新建桥运营状态下对邻近高铁桥基础水平变形的影响分析

方淑君，张利勇，刘神斌，徐新桐，王涛

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 中国联合工程有限公司，浙江 杭州 310051)

截止到2019 年底，中国铁路的营业里程达到13.9 万km，其中高铁增加到3.5 万km，为世界第一。随着铁路线路的大量建设，部分线路节点上出现了新建桥与既有桥存在交叉或并行的状况。而周边新建桥梁的施工与运营均会对既有桥产生相当的附加变形影响，处理不当则很有可能影响既有线路高铁桥梁结构安全。桩基础能将上部结构较大的荷载通过桩穿过软弱土层传递到较深的坚硬岩土层上，具有承载力高、沉降量小且均匀、沉降速率缓慢等特点，并且可以承受较大的水平荷载和动力作用而成为高速铁路桥梁基础的主要类型[1]。当新建的铁路桥梁采用桩基础时，会将上部荷载传递至更深的土层中进而影响临近的既有桥梁。对于研究较多的临近基坑开挖施工的研究中已经得出开挖越深地应力范围变化越大，对临近结构的影响越大的结论[2−5]。所以新建大跨度桥的群桩基础可能产生更大的影响，更具有研究价值。针对桩基础数值分析，国内外学者均开展了大量研究。ROWE 等[6]采用有限元法分析了影响桩基础桩侧阻力的主要因素，LEONG 等[7]采用有限元法分析了影响桩基础桩侧阻力的主要因素。周红波[8]采用有限元法分析了桩侧泥皮与桩底沉渣对桩基承载力的影响，黄向平[9]采用有限元软件ABAQUS 建立桩土模型研究了桩基础负摩擦力的问题。曹艳梅等[10]基于建立“桥墩−承台−桩基础−土层”模型对既有铁路桥行车受到紧邻施工的影响做了预评价。本文中新建桥作为荷载作用处在既有桥的横桥向位置，所以对横桥向附加水平位移的影响较大。本文重点研究运营状态下新建桥对既有桥桩基础横桥向附加水平变形的影响。

1 有限元分析

1.1 弹塑性本构理论

岩土的应力应变曲线具有着非线性、弹塑性以及剪胀性等诸多特点，这种复杂的材料特性在进行数值模拟时是不可能面面俱到的。在ABAQUS 中，土体的弹塑性本构需要将弹性本构模型与塑性本构模型分开定义，计算的时候一同起作用。本文中的桩基础、承台这些混凝土结构采用各向同性弹性模型。考虑到各个本构模型的适用性与研究目的，土层采用各向同性弹性模型与Mohr-Coulomb 模型共同作用形成弹塑性本构模型。基于广义胡克定律的各向同性弹性模型应力—应变的表达式见式(1)。

其中，E为弹性模量；v泊松比；G为剪切模量。

Mohr-Coulomb 模型的屈服准则为剪切破坏准则，也可以设置为受拉破坏准则。Mohr-coulomb剪切屈服面函数表达式为：F=Rmcq-p⋅tanφ-c= 0；在设置为受拉破坏准则时采用Rankine 准则：Ft=Rr(Θ)q-p-σt= 0。该模型中的屈服面如图1所示。

图1 Mohr-Coulomb模型中的屈服面Fig.1 Yield surface in the Mohr-Coulomb model

1.2 工程概况及模型计算参数

本文选取某实际高铁桥做数值模拟，根据钻探结果，各岩层按其成因和时代主要有：人工填土，第四系全新统海陆交相互沉积层，冲积层，残积层，细砂岩以及沙砾岩。其中中间层的第4系全新统海陆交相互沉积层中含有压缩性高、承载力低的软土层。

既有线主桥是跨径为(91.2+160+91.2) m 刚构桥。新建桥梁由于受到空间及线路限制须与既有桥在位置上存在并行关系，X方向为桥梁的纵桥向。群桩基础尺寸和桩编号见图2，其中A，B，C排桩为后、中、前排桩。既有桥所在线路为高速铁路线路，移动荷载采用ZK 荷载，新建桥所在线路为客货两用线路，移动荷载采用ZH 荷载。利用Midas Civil建模计算既有桥与新建桥在运营期的最大桥墩静载反力作为ABAQUS中的墩底荷载条件。墩底反力见表1。

图2 新旧桥群桩基础布置图及桩编号Fig.2 Pile foundation layout of old and new bridge group and pile number

表1 新旧桥运营期最大桥墩反力Table 1 Maximum pier reaction force during operation of old and new bridges

考虑到混凝土的弹性模量以及屈服强度远大于土体，模型不考虑钢筋。群桩基础结构材料参数见表2。

表2 新旧桥梁群桩基础结构材料参数Table 2 Structural parameters of pile foundation for old and new bridges

由于工程现场地层相对复杂，需要对性质相近的土体进行合并[11]，本文将土层简化为5 层具有代表性的土层[12]。各土层物理力学计算参数见表3。

表3 土层物理力学参数Table 3 Soil physical and mechanical parameters

1.3 有限元计算模型

采用ABAQUS 建立有限元计算模型，见图3。单桩荷载的轴对称传递分析中，可在水平上的宽度取桩的半径的20～30倍[13]，在竖向取2倍的长桩桩长[14]。本文模型取群桩基础外侧的宽度25 m，竖向厚度取值为50 m。新旧群桩中心距设为15 m，并讨论中心距取15～25 m 对结果的影响。本文采用C3D8R 实体单元。桩侧与土体建立硬接触和摩擦因数为0.35 的摩擦接触，桩底与土体建立Tie 接触。模型四周采用法向位移约束，底面采用竖向约束。采用变尺度结构网格划分，与桩接触的土层局部网格加密。采用ODB 导入法进行地应力平衡，保证模拟土层有初始应力无初始应变的状态,这是准确进行岩土工程数值计算的先决条件[15]。

图3 群桩桩基础及地基总体模型Fig.3 General model of group pile foundation and foundations

2 横桥向水平附加变形计算结果

2.1 桩底横桥向附加水平变形计算结果

既有桥群桩桩底平面以及桩底横桥向(Y方向)附加水平变形见图4和图5。

图4 既有群桩桩底横桥向附加变形Fig.4 Additional deformation of existing bridge pile bottoms across the bridge

图5 既有群桩桩底面横桥向附加变形Fig.5 Additional deformation of existing bridge pile bottoms across the bridge

作用在土体上的竖向力使得桩底土向下沉降和横向变形，既有桥前排桩向着新建桥一侧水平变形。而群桩基础整体除了平移变形外还发生了转动变形，使得中后排桩桩底有正值的附加水平变形，后排桩距离转动中心更远而发生了比中排桩更大的横桥向附加水平变形。

2.2 桩顶横桥向附加水平变形计算结果

桩顶横桥向附加水平变形直接影响承台从而影响上部结构，同时桩顶因为受到水平向刚度较大的承台的约束而更加的一致。既有桥桩顶点与桩顶平面的横桥向附加水平变形见图6和图7。

图6 既有桥桩顶横桥向附加变形Fig.6 Additional deformation of existing bridge pile tops across the bridge

图7 既有桥桩顶面横桥向附加变形Fig.7 Additional deformation of existing bridge pile tops across the bridge

横桥向附加水平变形最大的桩C1 桩底达到了16.1 mm，最小的桩A3 也有15.0 mm。说明在承台的协调作用下，桩顶处整体向着新桥所在的横桥向发生着附加水平变形。

2.3 桩身横桥向附加水平变形计算结果

同一根桩桩顶底横桥向附加变形有着很大的差距，对桩身各点的横桥向附加变形进行分析，既有桥9 根桩基桩身横桥向附加变形值如表4 所示，0 m，−20 m分别代表桩顶与桩底位置。

表4 既有桥桩身各点横桥向附加变形值Table 4 Additional cross-bridge deformation at each point of existing bridge piles

既有桥前中后3排桩排内各桩有着相似的变形情况，但是不同排的桩基变形大不相同，说明既有桥桩基在新建桥运营期受到的影响大小与形式主要和距离新建桥远近相关。选取A1，B1，C1为代表绘制既有桥桩身横桥向附加变形图，见图8。

图8 既有桥基础横桥向附加变形Fig.8 Additional deformation of existing bridge foundations across the bridge

各桩桩顶在承台的约束下有接近的水平位移与整体倾斜，而桩底横桥向附加变形的值都较小且中后排桩的变形方向相反。原因是前排桩对中后排的遮挡作用以及承台的转动。

由图9 可见，桩C1 桩身中部发生了很大的弯曲变形，有5.05′的弯曲转动。桩B1 与桩A1 整体发生了转动但局部弯曲较小。因此，要重点考虑桩顶与承台产生的附加转动和前排桩桩身局部弯曲。

图9 既有桥桩身横桥向附加变形Fig.9 Additional deformation of existing bridge piles in cross-bridge direction

3 新旧桥基础间距对既有桥基础附加变形的影响

在15～25 m 间距下，既有桥各桩桩底横桥向附加变形数据见表5与图10。

表5 不同新旧桥基础中心间距下既有桥桩底横桥向附加水平变形值Table 5 Horizontal deformation of existing bridge pile bottoms under different center distances of old and new bridge foundations

图10 不同新旧桥基础中心间距下既有桥桩底横桥向附加变形Fig.10 Additional transverse deformation of existing bridge pile bottoms under different center distances of old and new bridge foundations

新旧桥间距增加，前中后排桩变形值均减小。在增加相同间距时，前排桩的附加水平变形减小量最大，中排桩与后排桩次之。由图10 可见，随着新旧桥间距增加，横桥向附加水平变形在减小且在间距达到21 m后趋于稳定。

在间距15～25 m 下，既有桥各桩桩顶横桥向附加水平变形数据见表6与图11。

表6 不同新旧桥基础中心间距下既有桥桩顶横桥向附加水平变形值Table 6 Horizontal deformation of existing bridge pile tops under different center distances of old and new bridge foundations

图11 不同新旧桥基础间距下既有桥前排桩桩顶横桥向附加变形Fig.11 Additional transverse deformation at the top of piles in front rows of existing bridges under different center distances of old and new bridge foundations

既有桥桩顶横桥向附加水平变形程度随着新旧桥间距增加有着显著的降低，呈现出了在快速地减小后趋于稳定的规律。由于承台的约束作用，各排桩附加变形值都很接近。

不同新旧桥基础间距下各桩桩顶底横桥向附加水平变形差值见表7。在新旧桥间距14～19 m时，增大新旧桥间距，既有桥桩顶的横桥向附加变形显著减小。新旧桥间距大于19 m 后，既有桥桩顶横桥向附加变形变化较小趋于平缓。

表7 不同新旧桥基础间距下既有桥桩顶底横桥向附加水平变形差值Table 7 Additional horizontal deformation difference between the top and bottom of existing bridge piles under different center distances of old and new bridge foundations

4 不同桩长下新建桥对既有桥基础附加变形的影响

新建桥桩长14～30 m 下既有桥各桩桩底横桥向的附加变形数据见表8。各桩的桩底横桥向附加水平变形随着新建桥桩长的增加而不断地减小。增加新建桥的桩长可以减少既有桥中后排桩受到的横桥向附加水平变形。新建桥桩长在小于或大于既有桥桩长的范围内增加桩长均减少对既有桥前排桩的横桥向附加水平变形影响。

表8 新建桥不同桩长下既有桥桩底横桥向附加水平变形值Table 8 Additional horizontal deformation of existing bridge pile bottoms under different pile lengths of new bridge

既有桥前排桩桩底横桥向附加水平变形与新建桥桩长的关系见图12。

图12 新建桥不同桩长下既有桥部分桩桩底横桥向附加变形Fig.12 Additional deformation of existing bridge pile bottoms under different pile lengths of new bridge

随着新建桥桩长的增加，桩A1 的桩底横桥向附加水平变形在不断地减小。说明新建桥桩长的增加可以将荷载进行更加深度的传递而减少了对既有桥后排桩桩底横桥向附加水平变形影响。随着新建桥桩长的增加，桩C1 桩底横桥向附加水平变形迅速减小，接着出现较大的反向变形，然后反向变形不断减小。桩B1与桩C1相似，但幅度较小。这说明既有桥前排桩对中后排桩在桩底横桥向附加变形上有明显的遮挡效应，即前排桩对周边荷载的变化有更加敏感的横桥向附加变形响应，同时削弱了中后排桩受到的影响。

新建桥桩长14～30 m 下既有桥各桩桩顶横桥向的附加变形数据见表9。各桩的桩顶横桥向附加水平变形随着新建桥桩长的增加而不断地减小。增加新建桥桩长可以显著降低既有桥桩顶横桥向附加变形。

表9 新建桥不同桩长下既有桥桩顶横桥向附加水平变形值Table 9 Additional horizontal deformation of existing bridge pile tops under different pile lengths of new bridge

既有桥第一排桩横桥向附加变形与新建桥桩长的关系见图13。随着新建桥桩长的增加，既有桥桩顶受到的横桥向附加水平变形影响在持续的减小且最后趋于平缓。为了减少既有桥桩顶受到的横桥向附加水平变形影响，可以适当的增加新建桥桩长。

图13 新建桥不同桩长下既有桥部分桩桩顶横桥向附加变形Fig.13 Additional deformation of existing bridge pile tops under different pile lengths of new bridge

新建桥不同桩长情况下，既有桥各桩桩顶底横桥向附加水平变形差值见表10。随新建桥桩长的增加，既有桥中后排桩基桩身的弯曲变形即桩顶底横桥向附加变形差值在不断降低，应注意需要避开选择稍大于既有桥桩长的长度(本文案例为24 m)可能对既有桥前排桩产生的不利的横桥向负向附加变形。

表10 新建桥不同桩长下既有桥桩顶底横桥向附加水平变形差值Table 10 Additional horizontal deformation difference between the top and bottom of existing bridge piles under different pile lengths of new bridge

5 结论

1) 在新建桥荷载的影响下，既有桥桩基础桩顶向着新建桥方向变形，而由于水平变形和承台转动的共同作用，各排桩桩底水平变形有可能不同方向。本例中前排桩与中、后排桩变形方向相反。

2) 既有桥前排桩对中后排桩在横桥向有着明显的遮挡效应，即横桥向附加水平影响在桩底平面主要作用在前排桩。在新建桥荷载作用下，各排桩均产生了整体转动，并且前排桩桩身中部有较大的局部弯曲变形。

3) 增大新旧桥中心间距可以减少桩顶底及桩身的横桥向附加水平变形，且随着间距增大，横桥向附加水平变形趋于稳定。

4) 增大新建桥桩长可以减少既有桥桩的横桥向附加水平变形，但需要避开选择稍大于既有桥桩长的长度可能对既有桥前排桩产生的不利的横桥反向附加变形。

5) 采用三维弹塑性有限元法可以有效分析新建桥对既有高铁桥基础的影响，对选取经济合理的方案有指导意义。