大面積堆土荷載對既有高鐵橋梁樁基承載性能影響分析

王崇淦，蔣志琳，朱禹，陳曉斌

大面積堆土荷載對既有高鐵橋梁樁基承載性能影響分析

王崇淦1，蔣志琳1，朱禹2，陳曉斌2

(1. 湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410075；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

大面積堆載造成的土體沉降是影響既有高鐵橋梁樁基承載性能的主要原因。以合安高速鐵路某橋梁樁基周邊堆載為案例，采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法，計(jì)算堆土高度、堆土距離、單側(cè)和雙側(cè)土體堆載等工況下高速鐵路橋墩頂位移。通過計(jì)算分析，揭示雙側(cè)堆載比單側(cè)堆載對既有高鐵橋梁樁基承載性能影響更大的規(guī)律，并提出臨界堆土距離參考值。

高鐵橋梁；樁基工程；堆土荷載；臨界距離；附加變形

在高速鐵路沿線兩側(cè)堆放工程棄土形成棄渣場，這種大面積堆土荷載對既有高鐵橋梁樁基的危害應(yīng)該引起足夠的重視。因?yàn)槎演d打破了高速鐵路線下原有的土體受力平衡，引起土體的應(yīng)力重分布。還有，堆土引起樁身周圍產(chǎn)生負(fù)摩擦阻力，引起樁身軸力增加并產(chǎn)生不均勻沉降。因此，在高速鐵路附近大面積堆載可能引起嚴(yán)重的安全問題。目前，針對堆載對既有樁基承載性能的影響方面開展了一些研究。比如，董亮等[1]進(jìn)行了大面積單側(cè)堆載對高鐵橋梁墩臺(tái)影響的數(shù)值分析，揭示了大面積單側(cè)堆載是橋梁樁基產(chǎn)生水平位移的主要原因。黃清[2]采用FLAC3D軟件模擬了堆土對被動(dòng)樁的空間變形和受力狀態(tài)的影響，結(jié)果表明堆載使橋墩產(chǎn)生水平位移。顧津申[3]分析了臨界高鐵土體堆載對橋梁墩柱沉降變形的影響。聶如松等[4]針對軟土地基附近堆載的情況，分析了堆載對橋墩變位的影響。閆澍旺等[5]分析了不同的堆土高度對橋梁墩柱的沉降和水平變位以及橋梁基礎(chǔ)地基塑性區(qū)的發(fā)展情況的影響。馮忠居等[6]跟蹤觀測了堆載引起橋梁墩臺(tái)與基礎(chǔ)的變位性狀。馬遠(yuǎn)剛等[7]采用有限差分法研究了堆載對橋梁被動(dòng)樁的影響。Stewart等[8]設(shè)計(jì)了在軟土層堆土環(huán)境下的橋梁橋臺(tái)，提出了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖表。李雪峰等[9]歸納總結(jié)了路基堆載下軟土側(cè)向位移對橋臺(tái)樁基的影響綜述。劉俊飛[10]針對既有線鐵路外側(cè)堆土，研究了堆土對路基沉降的影響，提出了外側(cè)堆土對土對路基沉降的影響機(jī)理和沉降變形估算方法。可以看出，大面積堆載造成的土體沉降是影響既有高鐵橋梁樁基承載性能的主要原因。目前對高速鐵路下大規(guī)模堆載下產(chǎn)生的墩臺(tái)附加變形問題以及堆載的臨界距離尚未有較為深入的研究。本文以合安高鐵某橋梁附近大面積堆土工程為依托，(最大堆土面積為100 m×55 m)對比分析單側(cè)和雙側(cè)堆載(雙側(cè)對稱式堆載)對橋梁附加變形的影響，評估不影響高鐵運(yùn)行安全的臨界堆土距離，給實(shí)際工程提供參照。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 案例概況

合安高速鐵路某橋梁速度目標(biāo)值350 km/h，由于高鐵周邊河道工程施工棄土需求，在該橋梁附近將堆放大量的工程棄土，堆載土體位于該橋58號~59號橋墩附近。該段橋梁為32.6 m的簡支梁，橋墩高為20.4 m，橋臺(tái)長寬高分別為10.5，6.8和2.5 m，樁基礎(chǔ)采用10根直徑1 m的鉆孔灌注樁， 58號墩樁長為29.5 m，59號墩樁長28.5 m。橋梁、樁基布置圖和堆土場布置如圖1所示，可以看出從上到下土層依次為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化混合花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖。

(a)橋梁布置；(b)基礎(chǔ)及堆土場布置平面圖

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

堆土距離指堆載土體坡底距離橋墩底部的距離。為了分析單側(cè)、雙側(cè)土體堆載、堆土高度、堆土距離等工況下對既有高鐵橋梁樁基承載性能影響，使用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件，建立三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。

(a)單側(cè)堆載模型；(b) 雙側(cè)堆載模型；(c)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

三維數(shù)值計(jì)算模型的尺寸為：100 m×100 m×130 m。圖中軸正方向指向高鐵前進(jìn)方向，軸正方向指向堆土前進(jìn)方向，軸正向豎直向上。計(jì)算模型采用位移邊界條件。土層采用實(shí)體單元，摩爾庫倫本構(gòu)模型；橋墩、承臺(tái)采用實(shí)體單元，彈性本構(gòu)模型；樁基采用樁結(jié)構(gòu)單元。從合安高鐵線現(xiàn)場取得土樣，并通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)確定了土體參數(shù)用于計(jì)算分析，計(jì)算參數(shù)見表1所示。

考慮實(shí)際情況，為了分析堆載對高速鐵路橋梁墩頂附加變形的影響，工況包括地應(yīng)力平衡、加載橋墩承臺(tái)、加載橋梁上部荷載和加堆土荷載。

1.3 數(shù)值計(jì)算方案

為了分析單側(cè)、雙側(cè)土體堆載、堆土高度、堆土距離等工況下，對既有高鐵橋梁樁基承載性能影響分析，設(shè)計(jì)的計(jì)算方案見表2所示。

表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)

表2 計(jì)算工況簡介

2 單側(cè)堆載計(jì)算結(jié)果分析

2.1 墩頂附加變形

單側(cè)堆載工況下，不同堆土高度及不同堆土距離下典型的橋墩累積變形云圖見圖3所示。

單位：mm

由圖3可以看出，大面積單側(cè)堆土荷載下，58和59號橋墩的附加變形表現(xiàn)出一致性。圖4為單側(cè)堆載下58號橋墩頂附加變形在不同的堆土高度下隨堆土距離的變化結(jié)果。

由圖4可以看出，方向和方向墩頂附加變形隨著堆土高度的增大和堆土距離的靠近均有所增大，但增長的幅度較小，方向墩頂附加變形在堆土距離小于15 m時(shí)有較為明顯的增長趨勢。這是由于在大面積單側(cè)堆載情況下，隨著堆載土體靠近橋墩底部，堆土荷載造成的土體水平位移的影響逐漸增大。

2.2 安全距離建議

由于大規(guī)模堆載造成的上部結(jié)構(gòu)變形過大會(huì)嚴(yán)重影響高鐵的運(yùn)行平順性和安全性，因此需要制定臨近橋墩的沉降值控制標(biāo)準(zhǔn)。目前對于相鄰橋墩的沉降值控制標(biāo)準(zhǔn)，通常用允許位移值控制，既要滿足承載力要求，又要滿足上部結(jié)構(gòu)的允許沉降值。根據(jù)工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，本工程中橋梁墩臺(tái)墩頂位移建議限值可按表3所示。

(a) X方向；(b) Y方向；(c)Z方向

表3 無砟軌道橋梁墩臺(tái)墩頂位移建議限值

依據(jù)本項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果，得知在大面積堆載下土體豎向沉降是影響高速鐵路橋梁墩頂附加變形的主要原因，在不考慮邊坡失穩(wěn)的情況下，只考慮累積變形對安全性的影響，方向累積變形隨著堆土距離和堆土高度變化見圖5所示。

(a) 58號墩；(b) 59號墩

綜合圖5中墩頂附加變形的影響，單側(cè)堆載時(shí)臨界堆土距離如表4所示。

表4 單側(cè)堆載下臨界堆土距離建議值

3 雙側(cè)堆載計(jì)算結(jié)果分析

3.1 墩頂附加變形

雙側(cè)堆載工況下，不同堆土高度及不同堆土距離下典型的橋墩累積變形云圖如圖6所示。

由圖6可以看出，大面積雙側(cè)堆土荷載下，58和59號橋墩的附加變形仍表現(xiàn)出一致性。圖7為雙側(cè)堆載下58號橋墩頂附加變形在不同的堆土高度下隨堆土距離的變化結(jié)果。

由圖7可以看出，雙側(cè)堆載下方向、方向墩頂附加變形均較小。這是由于在橋墩兩側(cè)堆載土體對稱分布，兩側(cè)土體對墩頂橫向和縱向附加變形的影響相互抵消。方向附加變形隨堆土高度和堆土距離的變化明顯，仍可認(rèn)為雙側(cè)大面積堆載下，堆載造成的土體沉降仍是影響高速鐵路橋梁墩頂附加變形的主要原因。

單位：mm

3.2 單側(cè)和雙側(cè)堆載結(jié)果對比分析

為了分析單側(cè)堆載和雙側(cè)堆載的不同，圖8給出了58號橋墩在5 m堆載高度下單側(cè)和雙側(cè)堆土?xí)r墩頂附加變形隨堆土距離的變化情況。

由圖8可以看出，相比于單側(cè)堆載，雙側(cè)堆載對墩頂橫向和縱向附加變形的影響較小，故在實(shí)際堆載中，可以通過優(yōu)先對稱堆載來減少橋梁橫向和縱向附加變形。

3.3 安全距離建議

雙側(cè)堆載下方向累積變形隨著堆土距離和堆土高度變化見圖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號墩；(b) 59號墩

綜合考慮墩頂附加變形的影響，雙側(cè)堆載下各個(gè)堆土高度下的臨界堆土距離建議值如表5所示。

表5 雙側(cè)堆載下臨界堆土距離建議值

4 結(jié)論

1) 在大面積堆載情況下，堆載造成的土體沉降是影響高速鐵路橋梁墩頂附加變形的主要原因。正式施工前，必須進(jìn)行單項(xiàng)工程評估。

2) 大面積單側(cè)堆載時(shí)，建議堆土高度3，5，7和9 m的臨界堆載距離為15，20，30和40 m。

3) 單側(cè)堆載對高速鐵路橋梁附加變形的影響更大，建議優(yōu)先雙向堆載，降低橋梁水平位移。

[1] 董亮, 牛斌, 谷牧, 等. 大面積單側(cè)堆載對高速鐵路橋梁墩臺(tái)影響的數(shù)值分析[J]. 鐵道建筑, 2015(1): 39?42. DONG Liang, NIU Bin, GU Mu, et al. Numerical analysis of the influence of large area single side stowage on the pier of high-speed railway bridge[J]. Railway Engineering, 2015(1): 39?42.

[2] 黃清. 地面堆載對既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析[J]. 橋梁建設(shè), 2014, 44(5): 39?44. HUANG Qing. Analysis of influences of ground stacked load on existing bridge structure[J]. Bridge Construction, 2014, 44(5): 39?44.

[3] 顧津申. 地面堆載對臨近高速鐵路橋墩沉降影響分析[J]. 鐵道勘察, 2017, 43(1): 41?44. GU Jinshen. Analysis of influnce of adjacent surcharge on settlement of high-speed railway bridge pier[J]. Railway Investigation and Surveying, 2017, 43(1): 41? 44.

[4] 聶如松, 冷伍明, 魏麗敏, 等. 堆載對既有橋墩樁基礎(chǔ)影響距離分析[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2017, 44(1): 64?70. NIE Rusong, LENG Wuming, WEI Limin, et al. An analysis of the distance between surcharge load and existing bridged pile foundation in soft clay[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2017, 44(1): 64?70.

[5] 閆澍旺, 劉子初, 于淼, 等. 堆載對鄰近橋梁結(jié)構(gòu)影響的有限元分析[J]. 勘察科學(xué)技術(shù), 2013(3): 1?4. YAN Shuwang, LIU Zichu, YU Miao, et al. Finite element analysis on influence of heaped load on nearby bridge structure[J]. Site Investigation Science and Technology, 2013(3): 1?4.

[6] 馮忠居, 張永清, 李晉. 堆載引起橋梁墩臺(tái)與基礎(chǔ)的偏移及防治技術(shù)研究[J]. 中國公路學(xué)報(bào), 2004, 17(3): 74? 77. FENG Zhongju, ZHANG Yongqing, LI Jin, et al. Study of displacement of bridge pier and abutment foundation caused by earth piling load and its prevention technique [J]. China Journal of Highway and Transport, 2004, 17(3): 74?77.

[7] 馬遠(yuǎn)剛, 王艷芬, 陳晨. 堆載作用下橋梁被動(dòng)樁偏移受力分析及處理措施[J]. 橋梁建設(shè), 2014, 44(4): 22?26. MA Yuangang, WANG Yanfen, CHEN Chen, et al. Force analysis and handling measure for offsetting of bridge passive piles under action of stacked load[J]. Bridge Construction, 2014, 44(4): 22?26.

[8] Stewart D P, Jewell R J, Randolph M F. Design of piled bridge abutments on soft clay for loading from lateral soil movements[J]. Geotechnique, 1994, 46(2): 277?296.

[9] 李雪峰, 張軍輝, 鄭健龍. 路基堆載下軟土側(cè)移對橋臺(tái)樁基影響研究綜述[J]. 路基工程, 2011(1): 12?15. LI Xuefeng, ZHANG Junhui, ZHENG Jianlong, et al. Review of influence of soft soil lateral displacement on pile foundation of abutment under subgrade loading[J]. Subgrade Engineering, 2011(1): 12?15.

[10] 劉俊飛. 既有鐵路外側(cè)堆土對路基沉降影響的估算[C]// 鐵路地質(zhì)路基年會(huì)論文專輯, 2014. LIU Junfei. Estimation of the influence of outboard pile soil on subgrade settlement[C]// Paper Album of Annual Meeting of Railway Geological Subgrade, 2014.

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

U24

A

1672 ? 7029(2020)05 ? 1090 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20191103

2019?12?09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51978674)

王崇淦(1973?)，男，江西鄱陽人，高級工程師，從事路基工程與巖土工程設(shè)計(jì)及科研工作；E?mail：343181962@qq.com

(編輯 蔣學(xué)東)