大面积堆土荷载对既有高铁桥梁桩基承载性能影响分析

2020-06-08王崇淦蒋志琳朱禹陈晓斌

铁道科学与工程学报 2020年5期

王崇淦，蒋志琳，朱禹，陈晓斌

王崇淦1，蒋志琳1，朱禹2，陈晓斌2

(1. 湖南中大设计院有限公司，湖南长沙 410075；2. 中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

大面积堆载造成的土体沉降是影响既有高铁桥梁桩基承载性能的主要原因。以合安高速铁路某桥梁桩基周边堆载为案例，采用FLAC3D有限差分数值计算方法，计算堆土高度、堆土距离、单侧和双侧土体堆载等工况下高速铁路桥墩顶位移。通过计算分析，揭示双侧堆载比单侧堆载对既有高铁桥梁桩基承载性能影响更大的规律，并提出临界堆土距离参考值。

高铁桥梁；桩基工程；堆土荷载；临界距离；附加变形

在高速铁路沿线两侧堆放工程弃土形成弃渣场，这种大面积堆土荷载对既有高铁桥梁桩基的危害应该引起足够的重视。因为堆载打破了高速铁路线下原有的土体受力平衡，引起土体的应力重分布。还有，堆土引起桩身周围产生负摩擦阻力，引起桩身轴力增加并产生不均匀沉降。因此，在高速铁路附近大面积堆载可能引起严重的安全问题。目前，针对堆载对既有桩基承载性能的影响方面开展了一些研究。比如，董亮等[1]进行了大面积单侧堆载对高铁桥梁墩台影响的数值分析，揭示了大面积单侧堆载是桥梁桩基产生水平位移的主要原因。黄清[2]采用FLAC3D软件模拟了堆土对被动桩的空间变形和受力状态的影响，结果表明堆载使桥墩产生水平位移。顾津申[3]分析了临界高铁土体堆载对桥梁墩柱沉降变形的影响。聂如松等[4]针对软土地基附近堆载的情况，分析了堆载对桥墩变位的影响。闫澍旺等[5]分析了不同的堆土高度对桥梁墩柱的沉降和水平变位以及桥梁基础地基塑性区的发展情况的影响。冯忠居等[6]跟踪观测了堆载引起桥梁墩台与基础的变位性状。马远刚等[7]采用有限差分法研究了堆载对桥梁被动桩的影响。Stewart等[8]设计了在软土层堆土环境下的桥梁桥台，提出了经验设计图表。李雪峰等[9]归纳总结了路基堆载下软土侧向位移对桥台桩基的影响综述。刘俊飞[10]针对既有线铁路外侧堆土，研究了堆土对路基沉降的影响，提出了外侧堆土对土对路基沉降的影响机理和沉降变形估算方法。可以看出，大面积堆载造成的土体沉降是影响既有高铁桥梁桩基承载性能的主要原因。目前对高速铁路下大规模堆载下产生的墩台附加变形问题以及堆载的临界距离尚未有较为深入的研究。本文以合安高铁某桥梁附近大面积堆土工程为依托，(最大堆土面积为100 m×55 m)对比分析单侧和双侧堆载(双侧对称式堆载)对桥梁附加变形的影响，评估不影响高铁运行安全的临界堆土距离，给实际工程提供参照。

1 数值计算方法

1.1 案例概况

合安高速铁路某桥梁速度目标值350 km/h，由于高铁周边河道工程施工弃土需求，在该桥梁附近将堆放大量的工程弃土，堆载土体位于该桥58号~59号桥墩附近。该段桥梁为32.6 m的简支梁，桥墩高为20.4 m，桥台长宽高分别为10.5，6.8和2.5 m，桩基础采用10根直径1 m的钻孔灌注桩， 58号墩桩长为29.5 m，59号墩桩长28.5 m。桥梁、桩基布置图和堆土场布置如图1所示，可以看出从上到下土层依次为粉质黏土、全风化混合花岗岩、强风化混合花岗岩。

(a)桥梁布置；(b)基础及堆土场布置平面图

1.2 数值计算模型

堆土距离指堆载土体坡底距离桥墩底部的距离。为了分析单侧、双侧土体堆载、堆土高度、堆土距离等工况下对既有高铁桥梁桩基承载性能影响，使用FLAC3D有限差分数值计算软件，建立三维数值计算模型，如图2所示。

(a)单侧堆载模型；(b) 双侧堆载模型；(c)基础结构

三维数值计算模型的尺寸为：100 m×100 m×130 m。图中轴正方向指向高铁前进方向，轴正方向指向堆土前进方向，轴正向竖直向上。计算模型采用位移边界条件。土层采用实体单元，摩尔库伦本构模型；桥墩、承台采用实体单元，弹性本构模型；桩基采用桩结构单元。从合安高铁线现场取得土样，并通过室内三轴试验确定了土体参数用于计算分析，计算参数见表1所示。

考虑实际情况，为了分析堆载对高速铁路桥梁墩顶附加变形的影响，工况包括地应力平衡、加载桥墩承台、加载桥梁上部荷载和加堆土荷载。

1.3 数值计算方案

为了分析单侧、双侧土体堆载、堆土高度、堆土距离等工况下，对既有高铁桥梁桩基承载性能影响分析，设计的计算方案见表2所示。

表1 计算力学参数

表2 计算工况简介

2 单侧堆载计算结果分析

2.1 墩顶附加变形

单侧堆载工况下，不同堆土高度及不同堆土距离下典型的桥墩累积变形云图见图3所示。

单位：mm

由图3可以看出，大面积单侧堆土荷载下，58和59号桥墩的附加变形表现出一致性。图4为单侧堆载下58号桥墩顶附加变形在不同的堆土高度下随堆土距离的变化结果。

由图4可以看出，方向和方向墩顶附加变形随着堆土高度的增大和堆土距离的靠近均有所增大，但增长的幅度较小，方向墩顶附加变形在堆土距离小于15 m时有较为明显的增长趋势。这是由于在大面积单侧堆载情况下，随着堆载土体靠近桥墩底部，堆土荷载造成的土体水平位移的影响逐渐增大。

2.2 安全距离建议

由于大规模堆载造成的上部结构变形过大会严重影响高铁的运行平顺性和安全性，因此需要制定临近桥墩的沉降值控制标准。目前对于相邻桥墩的沉降值控制标准，通常用允许位移值控制，既要满足承载力要求，又要满足上部结构的允许沉降值。根据工程实践和经验总结，本工程中桥梁墩台墩顶位移建议限值可按表3所示。

(a) X方向；(b) Y方向；(c)Z方向

表3 无砟轨道桥梁墩台墩顶位移建议限值

依据本项目计算结果，得知在大面积堆载下土体竖向沉降是影响高速铁路桥梁墩顶附加变形的主要原因，在不考虑边坡失稳的情况下，只考虑累积变形对安全性的影响，方向累积变形随着堆土距离和堆土高度变化见图5所示。

(a) 58号墩；(b) 59号墩

综合图5中墩顶附加变形的影响，单侧堆载时临界堆土距离如表4所示。

表4 单侧堆载下临界堆土距离建议值

3 双侧堆载计算结果分析

3.1 墩顶附加变形

双侧堆载工况下，不同堆土高度及不同堆土距离下典型的桥墩累积变形云图如图6所示。

由图6可以看出，大面积双侧堆土荷载下，58和59号桥墩的附加变形仍表现出一致性。图7为双侧堆载下58号桥墩顶附加变形在不同的堆土高度下随堆土距离的变化结果。

由图7可以看出，双侧堆载下方向、方向墩顶附加变形均较小。这是由于在桥墩两侧堆载土体对称分布，两侧土体对墩顶横向和纵向附加变形的影响相互抵消。方向附加变形随堆土高度和堆土距离的变化明显，仍可认为双侧大面积堆载下，堆载造成的土体沉降仍是影响高速铁路桥梁墩顶附加变形的主要原因。

单位：mm

3.2 单侧和双侧堆载结果对比分析

为了分析单侧堆载和双侧堆载的不同，图8给出了58号桥墩在5 m堆载高度下单侧和双侧堆土时墩顶附加变形随堆土距离的变化情况。

由图8可以看出，相比于单侧堆载，双侧堆载对墩顶横向和纵向附加变形的影响较小，故在实际堆载中，可以通过优先对称堆载来减少桥梁横向和纵向附加变形。

3.3 安全距离建议

双侧堆载下方向累积变形随着堆土距离和堆土高度变化见图9所示。

(a)X方向；(b)Y方向；(c)Z方向

(a) X方向；(b)Y方向；(c)Z方向

(a) 58号墩；(b) 59号墩

综合考虑墩顶附加变形的影响，双侧堆载下各个堆土高度下的临界堆土距离建议值如表5所示。

表5 双侧堆载下临界堆土距离建议值

4 结论

1) 在大面积堆载情况下，堆载造成的土体沉降是影响高速铁路桥梁墩顶附加变形的主要原因。正式施工前，必须进行单项工程评估。

2) 大面积单侧堆载时，建议堆土高度3，5，7和9 m的临界堆载距离为15，20，30和40 m。

3) 单侧堆载对高速铁路桥梁附加变形的影响更大，建议优先双向堆载，降低桥梁水平位移。

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Analysis of influence of large-area soil load on bearing capacity of existing high-speed railway bridge pile foundation

WANG Chonggan1, JIANG Zhilin1, ZHU Yu2, CHEN Xiaobin2

(1. Hunan Zhongda Design Institute Co., Ltd, Changsha 410075, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Soil settlement caused by large-scale pile loading is the main reason affecting the bearing capacity of existing high-speed railway bridge pile foundation. This paper took the case of the pile soil around the pile foundation of a high-speed railway in He’an, using FLAC3Dfinite difference numerical calculation method. The displacement of high-speed railway piers was calculated under the conditions of different pile height, pile distance, single side and double side soil load. Through the calculation and analysis, it is revealed that the double-side pile soil has a greater influence on the bearing capacity of the existing high-speed railway bridge piles than the one-side pile soil, and the critical soil distance reference value is proposed.

high-speed railway bridges; pile foundation engineering; pile soil load; critical distance; additional deformation