鄰近堆載作用下高鐵橋基群樁變形特性數(shù)值研究

李友元，王新浪，王震南

(1. 中鐵二十四局集團(tuán)有限公司，上海 200070；2. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，我國鐵路網(wǎng)規(guī)模至2025年將達(dá)到17.5萬km，其中高速鐵路3.8萬km左右，形成以“八縱八橫”主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路補(bǔ)充的高速鐵路網(wǎng)[1]?！鞍丝v八橫”高速鐵路網(wǎng)，即以沿海、京滬等“八縱”通道和陸橋、沿江等“八橫”通道為主干、城際鐵路為補(bǔ)充的高速鐵路網(wǎng)[2]。東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口和建筑密集，沿海地區(qū)廣泛分布著軟土[3- 4]。而高速鐵路橋梁基礎(chǔ)以群樁基礎(chǔ)為主，在軟土層深厚的沿海地帶，鄰近既有線路的施工往往會造成高鐵橋基產(chǎn)生變形，導(dǎo)致軌道平順性發(fā)生改變[5- 6]。

因受前期征遷工作滯后的影響，沿海地區(qū)高速鐵路現(xiàn)正處于工期短、任務(wù)重的關(guān)鍵時(shí)期，常采用連續(xù)滿堂支架方案進(jìn)行現(xiàn)澆軌道梁施工[7]。連續(xù)滿堂支架施工法將現(xiàn)澆梁體荷載直接作用于地基土上，會引起地基土體的變形和應(yīng)力改變[8- 9]。由于沿海地區(qū)軟土具有高壓縮性、高含水量、低強(qiáng)度和流變性等工程性質(zhì)，軟弱土層在堆載作用下會產(chǎn)生豎向變形和側(cè)向擠出變形，使鄰近既有橋基受到側(cè)向附加荷載及豎向摩阻力作用，影響既有橋梁樁基的正常工作性狀[10- 12]。軟土地基堆載土體會發(fā)生大變形，仍然采用線彈性本構(gòu)模型計(jì)算會不符合實(shí)際情況，且軟土體會發(fā)生固結(jié)作用對樁基的影響不可忽視[13]。數(shù)值模擬快捷方便，可以考慮土體彈塑性本構(gòu)、軟土固結(jié)、復(fù)雜的邊界條件，能夠真實(shí)模擬樁和土體的幾何形狀及力學(xué)性能，樁-土相互作用關(guān)系，使軟土地基上堆載對樁基的影響計(jì)算更加可靠[14- 15]。本文將采用理想彈塑性本構(gòu)模型并考慮土體固結(jié)，研究鄰近堆載對群樁變形的影響，并通過模擬分析指出堆載大小和堆載距離的極限值。

1 工程概況

浙江省某既有高速鐵路客運(yùn)專線建于松軟土質(zhì)的農(nóng)田上，其鄰近位置新規(guī)劃一條高鐵路線，最近距離僅有20 m。該路線工程為高架工程，屬一級重要建筑，全段采用連續(xù)滿堂支架方案進(jìn)行現(xiàn)澆軌道梁施工。連續(xù)滿堂支架將現(xiàn)澆梁體荷載直接作用于地基土上，會引起地基土體的變形和應(yīng)力改變，軟土地基鄰近堆載作用下樁土相互作用示意圖如圖1所示。

圖1 樁土相互作用示意圖

2 數(shù)值模型

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工程概況，本文建立了全尺寸三維有限元模型。其中主要包含了土體、既有高鐵群樁-承臺及新建城際鐵路群樁-承臺三個(gè)部件，堆載范圍較大，為了避免邊界條件的影響，模型長度范圍取200 m，寬度取150 m，厚度取90 m。選取既有高鐵取一跨進(jìn)行計(jì)算，堆載取兩跨進(jìn)行計(jì)算。

有限元計(jì)算模型尺寸及網(wǎng)格劃分如圖2所示。網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化(Structured)劃分技術(shù)，數(shù)值模擬中需要考慮地下水位對群樁變形的影響，土體單元需要選用擁有孔壓自由度的三維八節(jié)點(diǎn)線性單元(C3D8P)，群樁-承臺單元類型為三維八節(jié)點(diǎn)減縮積分單元(C3D8R)。樁周土體及堆載至群樁-承臺范圍內(nèi)土體網(wǎng)格劃分較密，其余處土體網(wǎng)格尺寸劃分較大。

圖2 有限元計(jì)算模型尺寸及網(wǎng)格劃分情況

3 結(jié)果分析

3.1 群樁承臺位移

堆載過程中承臺位移如圖3所示。其中JD代表水平位移測點(diǎn)，JH代表豎向位移測點(diǎn)，1、3側(cè)為靠近堆載，橫橋向水平位移正值表示向遠(yuǎn)離堆載方向位移，順橋向水平位移正值代表向大里程橋基方向運(yùn)動(1#至2#)，豎向位移正值代表沉降。取承臺兩側(cè)測點(diǎn)比較發(fā)現(xiàn)，水平位移類似，而豎向位移呈現(xiàn)相反的趨勢。靠近堆載側(cè)基樁發(fā)生沉降變形，而遠(yuǎn)離堆載側(cè)承臺位移變化趨勢不明顯。

圖3 承臺測點(diǎn)位移

加載過后承臺產(chǎn)生了顯著的位移，而間歇階段內(nèi)水平位移有所緩解，原因是間歇階段堆載產(chǎn)生的超孔隙水壓力消散，土體側(cè)向位移減小。其中加載2分析步對應(yīng)第一跨加至80 %箱梁荷載，第二跨加至50 %箱梁荷載，加載量較大，同時(shí)此階段內(nèi)產(chǎn)生的水平位移也最大。2#橋基對應(yīng)第二跨加載，故水平位移要小于1#橋基，但是當(dāng)全部荷載施加完成后，兩者水平位移相同。這說明承臺水平位移的變化與加載步驟關(guān)系不大，與最終加載量影響關(guān)系較大。模擬與實(shí)測值對比見表1，模擬值要大于實(shí)測值，但總的規(guī)律類似。模擬發(fā)現(xiàn)橋基順橋向也會產(chǎn)生水平位移，相當(dāng)于橋基往堆載外側(cè)發(fā)生一定的位移。

表1 承臺位移模擬與現(xiàn)場實(shí)測值對比

3.2 堆載極值

滿堂支架施工箱梁對鄰近橋基變形影響如圖4所示。符號規(guī)定如下：彎矩值以靠近堆載側(cè)樁基受壓為正，軸力值以壓為正，拉為負(fù)，水平位移以遠(yuǎn)離堆載側(cè)為正，水平附加應(yīng)力以壓為正。由圖4可知，附加軸力為加上堆載后與不加堆載時(shí)基樁軸力的比較值，中排樁與后排樁樁身出現(xiàn)軸力減小，而前排樁下半部分軸力增加，端阻力也同時(shí)增加，導(dǎo)致了靠近堆載側(cè)承臺發(fā)生沉降變形。由于基樁產(chǎn)生了水平變形，其承載性能會發(fā)生改變，高鐵基樁軸力雖有了一定的改變，但是總的變化量不大。

圖4 堆載對群樁變形影響

由圖5可知，當(dāng)側(cè)向堆載總荷載為8800 kN時(shí)，承臺遠(yuǎn)離堆載方向水平位移為2.2mm，墩臺頂順時(shí)針轉(zhuǎn)角位移為0.5mm，將平移位移與轉(zhuǎn)角位移組合后橋墩墩臺頂總的水平位移為1.7mm，接近于規(guī)范規(guī)定的位移限值。當(dāng)鄰近堆載邊緣距離承臺邊界凈距為24m時(shí)，其堆載極限荷載為Qs=8800kN，相當(dāng)于2.5倍箱梁自重。根據(jù)如圖6所示Qs-△s/△Qs曲線確定堆載極限荷載，若以曲線明顯陡降的起始點(diǎn)對應(yīng)的荷載作為堆載極限荷載，則Qs=7000kN。

圖5 不同堆載荷重下Qs-s曲線

圖6 不同堆載荷重下Qs-△s/△Qs曲線

3.3 堆載極限距離

距堆載邊界處不同距離處的土體水平位移如圖7所示。土體最大水平位移出現(xiàn)在6～18m深度處，隨著距堆載邊界距離的增加，土體水平位移逐漸減小，最大水平位移極值點(diǎn)深度降低。

圖7 距堆載邊界處不同距離處的土體水平位移

參照現(xiàn)場工程實(shí)際工況，在鄰近堆載作用下，不同堆載距離引起的既有樁基承臺位移與前排樁樁身變形變化如圖8所示。由于承臺不均勻沉降產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為順時(shí)針方向，將墩臺頂?shù)乃狡揭莆灰婆c轉(zhuǎn)角位移組合后，總的水平位移量將會減小。以樁身水平位移與承臺位移曲線明顯陡降的起始點(diǎn)對應(yīng)的距離為確定堆載極限距離的標(biāo)準(zhǔn)，并且控制樁身最大水平位移≤2.0mm，由計(jì)算結(jié)果分析可知堆載極限距離S=16m，即實(shí)際施工過程中應(yīng)控制堆載邊界距既有高鐵橋基承臺邊緣極限距離為16m。

圖8 堆載距離對群樁承臺位移影響

4 結(jié) 論

(1)鄰近堆載引起既有樁基產(chǎn)生遠(yuǎn)離堆載方向的水平位移，靠近堆載側(cè)基樁發(fā)生沉降變形，而遠(yuǎn)離堆載側(cè)承臺位移變化趨勢不明顯。

(2)堆載條件對高鐵橋基群樁變形影響較大，通過分析得出了堆載極值和最大堆載距離，實(shí)際工程中應(yīng)嚴(yán)格控制堆載條件，以防對既有群樁產(chǎn)生破壞性變形。

本文采用理想彈塑性本構(gòu)模型并考慮土體固結(jié)，研究鄰近堆載對群樁變形的影響，并分析堆載大小和堆載距離對群樁承臺位移的影響。研究過程中僅以單點(diǎn)作為考察對象是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，這些測點(diǎn)之間是否存在相互作用關(guān)系，這方面需要作進(jìn)一步探究。