新建連鎮(zhèn)鐵路樁板結(jié)構(gòu)下穿京滬高鐵影響分析

代漢超 馮征遠(yuǎn)

(1.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070; 2.南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部 江蘇南京 210042)

新建連鎮(zhèn)鐵路樁板結(jié)構(gòu)下穿京滬高鐵影響分析

代漢超1馮征遠(yuǎn)2

(1.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070; 2.南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部 江蘇南京 210042)

以新建鐵路連云港至鎮(zhèn)江線下穿京滬高鐵實(shí)例為背景，利用有限元程序Midas/GTS NX對(duì)新建樁板結(jié)構(gòu)建立彈塑性有限元模型進(jìn)行施工階段分析。樁端持力層為粉質(zhì)黏土，樁基為摩擦樁，為了分析摩擦樁與土層之間的相互作用，建立樁-土接觸單元來(lái)模擬樁土間的接觸作用，以樁端單元模擬樁端土的支撐力。分析基坑開(kāi)挖、樁基施工、樁板及上部結(jié)構(gòu)施工、運(yùn)營(yíng)階段等不同施工階段對(duì)京滬高鐵的影響。計(jì)算結(jié)果表明：樁板結(jié)構(gòu)的施工對(duì)既有京滬高鐵的影響很小。

樁板結(jié)構(gòu);下穿高速鐵路;接觸單元;有限元分析

0 引言

隨著我國(guó)地方經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新建或改建道路下穿高速鐵路的數(shù)量日益增多，目前在道路下穿高速鐵路方案選擇時(shí)，主要有路基方案[1]、U型槽方案[2]、樁板結(jié)構(gòu)方案[3-4]等方法。

其中樁板結(jié)構(gòu)是地基處理的一種新型方法，在國(guó)內(nèi)外鐵路建設(shè)中均有采用。該結(jié)構(gòu)主要由鋼筋混凝土樁基和鋼筋混凝土承臺(tái)板組成，其主要的工作機(jī)理是：通過(guò)承臺(tái)板將上部荷載傳到樁體，樁體把荷載擴(kuò)散到樁間土、下臥層或樁基底巖石層，從而達(dá)到控制路基沉降與變形破壞的目的。

本文以新建連云港至鎮(zhèn)江鐵路右線下穿京滬高鐵為例，采用GTS NX軟件，建立樁-土接觸單元來(lái)考慮樁土間的接觸問(wèn)題，利用彈塑性有限元方法分析新建樁板結(jié)構(gòu)不同施工階段對(duì)京滬高鐵的影響。

1 概況

1.1京滬高鐵概況

新建連鎮(zhèn)鐵路右線于京滬高鐵第67跨下穿，兩條線路夾角為42°，相交處京滬高鐵為32m簡(jiǎn)支梁，橋墩為雙柱墩，墩高7.5m，樁基采用8-Φ1.0m鉆孔樁，如圖1所示。

1.2新建樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

樁板結(jié)構(gòu)板采用托梁式，頂寬7.6m，長(zhǎng)82m，分4聯(lián)：(2-8)m+(3-8)m+(3-8)m+(2-8)m，托板厚1.0m，托梁高1.5m，板下鋪10cm厚C15素混凝土+10cm厚碎石墊層，下部設(shè)22根Φ1.25m鉆孔樁, 行列式布置(縱向間距8m，橫向間距4m)，樁長(zhǎng)30m。

圖1 下穿京滬高鐵現(xiàn)場(chǎng)圖

2 計(jì)算模型

本次分析建立的有限元模型如圖2所示。計(jì)算過(guò)程中，土體、京滬高鐵66#～67#橋墩采用梁?jiǎn)卧?，樁基礎(chǔ)和樁板結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬。模型共計(jì)299 053個(gè)單元、122 665個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型順連鎮(zhèn)鐵路方向?yàn)?31m，垂直連鎮(zhèn)鐵路方向?yàn)?04m，深度方向?yàn)?9m。模型前后左右均為法向約束，模型底部為豎向加法向約束。

其中樁基采用梁?jiǎn)卧Ｐ停馏w考慮為彈塑性材料，為模擬樁土之間的接觸問(wèn)題，在樁和土之間設(shè)置接觸單元[5-6]，設(shè)定樁土滑移的臨界條件[7-8]。

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料和勘察報(bào)告，計(jì)算區(qū)域內(nèi)的土層分布如圖2(c)所示，分別為①4層種植土、④21層粉質(zhì)黏土、④22層粉質(zhì)黏土、④23層粉質(zhì)黏土、④24層粉質(zhì)黏土、④25層粉質(zhì)黏土。

(a)整體模型

(b)樁板結(jié)構(gòu)與京滬高鐵的相對(duì)位置

(c)土層分布

根據(jù)勘察報(bào)告，本次計(jì)算各個(gè)土層的力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。京滬高鐵66#～67#橋墩和樁板結(jié)構(gòu)的混凝土參數(shù)如表1所示。樁基持力層為④25粉質(zhì)黏土，樁基為摩擦樁。

表1 各個(gè)土層及混凝土力學(xué)參數(shù)

為分析新建樁板結(jié)構(gòu)對(duì)京滬高鐵的影響，本次數(shù)值分析的計(jì)算步驟如下：

Step1：初始應(yīng)力場(chǎng)分析；

Step2：新建樁板結(jié)構(gòu)樁基施工；

Step3:新建樁板結(jié)構(gòu)托梁、托板及附屬設(shè)施施工；

Step4: 新建樁板結(jié)構(gòu)通車運(yùn)營(yíng)。

計(jì)算采用荷載如表2所示。

表2 各分項(xiàng)荷載

3 計(jì)算結(jié)果

3.1新建樁板結(jié)構(gòu)樁基施工影響分析

新建樁板結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)施工階段，京滬高鐵66#～67#橋墩的變形值如表3所示。其中66#橋墩變形主要以順橋向的水平變形為主，最大變形值為0.29mm。67#橋墩的變形也以順橋向?yàn)橹?，方向與66#橋墩方向相反，最大變形值為0.30mm。

表3 新建樁板結(jié)構(gòu)樁基施工階段，京滬高鐵66#～67#橋墩變形值

注：U1為順橋向，以上海方向?yàn)檎较?；U3為沉降方向，以向上為正方向；U2為橫橋向，正向以右手法則確定；U為變形矢量和。下同。

3.2新建樁板結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)施工影響分析

新建樁板結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)施工階段，京滬高鐵66#～67#橋墩的變形值如表4所示?？梢钥闯?，京滬高鐵橋墩的變形繼續(xù)增加。其中66#橋墩最大變形值為0.55mm，67#橋墩的最大變形值為0.56mm，均以順橋向水平變形和沉降為主。

表4 新建樁板結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)施工階段，京滬高鐵66#～67#橋墩變形值

3.3新建樁板結(jié)構(gòu)通車運(yùn)行影響分析

新建樁板結(jié)構(gòu)通車運(yùn)營(yíng)階段，京滬高鐵66#～67#橋墩的變形值如表5所示?？梢钥闯觯谶B鎮(zhèn)鐵路運(yùn)營(yíng)荷載作用下，京滬高鐵橋墩的變形進(jìn)一步加大。其中66#橋墩最大變形值為0.88mm。67#橋墩的變形值為0.89mm，均以順橋向水平變形和沉降為主。

表5 新建樁板結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段，京滬高鐵66#～67#橋墩變形值

4 結(jié)論

新建連鎮(zhèn)右線樁板結(jié)構(gòu)施工階段，京滬高鐵66#～67#橋墩的變形如圖3～圖4所示?？梢钥闯?，新建連鎮(zhèn)右線樁板結(jié)構(gòu)施工完成后，京滬高鐵66#橋墩最大變形值為0.88mm，67#橋墩最大變形值為0.89mm，均以順橋向的水平變形和沉降變形為主。

可見(jiàn)，新建連鎮(zhèn)鐵路右線樁板結(jié)構(gòu)，施工和運(yùn)營(yíng)荷載引起高鐵橋墩最大水平位移和沉降量均小于1mm，施工和運(yùn)營(yíng)荷載對(duì)高鐵橋墩影響小。

圖3 樁板結(jié)構(gòu)施工階段京滬高鐵66#橋墩變形(單位：mm)

圖4 樁板結(jié)構(gòu)施工階段京滬高鐵67#橋墩變形(單位：mm)

這是因?yàn)椋瑯栋褰Y(jié)構(gòu)的樁基距離京滬高鐵的樁基距離較遠(yuǎn)，最近距離為6.55m，大于6倍樁徑，故樁板結(jié)構(gòu)的樁基施工對(duì)既有京滬高鐵的樁基影響很小。工點(diǎn)處的土質(zhì)較好，樁周土體為承載力在200kPa以上的粉質(zhì)黏土，樁基很好地把樁板的恒載和運(yùn)營(yíng)階段的活載傳遞并分散到土體中，故上部結(jié)構(gòu)施工階段和運(yùn)營(yíng)階段對(duì)京滬高鐵橋墩影響較小。

綜上所述，以樁板結(jié)構(gòu)形式下穿京滬高鐵，方案是合理的。

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AnalysisAbouttheInfluenceofPileBoardStructureintheNewlyBuiltLian-ZhenRailwayontheBeijing-ShanghaiHigh-SpeedRailway

DAIHanchao1FENGZhengyuan2

(1.China Railway Shanghai Design Institute Group Co., Ltd, Shanghai 200070; 2.Nanjing Railway Project Construction Headquarters, Nanjing 210042)

Based on the case of the newly-built Lian-Zhen High Speed Railway traversing under the Beijing-Shanghai High Speed Railway, using finite element program Midas/GTS NX, a elastoplastic finite element model for the pile-plank structure was established. The pile point supporting layer was silty clay, so the piles belonged to the type of friction pile. To analyse friction piles - soil interaction, in the elastoplastic finite element model, pile soil contact surface elements were established to simulate the pile-soil interaction and pile-end finite element units were used to simulate the support of pile tip soil. The influence of different construction stages were analyzed:foundation pit excavation stage, construction of board and superstructure, operation stage. The calculated results showed that the influence of pileboardconstruction stages on the Beijing-Shanghai High Speed Railway was little.

Pile Board Structure; Underneath passing existing high-speed railways; Contact surface element; Finite element method

U24

A

1004-6135(2017)11-0068-03

代漢超(1985- ),男,工程師。

E-mail:daihanchao@sty.sh.cn

2017-08-15