合图5.1-28～图5.1-31 可以看出，在高速铁路路基周边取水时应严格控制取水量。大量的抽取地下水会使周围地面，以及地面上修建的路基产生较大的垂向沉降与横向变形，直接影响上部轨道结构的力学性能和行车的安全性。

4.渗透系数的影响分析

为了研究土层渗透系数对路基沉降的影响，当抽水速度为1 000 m3/d，抽水井距离为200 m 时，取土层渗透系数分别为0.1 m/d、0.5 m/d、1 m/d及 5 m/d 作为对比工况进行分析，其计算结果如图 5.1-32～图 5.1-33所示。

图5.1-32　不同渗透系数的路基计算云图

图5.1-33　渗透系数对路基中心沉降量的影响

从图5.1-34 可以得出，当土层的渗透系数为0.1 m/d 时线路中心最大沉降量为3.5 mm，当土层的渗透系数为0.5 m/d 时线路中心最大沉降量为7.4 mm，当渗透系数增大到5 m/d 时最大沉降量相应增大到10.7 mm。可见，在一定的范围内随着渗透系数的增大线路中心最大沉降量也相应增大，渗透系数与路基最大沉降量呈对数型分布，其曲线方程为

式中：x 为渗透系数（m/d）；y 为沉降量（mm）。

图5.1-34　渗透系数对路基最大沉降量的影响