下穿既有高铁桥梁泡沫混凝土公路路堤研究

刘 彦 玲

(四川公路桥梁建设集团有限公司大桥工程分公司，四川 成都 610000)



下穿既有高铁桥梁泡沫混凝土公路路堤研究

刘 彦 玲

(四川公路桥梁建设集团有限公司大桥工程分公司，四川 成都 610000)

利用有限元软件，分开挖、回填和运营三阶段建模，对泡沫混凝土与常规填料填筑路堤对既有高铁桥梁的影响进行了分析，结果表明采用泡沫混凝土路堤型式可明显减小既有桥墩的沉降量、差异沉降量、纵横向变形。

下穿高铁桥梁，泡沫混凝土，公路路堤

随着铁路和公路网的完善，将会遇到新建高速公路下穿既有高速铁路桥梁的问题。新建公路施工和运营时产生的恒载和活载均会对基础土层产生附加应力，引起既有桥梁基础产生垂直和水平变形。同时施工设备(如压路机、运料车等)施工时亦会增加桩基础变形，存在桥墩受撞击的风险[1,2]。因此，迫切需要一种减小既有高速铁路桥梁影响和施工风险的路堤填筑新工艺。

泡沫混凝土是近些年发展的一种新材料[3]，主要以水泥、掺合料等为主要胶凝材料，加入外加剂和水制成料浆，而后再与一定比例稳定气泡群混合搅拌形成流体，在施工现场浇筑、养护而成的含有均匀分布气泡的轻质混凝土材料[4]，具有自重轻、强度高、流动性好、环境影响低等优点[5]，已经从屋面保温层、地暖绝热层逐渐扩展到土木工程领域[6-8]。在本工点可采用泡沫混凝土填筑路堤结构时，可利用其专业施工设备，无干扰的特性，但其施工、运营时对既有高铁桥梁的影响效果尚不明确。

本文采用数值仿真技术，分开挖、回填施工和运营三阶段建模对比分析泡沫混凝土路堤与常规填料路堤在同一工点施工和运营时对既有高铁桥梁基础的附加影响。

1 工点概况

新建公路下穿高铁项目位于京九铁路永城段内，公路下穿既有高铁桥梁墩号P2与P3之间(48+80+48)m桥梁主跨内，道路中心线与铁路中心线相交，交叉角度为69°36′(见图1)。

1.1 高铁概况

既有高铁为无缝、无砟轨道线路，设计速度目标值为350 km/h。

既有桥梁桥墩为圆端形实体桥墩，墩高9.0 m～12.8 m，P1号墩、P4号墩采用12根直径1.0 m钻孔灌注桩基础，承台尺寸为7.6 m×10.4 m×2.2 m，桩长62 m，而P2号墩、P3号墩采用15根直径1.5 m钻孔灌注桩基础，一级承台尺寸为10.6 m×18.6 m×3 m，二级承台尺寸为7.6 m×12.4 m×0.5 m，桩长77 m。

1.2 下穿公路设计概况

新建公路为城市道路主干路，设计速度60 km/h，路面设计以BZZ-100为标准轴载，路面类型为沥青混凝土路面。其中新建公路横断面路幅布置：2.5 m(人行道)+4.5 m(非机动车道)+2 m(侧分带)+15 m(机动车道)+4 m(中央分隔带)+15 m(机动车道)+2 m(侧分带)+4.5 m(非机动车道)+2.5 m(人行道)，路幅总宽52 m。

1.3 工程地质条件

表1 各土层参数表

2 评估指标及安全评估标准限值

高铁桥梁的安全评估一般从结构及附属设施变形、结构强度等方面考虑，且一般采用变形作为主要控制指标。参考国内类似工程经验并结合理论计算分析，制定了变形控制指标及标准(见表2)。

表2 安全评估控制指标及限值 mm

3 有限元模型建立

根据相关文献，当计算模型平面尺寸与结构平面尺寸之比大于3～5时，边界效应对结构的静、动力反应影响已经很小。土体模型取值为宽度100 m，长200 m，土体深度85 m，其中清表开挖时处理深度为2 m，路堤与路面层高度为4 m。

利用确定的分层土的地质参数和土体计算模型尺寸，采用ABAQUA有限元软件建立三维有限元模型，计算模型如图2所示。

4 不同路堤型式公路下穿既有高铁桥梁影响分析

分开挖、回填施工和运营三阶段分析两种路堤型式施工与运营时，对既有桥梁的影响，其中F代表泡沫混凝土路堤，T代表传统常规填料路堤。

4.1 沉降量

图3为不同施工阶段墩台位置的沉降量，分析可知：清表开挖时，会出现应力释放，沉降量出现减小现象；两种路堤型式进行开挖和填筑时，P2墩,P3墩由于距离公路较短，受到的影响较大，而P1墩,P4墩距离较大，影响较小；由于两种路堤型式施工开挖时，采用相同的开挖的深度，则同一桩基位置影响相同；由于泡沫混凝土填料的密度约为常规填料的1/3倍，产生的附加应力明显减小，从开挖完成阶段到回填施工完成阶段，泡沫混凝土路基施工时，P2墩,P3墩位置沉降量增加较小；在运营工况时，进行同等大小荷载施加时，泡沫混凝土由于弹性模量较大，对应力扩散作用更加明显，对桩基影响减小。

4.2 差异沉降量

不同施工阶段墩台位置的差异沉降量可见图4，在进行清表施工开挖时，差异沉降量达到最大值为1.691 mm，小于规范限值要求，在控制值范围内；同一墩位置的差异沉降量为相邻两桥面差异沉降的绝对值最大值，则P1和P2相同，P3和P4相同。

4.3 横向水平变形量

图5为不同施工阶段墩台顶部横向水平变形量，分析可知：回填施工和运营阶段，采用泡沫混凝土填筑路堤与常规填料相比，横向水平变形量明显减小，当采用泡沫混凝土材料填筑路堤时，横向水平变形量最大值出现在P3墩位置，为0.738 mm，而采用常规填料填筑时，P2墩位置叠加初始设计值后的横向水平变形量最大值为-0.918 mm，均满足上海铁路局横向水平变形的限值要求。

4.4 纵向水平变形量

图6为不同施工阶段墩台顶部纵向水平变形量，分析可知：采用泡沫混凝土填筑路堤可明显减小各墩顶位置的纵向水平变形量；当采用常规填料填筑路堤时，P3墩顶位置的纵向变形量最大，达到11.808 mm，约为泡沫混凝土填筑时的2倍。

5 结语

本文通过利用ABAQUS有限元软件，采用变形为控制指标，分开挖、回填施工和运营三阶段建模对比分析泡沫混凝土路堤填筑与常规填料路堤在同一工点施工和运营时对既有高铁桥梁基础的附加影响，得到如下结论：

1)采用两种路堤型式施工与运营时，在该工点对既有桥梁的影响均满足要求。2)采用泡沫混凝土路堤型式可明显减小既有桥墩的沉降量、差异沉降量、横向水平变形量和纵向水平变形，保证更高的安全系数，可作为优选的路堤结构型式。

[1] 高世强.高速铁路桥梁桥下新建公路工程的安全性分析[J].铁道标准设计,2015,59(4):63-67.

[2] 李 悄,孙宗磊,张 军，等.软土地区新建公路下穿既有高速铁路影响分析及对策[J].高速铁路技术,2013(1):26-30.

[3] 何国杰,郑颖人,杨晨曦.气泡混合轻质土的吸水特性和抗冻融循环性能[J].后勤工程学院学报,2008,24(4):6-8.

[4] 唐 明,徐立新.泡沫混凝土材料与工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2013.

[5] Watabe Y, Noguchi T. Site-investigation and geotechnical design of D-runway construction in Tokyo Haneda Airport[J]. Soils and foundations,2011,51(6):1003-1018.

[6] 谷亚新,王延钊,王小萌.不同工艺泡沫混凝土的研究进展[J].混凝土,2013(12):148-152.

[7] 李英姿.气泡混合轻质土在加固软土地基中的应用[J].岩土工程界,2008,11(4):66-68.

[8] 张小平,包承纲,李进军.泡沫轻质材料在岩土工程中的应用[J].岩土工程技术,2000(1):58-62.

Study on the foam concrete road embankment passing bellow existing high-speed railway bridge

Liu Yanling

(MajorBridgeBranchCompany,SichuanRoad&BridgeConstructionGroupCo.,Ltd,Chengdu610000,China)

The finite element software were used in this article to comparison and analysis of the three stages of excavations, backfill construction and operation of the foam concrete road embankment and the conventional embankment the influence on the existing bridge. The following conclusions were got. The foam concrete embankment can significantly reduce the settlement and differential settlement of bridge piers, lateral horizontal deformation and vertical deformation, guaranteeing the high safety coefficient.

passing below high-speed railway bridge, foam concrete, road embankment

1009-6825(2017)18-0144-02

2017-04-12

刘彦玲(1987- )，男，助理工程师

U416

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