邻近堆载作用下高铁桥基群桩变形特性数值研究

2020-08-10李友元王新浪王震南

水利规划与设计 2020年8期

李友元，王新浪，王震南

(1. 中铁二十四局集团有限公司，上海 200070；2. 河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098)

根据《中长期铁路网规划》，我国铁路网规模至2025年将达到17.5万km，其中高速铁路3.8万km左右，形成以“八纵八横”主通道为骨架、区域连接线衔接、城际铁路补充的高速铁路网[1]。“八纵八横”高速铁路网，即以沿海、京沪等“八纵”通道和陆桥、沿江等“八横”通道为主干、城际铁路为补充的高速铁路网[2]。东部沿海地区经济发达，人口和建筑密集，沿海地区广泛分布着软土[3- 4]。而高速铁路桥梁基础以群桩基础为主，在软土层深厚的沿海地带，邻近既有线路的施工往往会造成高铁桥基产生变形，导致轨道平顺性发生改变[5- 6]。

因受前期征迁工作滞后的影响，沿海地区高速铁路现正处于工期短、任务重的关键时期，常采用连续满堂支架方案进行现浇轨道梁施工[7]。连续满堂支架施工法将现浇梁体荷载直接作用于地基土上，会引起地基土体的变形和应力改变[8- 9]。由于沿海地区软土具有高压缩性、高含水量、低强度和流变性等工程性质，软弱土层在堆载作用下会产生竖向变形和侧向挤出变形，使邻近既有桥基受到侧向附加荷载及竖向摩阻力作用，影响既有桥梁桩基的正常工作性状[10- 12]。软土地基堆载土体会发生大变形，仍然采用线弹性本构模型计算会不符合实际情况，且软土体会发生固结作用对桩基的影响不可忽视[13]。数值模拟快捷方便，可以考虑土体弹塑性本构、软土固结、复杂的边界条件，能够真实模拟桩和土体的几何形状及力学性能，桩-土相互作用关系，使软土地基上堆载对桩基的影响计算更加可靠[14- 15]。本文将采用理想弹塑性本构模型并考虑土体固结，研究邻近堆载对群桩变形的影响，并通过模拟分析指出堆载大小和堆载距离的极限值。

1 工程概况

浙江省某既有高速铁路客运专线建于松软土质的农田上，其邻近位置新规划一条高铁路线，最近距离仅有20 m。该路线工程为高架工程，属一级重要建筑，全段采用连续满堂支架方案进行现浇轨道梁施工。连续满堂支架将现浇梁体荷载直接作用于地基土上，会引起地基土体的变形和应力改变，软土地基邻近堆载作用下桩土相互作用示意图如图1所示。

图1 桩土相互作用示意图

2 数值模型

根据现场实际工程概况，本文建立了全尺寸三维有限元模型。其中主要包含了土体、既有高铁群桩-承台及新建城际铁路群桩-承台三个部件，堆载范围较大，为了避免边界条件的影响，模型长度范围取200 m，宽度取150 m，厚度取90 m。选取既有高铁取一跨进行计算，堆载取两跨进行计算。

有限元计算模型尺寸及网格划分如图2所示。网格采用结构化(Structured)划分技术，数值模拟中需要考虑地下水位对群桩变形的影响，土体单元需要选用拥有孔压自由度的三维八节点线性单元(C3D8P)，群桩-承台单元类型为三维八节点减缩积分单元(C3D8R)。桩周土体及堆载至群桩-承台范围内土体网格划分较密，其余处土体网格尺寸划分较大。

图2 有限元计算模型尺寸及网格划分情况

3 结果分析

3.1 群桩承台位移

堆载过程中承台位移如图3所示。其中JD代表水平位移测点，JH代表竖向位移测点，1、3侧为靠近堆载，横桥向水平位移正值表示向远离堆载方向位移，顺桥向水平位移正值代表向大里程桥基方向运动(1#至2#)，竖向位移正值代表沉降。取承台两侧测点比较发现，水平位移类似，而竖向位移呈现相反的趋势。靠近堆载侧基桩发生沉降变形，而远离堆载侧承台位移变化趋势不明显。

图3 承台测点位移

加载过后承台产生了显著的位移，而间歇阶段内水平位移有所缓解，原因是间歇阶段堆载产生的超孔隙水压力消散，土体侧向位移减小。其中加载2分析步对应第一跨加至80 %箱梁荷载，第二跨加至50 %箱梁荷载，加载量较大，同时此阶段内产生的水平位移也最大。2#桥基对应第二跨加载，故水平位移要小于1#桥基，但是当全部荷载施加完成后，两者水平位移相同。这说明承台水平位移的变化与加载步骤关系不大，与最终加载量影响关系较大。模拟与实测值对比见表1，模拟值要大于实测值，但总的规律类似。模拟发现桥基顺桥向也会产生水平位移，相当于桥基往堆载外侧发生一定的位移。

表1 承台位移模拟与现场实测值对比

3.2 堆载极值

满堂支架施工箱梁对邻近桥基变形影响如图4所示。符号规定如下：弯矩值以靠近堆载侧桩基受压为正，轴力值以压为正，拉为负，水平位移以远离堆载侧为正，水平附加应力以压为正。由图4可知，附加轴力为加上堆载后与不加堆载时基桩轴力的比较值，中排桩与后排桩桩身出现轴力减小，而前排桩下半部分轴力增加，端阻力也同时增加，导致了靠近堆载侧承台发生沉降变形。由于基桩产生了水平变形，其承载性能会发生改变，高铁基桩轴力虽有了一定的改变，但是总的变化量不大。

图4 堆载对群桩变形影响

由图5可知，当侧向堆载总荷载为8800 kN时，承台远离堆载方向水平位移为2.2mm，墩台顶顺时针转角位移为0.5mm，将平移位移与转角位移组合后桥墩墩台顶总的水平位移为1.7mm，接近于规范规定的位移限值。当邻近堆载边缘距离承台边界净距为24m时，其堆载极限荷载为Qs=8800kN，相当于2.5倍箱梁自重。根据如图6所示Qs-△s/△Qs曲线确定堆载极限荷载，若以曲线明显陡降的起始点对应的荷载作为堆载极限荷载，则Qs=7000kN。

图5 不同堆载荷重下Qs-s曲线

图6 不同堆载荷重下Qs-△s/△Qs曲线

3.3 堆载极限距离

距堆载边界处不同距离处的土体水平位移如图7所示。土体最大水平位移出现在6～18m深度处，随着距堆载边界距离的增加，土体水平位移逐渐减小，最大水平位移极值点深度降低。

图7 距堆载边界处不同距离处的土体水平位移

参照现场工程实际工况，在邻近堆载作用下，不同堆载距离引起的既有桩基承台位移与前排桩桩身变形变化如图8所示。由于承台不均匀沉降产生的转角为顺时针方向，将墩台顶的水平平移位移与转角位移组合后，总的水平位移量将会减小。以桩身水平位移与承台位移曲线明显陡降的起始点对应的距离为确定堆载极限距离的标准，并且控制桩身最大水平位移≤2.0mm，由计算结果分析可知堆载极限距离S=16m，即实际施工过程中应控制堆载边界距既有高铁桥基承台边缘极限距离为16m。