地下水开采对高速铁路路基的影响分析

地下水开采会导致地下水位下降，造成路基沉降。抽水井在不同含水层开采地下水时对路基沉降的影响规律也是不同的。季节性的农业用水、非季节性的生活和工业用水最终对路基沉降的决定性因素主要在于抽水量的大小。根据我国具体情况，一般情况下农业用水主要抽取的是浅层地下水，而生活和工业用水主要抽取的是深层承压水。

1.计算条件分析

以高速铁路典型的桩网结构路基为研究对象，建立计算分析模型。同时建立无地基加固措施的普通路基模型进行对比分析。

模型地基取沿线路方向长为120 m，垂直于线路方向宽为250 m，厚度为200 m，共分为6 层，从上到下依次为回填土、砂土、黏性土、黏土、砂土及黏性土；抽水井直径为 1.5 m，潜水井长度为 17 m，深水井长度为120 m，浅水层地下水位为地面以下3 m，深水层地下水位为地面以下100 m。浅层地下水和深层地下水的开采量都取农业用水的最大值3 000 m3/d。绘制的路基与抽水井的相互关系示意图如图5.1-35所示。轨道、路基与地层的基本参数如表5.1-2所示。

图5.1-35　路基与抽水井的相互关系（单位：m）

表5.1-2　轨道、路基与地层基本参数

2.对无地基加固措施高速铁路路基的影响

以下主要分析没有进行地基加固处理的地段，地下水开采对高速铁路路基的影响。建立的路基和轨道分析模型如图5.1-36 所示，ABAQUS整体分析模型如图5.1-37所示。

图5.1-36　路基、轨道模型

图5.1-37　ABAQUS 整体模型

对浅层地下水和深层地下水的开采规律分别进行分析。

1）浅层地下水开采

普通路基在浅层地下水开采条件下的沉降变形规律及与浅层水位的变化规律如图5.1-38所示。

图5.1-38　路基沉降量及浅层水位随抽水时间的变化图

从图5.1-38 可以看出，普通路基沉降量和浅层地下水位的变化量均随地下水开采而呈现早期沉降发展较快、后期沉降缓慢的特点。同时地下水位变化的快慢与路基沉降的快慢基本同步。这主要是由于地下水开采初期，随着孔隙水压力的快速降低，在路基影响范围内的土体有效应力增加迅速，从而产生了相对较快的沉降。此后，随着地下水的继续开采，远处的地下水会由于压力水头的作用渗流到抽水井，抽水影响范围变得更大，但对路基的沉降影响减弱。从计算的数据曲线可以看出，一般在持续抽水情况下，约3.5 年后路基的后期沉降趋于缓和。这也表明，对于在铁路线路附近进行地下水开采，应特别注意在地下水开采初期对铁路沉降变形的监测。

从图5.1-38 的数据可知，当沉降趋于稳定后浅层地下水开采下普通路基基床表层的沉降量为 22.18 mm，大于《高速铁路设计规范》限值15 mm 的规定。由此可见，对于未采取加固措施的普通高速铁路路基，在线路附近200 m 范围进行长期开采地下水，会使得线路的沉降超限。

此外，从图5.1-38 还可得出，浅层地下水位在10 年的时间里下降了13.9 m，水位下降的速度为1.39 m/a，路基沉降了22.18 mm，路基的沉降速度为 2.218 mm/a。为了将地下水位的变化量与路基沉降量归一化处理，可采用比单位变形量法来计算在某一特定阶段（水位下降）内土层的沉降量。比单位变形量是指1 m 厚的地层、在水位下降1 m 时引起的地层变形量，其计算公式为

式中：Ic 为水位下降期的比单位变形量[mm/（m·m）]；Δhc 为同时期的水位降幅（m）；ΔSc 为相应于该水位变幅下的土层沉降量（mm）；H 为土层厚度（m）。

根据公式（5.1-8）计算得出浅层地下水开采导致路基沉降的比单位变形量为0.028 mm/（m·m），根据比单位的变形量值来推测计算所要研究区域内浅部地层分布情况相近的普通路基沉降量，其计算公式为

式中：Sc 为水位下降Δh（m）时厚度为H 的土层预测沉降量（mm）。

将图 5.1-38 中普通路基浅层地下水位下降随开采时间变化进行拟合，可以得出，浅层地下水位变化量随时间呈对数型曲线分布，其曲线方程为

式中：x 为抽水时间（d）；y 为浅层地下水位变化量（m）。

将公式（5.1-10）带入公式（5.1-9）可得普通路基沉降量随时间的变化关系方程，如下：

从上式可以看出，路基沉降与时间呈对数型曲线关系。此外，从式（5.1-11）还可看出，只要知道了地层厚度以及对应土层的比单位变形量，就可预测路基随时间的变化关系。

2）深层地下水开采

普通路基在深层地下水开采条件下的沉降量及深层地下水位变化随开采时间的变化规律如图5.1-39所示。

图5.1-39　路基沉降量及深层水位随抽水时间的变化图

从图5.1-39 可以看出，普通路基在深层地下水开采下的沉降量与深层地下水位的变化量变化规律与浅层地下水开采规律类似，均随地下水开采而呈现早期沉降发展较快、后期沉降缓慢的特点。同时地下水位变化的快慢与路基沉降的快慢基本同步。这主要是由于地下水开采初期，随着孔隙水压力的快速降低，在路基影响范围内的土体有效应力增加迅速，从而产生了相对较快的沉降。此后，随着地下水的继续开采，远处的地下水会由于压力水头的作用渗流到抽水井，抽水影响范围变得更大，相对而言对路基范围内的影响减弱，从而使得路基的后期沉降趋于缓和。

从图5.1-39 还可看出，深层地下水开采情况下，深层地下水位在10年的时间里下降了 14.2 m，其水位下降的速度为 1.42 m/a，路基沉降了32.6 mm，其沉降速度为3.26 mm/a。采用比单位变形量法将深层地下水位的变化量与路基沉降量进行归一化处理，计算得出生活用水和工业用水情况下导致路基沉降的比单位变形量为0.012 mm/（m·m），根据比单位变形量值可以推测计算研究区域内深部地层分布情况相近的普通路基沉降量。

将图 5.1-39 中普通路基深层地下水位下降随开采时间变化进行拟合，可以得出，深层地下水位变化量随抽水时间也呈对数型曲线分布，其曲线方程为

式中：x 为抽水时间（d）；y 为深层地下水位变化量（m）。

将公式（5.1-12）带入公式（5.1-9）可得普通路基沉降量随时间的变化关系方程，如下：

3）浅层与深层开采水对比分析

不同层次地下水开采条件下钢轨及路基沉降沿线路纵向的分布规律如图5.1-40～图5.1-41所示。

图5.1-40　普通路基钢轨沉降量分布图(www.xing528.com)

图5.1-41　普通路基基床表层沉降量分布图

从图5.1-41 可以看出，深层地下水开采下对路基线路中心的沉降量大于浅层地下水开采下路基的沉降量。这主要是深层地下水开采过程中其上覆土压力较大，造成同样的开采量下，其土体所受到的有效应力也较大所造成的。

在浅层地下水开采情况下，路基线路在纵向60 m 范围内产生的沉降差为22.05 mm，深层地下水开采下产生的沉降差仅为2.3 mm。由此表明，在同样的开采量情况下，尽管深层地下水开采使路基产生的沉降量更大，但其主要表现为大范围的区域性沉降；而浅层地下水的开采尽管对路基产生的沉降值小，但对线路的不平顺影响更大。因此建议，针对高速铁路线路附近进行地下水开采的情况，更应该严格限制浅层地下水开采，以及严控持续大量开采。

3.对桩网结构路基的影响

钢筋混凝土桩网结构由钢筋混凝土桩（群）、桩帽及加筋垫层组成，可用于基础变形控制严格的软弱土地基加固。近年来，我国在高速铁路建设中，为满足高速铁路对路基的工后沉降及差异沉降的要求，大量采用了桩网结构路基。图5.1-42 为高速铁路典型桩网结构路基代表性横断面图。

采用有限元建立的桩网结构模型，桩径为0.5 m，桩间距为1.7 m，桩长为24.0 m，正方形布置。桩顶设直径1.0 m 桩帽，桩帽厚度0.4 m。桩帽上方铺设0.6 m 厚碎石垫层。桩帽和CFG 桩的参数如表5.1-4 所示，模型示意图如图5.1-43，其他轨道、路基及地基参数属性均与表5.1-3一致。

图5.1-42　高速铁路典型桩网结构路基代表性横断面图

表5.1-4　桩网结构模型材料参数

图5.1-43　桩网结构路基模型示意图

通过有限元对浅层地下水和深层地下水分别分析计算，得出结论：

1）浅层地下水开采

在浅层地下水开采条件下桩网结构路基的沉降变形规律及浅层水位的变化规律如图5.1-44所示。

图5.1-44　桩网结构路基沉降随时间变化图

从图5.1-44 可以看出，桩网结构路基的沉降规律及浅层地下水位变化量与无地基加固措施的普通路基一样，都是早期随着地下水开采路基沉降发展较快，约3.5 年后期沉降缓慢，且最终趋于稳定。因此，对于受地下水开采影响的桩网结构路基地段，也应特别加强早期的监测。

从图5.1-44 的数据可知，沉降趋于稳定后，浅层地下水开采下桩网结构路基的沉降量为 12.12 mm。根据《高速铁路设计规范》，路基的沉降限值为 15 mm。由此表明，采用桩网结构路基可有效抑制由于浅层地下水开采对路基沉降的影响。

浅层地下水开采下桩网结构路基在10 年内沉降了12.12 mm，其沉降速度为 1.212 mm/a，浅层地下水位的变化规律同普通路基的变化规律相同。采用比单位变形量法将浅层地下水位的变化量与桩网结构路基沉降量进行归一化处理，计算得出浅层地下水开采下导致桩网结构路基沉降的比单位变形量为0.015 mm/（m·m），根据比单位变形量值可以推测计算研究区域内浅部地层分布情况相近的桩网结构路基沉降量。

将图5.1-44 中桩网结构路基浅层地下水位下降随开采时间变化进行拟合，可以得出，浅层地下水位变化量随时间呈对数型曲线分布，其曲线方程为

式中：x 为抽水时间（d）；y 为浅层地下水位变化量（m）。

将公式（5.1-14）带入公式（5.1-9）可得桩网结构路基沉降量随时间的变化关系方程，如下：

从上式可以看出，路基沉降与时间呈对数型曲线关系。此外，从式（5.1-15）还可看出，只要知道了地层厚度以及对应土层的比单位变形量，就可预测路基随时间的变化关系。

2）深层地下水开采

在深层地下水开采条件下桩网结构路基的沉降变化规律及深层水位的变化规律如图5.1-45所示。

图5.1-45　桩网结构路基沉降随时间变化图

从图5.1-45 可以看出，桩网结构路基的沉降规律及深层地下水位变化量与无地基加固措施的普通路基一样，都是早期随着地下水开采路基沉降发展较快，后期沉降缓慢，且最终趋于稳定。因此，对于受地下水开采影响的桩网结构路基地段，也应加强早期的监测。

从图5.1-45 的测试数据可知，沉降趋于稳定后，深层地下水开采下桩网结构路基的沉降量为24.93 mm，其沉降速度为2.493 mm/a。深层地下水位的变化规律和普通路基在深层地下水开采下的下降规律相同。采用比单位变形量法将深层地下水位的变化量与桩网结构路基沉降量进行归一化处理，计算得出深层地下水开采下导致桩网结构路基沉降的比单位变形量为 0.01 mm/（m·m），根据比单位变形量值可以推测计算研究区域内深部地层分布情况相近的桩网结构路基沉降量。

将图5.1-45 中桩网结构路基深层地下水位下降随开采时间变化进行拟合，可以得出，深层地下水位变化量随时间呈对数型曲线分布，其曲线方程为

式中：x 为抽水时间（d）；y 为浅层地下水位变化量（m）。

将公式（5.1-16）带入公式（5.1-9）可得桩网路基沉降量随时间的变化关系方程，如下：

从上式可以看出，路基沉降与时间呈对数型曲线关系。此外，从式（5.1-17）还可看出，只要知道了地层厚度以及对应土层的比单位变形量，就可预测路基随时间的变化关系。

3）对比分析

深浅地下水开采条件下桩网结构钢轨及路基沉降沿线路纵向的分布规律如图5.1-46～图5.1-47所示。

图5.1-46　深浅地下水开采条件下桩网结构路基钢轨沉降量分布图

图5.1-47　深浅地下水开采条件下桩网路基线路中心纵向沉降量分布图

从图5.1-47 可以看出，对于桩网结构路基，其在浅层与深层开采条件下产生沉降的规律与无加固路基类似，都是浅层开采水情况下，产生的沉降小，但对线路的不平顺影响大；深层开采水情况下，产生的沉降大，但对线路的不平顺影响小。

将桩网结构路基与无加固路基进行对比可以看出，采用桩网结构对土质路基进行加固相对于不加固，浅层开采水情况下沉降减小了10.1 mm，深层开采水情况下沉降减小了 7.7 mm。可见，采用桩网结构等措施对高速铁路路基进行加固可有效抑制由于地下水开采引起路基沉降较大的问题，尤其对于开采浅层地下水情况效果更明显。