南昌二元地层便道荷载对邻近桥梁桩基的影响

2021-11-15丁志文张艺瀚车东霖王加俊

华东交通大学学报 2021年5期

丁志文，马斌，张艺瀚，车东霖，王加俊

（1.中铁二局集团有限公司，四川成都 610032; 2.华东交通大学土木建筑学院，江西南昌 330013）

随着各种大型施工机械车辆及设备的投入使用，施工便道车辆荷载对邻近桥梁桩基变形影响越来越不可忽视[1]。尤其是邻近高铁线路的施工便道，其允许差异变形较小，为保证高铁线路的安全运营，更需对施工便道车辆荷载引起的邻近桥梁桩基变形及附加内力分布特性进行评估分析，以确定其是否满足工程安全要求[2-3]。

针对该类问题，目前国内外学者基于试验研究[4-5]、理论计算[6]和数值模拟[6-10]等方法分析了邻近堆载引起的既有桩基内力、变形特性。李雪峰等[4]通过现场试验研究，得出了路基堆载下软土地区的桩基侧向位移以及桥梁墩台的位移分布模式。刘晨彬[6]利用数值模拟及极限平衡法对比分析了桥墩桩基在复杂荷载下的桩基内力变化规律及桩体位移分布。 Ellise 等[7]通过有限元软件建立了桥台填土与桩基础相互作用的数值模型，分析了不同工况下桥台填土对桩基工作性状的影响。杨忠良[8]采用数值分析法研究了循环荷载作用下桩-土之间的作用关系，得到了循环荷载下土体蠕变的特性规律及不同参数对土体应力应变的影响程度。聂如松等[10]利用ADINA 有限元程序对荷载作用下排桩的受力性状进行了研究，并且根据现场实测的监测数据，对桥台群桩的受力性状进行了分析，得到了桩周土体压力的分布规律。

需要指出的是，目前有关邻近荷载对既有桥梁桩基影响的研究主要是针对软土地基，其相关研究结论并不适用于其他地质条件，有可能会高估土体变形大小及影响范围，从而导致不必要的额外施工费用。在已有的对于邻近桩基施工的数值模拟中，土体的本构模型往往多采用M-C 模型，没有考虑土体的小应变刚度特性，得到的结果往往偏大，尤其是对于离堆载区较远的区域，从而会进一步高估邻近土体变形大小及影响范围[11]。

鉴于此，依托新建昌景黄铁路近距离并行沪昆高铁项目，结合南昌地区典型二元地质条件，采用Plaxis 3D 有限元数值模拟软件，对岩石上部土体分别建立M-C 模型和HSS 模型，对比研究了施工便道车辆荷载对邻近地层的影响特性，分析了模型的适用性。在此基础上，进一步采用HSS 模型分析既有桥梁桩基的变形及内力分布规律，并通过绘制N-M 包络线对桩身内力进行了验算，可为以后南昌地区相关工程的施工提供指导。

1 工程概况

1.1 场地介绍

以新建南昌经景德镇至黄山铁路站前工程局部并行既有沪昆高铁段项目为背景，根据施工组织安排，需在既有沪昆高铁近接区域设置一条施工便道以满足施工作业要求。新建施工便道以原有便道为基础，其距离既有桥墩边缘最小距离为3.7 m。当既有便道宽度不足5 m 时，采取在便道外侧单侧加宽1.5 m，加宽部分采用厚0.5 m 建渣填筑。加宽后的施工便道路面宽度5 m，便道面层采用20 cm 厚建渣进行填筑。新建昌景黄铁路与邻近既有线位置关系包括并行和上跨，上跨邻近京九铁路和昌赣铁路，并行邻近杭长客专和向莆铁路，其示意图如图1 所示。施工便道与邻近既有线路位置示意图如图2 所示。

图1 新建线与邻近线位置关系Fig.1 Positional relationship between new line and adjacent line

图2 施工便道与邻近既有桥梁桩基位置示意图（单位：mm）Fig.2 Location diagram of the construction access and adjacent existing bridge pile foundation（Unit:mm）

由于施工便道车辆荷载会对邻近桩基产生不利的侧向挤压及差异沉降，为保证邻近高铁线路的安全运营，须对施工便道车辆引起的邻近桥梁桩基变形及附加内力分布特性进行分析，以确定其是否满足工程安全要求。

1.2 工程地质条件

南昌地质属河谷冲积平原，在垂直剖面上，地层由上部细砂或黏土组成的河漫滩沉积物和下部粗砂及砾石组成的河床沉积物所构成，上细下粗的地层沉积结构即为典型的二元地质结构，如图3所示。

图3 典型二元地质结构示意图Fig.3 Schematic diagram of typical binary strata

本段途经江西省南昌市南昌县地区，沿线为鄱阳湖平原及阶地地区，阶地地势较为平坦开阔，坡度起伏较小，相对高度差5～8 m。地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水。地下水主要来自地表水和大气降雨补给，以蒸发排泄为主，动态变化较大，埋深0～14 m，随季节变化，变幅约1～3 m。

2 三维有限元数值模型

2.1 三维模型

取典型断面进行数值分析，施工便道及其邻近既有高铁桥墩的承台桩基几何参数如图4 所示。采用三维有限元软件Plaxis 3D 分析施工便道对既有邻近桥梁桩基的影响特性。邻近既有桩基承台尺寸为10.2 m×4.8 m×2 m（长×宽×高），其下布置8 根直径为1 m 的混凝土灌注桩，桩长27 m，地下水位在地面以下2.0 m。

图4 邻近承台桩基分布及几何参数示意图（单位：mm）Fig.4 Schematic diagram of the distribution and geometric parameters of adjacent pile foundations（Unit:mm）

为保证模型边界条件对计算结果不产生影响，三维数值模型的几何尺寸为100 m×32 m×50 m （长×宽×高)，其中宽度方向32 m 为既有高铁线路单跨桥梁跨度。施工便道宽度为5.4 m，距离承台边缘1.5 m。

由于施工便道对既有高铁线路影响最为关键的部位为桥梁基础部分，在本文数值模型中不考虑桥梁墩台1 上部结构的影响，仅分析施工便道荷载对桥梁承台、桩基变形及内力的影响特性，而将上部结构等效为外加荷载作用在桥梁承台之上。三维有限元数值分析模型如图5 所示。

图5 三维有限元数值分析模型Fig.5 Three-dimensional finite element numerical analysis model

2.2 荷载条件

数值模型中荷载条件包括两部分：既有高铁桥梁上部结构及墩台作用在承台上的荷载及施工便道车辆荷载。根据黄珏鑫等[12]学者，对于前一部分荷载，跨度为32 m 的高铁桥梁，作用在承台的上部结构设计荷载大约为24 000 kN，将其换算为均布荷载，其大小约为490 kPa。施工便道作为混凝土罐车、吊车、挖机等设备的运输通道，考虑到表层建渣的荷载扩散作用，且为了安全起见，施工便道荷载按满铺均布荷载考虑，均布荷载值取40 kPa。

2.3 土层参数

为了分析不同土体本构模型的适用性，分别采用M-C 模型和HSS 模型对比研究施工便道车辆荷载对邻近地层的影响特性。在HSS 模型中，上部黏土及砂性土采用HSS 模型，考虑到下覆泥质砂岩受施工便道荷载影响较小，仍采用M-C 模型进行模拟。

为合理简化计算，根据现场钻探地质资料，在分析数值模型时，将施工场地的土层简化为6 个土层。依据地勘报告确定相关土层地质参数及混凝土材料参数，如表1 所示，其中南昌地区黏性及砂性土的HSS 模型参数取值方法参考王凌等[13]学者研究。

表1 HSS 模型各土层材料参数表Tab.1 Material parameters of each soil layer in HSS model

表2 与的参考经验关系Tab.2 The correlation between and

Soil Empirical relationship Normally consolidated clay （qc＜5 MPa） E50 ref ≈2Eoed ref Normally consolidated clay（10 MPa＜qc＜12 MPa） E50 ref ≈Eoed ref Normally consolidated sand（qc＜5 MPa） E50 ref ≈Eoed ref

式中：ρ 为土体密度；Vs为土体剪切波速。

由于原位测试的土体剪切波速试验影响因素较多，对于土体剪切波速的测试，采用土的共振柱试验及室内弯曲元试验进行测定。同时，为模拟结构物与土的相互作用，在桩侧及承台边界设置相应接触面，接触面参数与邻近土层参数一致。

2.4 模拟流程

为了合理模拟近距离施工便道对邻近既有桥梁桩基的影响特性，有限元模型分3 个步骤进行模拟分析，具体模拟流程如表3 所示。

表3 数值模拟流程Tab.3 Numerical simulation process

3 计算结果对比分析

3.1 邻近土体沉降特性

图6 为不同土体本构模型下施工便道荷载引起的周边土体沉降分布图。从图中可以很直观地看出：由于车辆荷载的影响，在施工便道及邻近区域内产生了明显的沉降槽；采用不同的土体本构模型，其所引起的土体沉降分布特性存在较大差异。总体而言，无论是土体沉降大小还是其影响范围，采用M-C 模型计算得到的结果均要大于HSS 模型。以图6（b）所示，采用M-C 模型进行计算分析时，在深度方向超过20 m 后，土体仍然产生了较为明显的沉降，影响深度过大，且在底部边界附近也存在一定变形，不符合施工经验。

图6 周边土体沉降分布图Fig.6 Settlement distribution of adjacent soil

为了更直观地展示地表土体沉降分布特性，分别绘制出不同土体模型下垂直于施工便道走向方向的土体沉降曲线，如图7 所示。根据文献[16]规定的线路轨道静态几何不平顺容许偏差管理值，在实际施工过程中，以短期沉降值进行控制，对应的路基沉降观测点累计沉降不应超过6 mm。从图7 中可以看出，以6 mm 为沉降变形特征值，HSS 模型地表沉降槽总的影响宽度为6.4 m 左右，扣除施工便道本身的宽度，施工便道车辆荷载引起的沉降槽分布范围为便道边缘外扩0.7 m 左右；而M-C 模型地表沉降槽总的影响宽度为12 m 左右，扣除施工便道本身的宽度，施工便道车辆荷载引起的沉降槽分布范围为便道边缘外扩3.5 m 左右。采用M-C 模型计算其邻近土体影响范围要显著大于HSS 模型计算结果。

图7 土体沉降变形曲线Fig.7 Ground settlement curves

3.2 桩基及承台位移分布

对比分析两种本构模型（M-C，HSS）下桩基承台的位移分布特性，如图8 所示。从图中可以看出：两种本构模型下除在最大沉降值存在一定差异外，采用M-C 模型和HSS 模型计算得到的桩基及承台沉降分布特性基本一致。越靠近施工便道，沉降值越大，整体表现为往施工便道方向的倾斜。

与基础沉降分布特性不同的是，采用M-C 模型与HSS 模型计算得到的桩基及承台水平位移分布特性差异较大。由图8（b）所示，采用M-C 模型计算得到的桩身底部水平位移表现为整体向外侧扩展，而由于P-Δ 效应引起承台朝施工便道方向的内挤，不同位置处桩身的水平位移值差异较小。相对而言，由图8（a）所示，对于此类工况采用HSS 模型计算得到的桩身位移分布模式更为合理。由于施工便道车辆荷载对桩周土体的挤土效应，在最外侧桩身的中上部位产生较为明显的向外侧扩位移，而由于桩基的遮拦及嵌固作用，后排桩基及桩底部位的整体位移较小，离施工便道距离越大，桩身整体水平位移越小，更符合实际情况。

图8 桩基承台的水平位移云图Fig.8 Displacement contour of pile foundation

4 既有桥梁桩基安全性验算

4.1 承台沉降验算

从前述分析可知，采用HSS 模型能更合理地反映施工便道荷载对邻近桥梁桩基的影响特性。鉴于此，将基于HSS 模型进一步对邻近桥梁的变形及内力大小进行评估验算，以确定其是否满足工程安全要求。

为了更直观地展示地表沉降的分布特性，图9给出了沉降槽的三维形态特性。由于承台桩端嵌入至泥质砂岩中，承台总体变形很小。从变形图中可以看出：施工便道引起的既有桥梁桩基变形小于规范允许的6 mm 沉降变形控制要求，仍处于安全范围之内。

图9 地表沉降槽三维形态特性Fig.9 Three-dimensional characteristics of settling tank

4.2 桩身内力验算

除了承台变形之外，施工便道引起的桩身附加内力分布特性也是工程所重点关注的。如图10 所示为便道施工引起的最外侧（靠近施工便道处）桩身附加内力分布特性，从图中可以看出:桩身最大附加轴力值接近300 kN，发生在桩身中部区域，其主要由施工便道引起的土体负摩阻力所导致；最大附加弯矩约为50 kN·m，主要发生在地表下2 m 左右，其主要由承台的P-Δ 效应所致。