鄰近堆載作用下高鐵橋基群樁承臺水平位移控制研究*

金國海，王震南，李友元，李 平

(1.杭州地方鐵路開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310009；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210024；3.中鐵二十四局集團有限公司，上海 200070)

0 引言

東部沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，人口密集，廣泛分布著深厚軟土層[1]，在鄰近堆載作用下，土體會引發(fā)水平方向的變位，從而對鄰近結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生較大的影響[2-4]，而既有高鐵橋基群樁承臺上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載會進一步加劇群樁承臺變形，從而影響既有高鐵運行的平順性。因此，有必要對鄰近堆載作用下的既有高鐵橋基承臺群樁變形控制措施進行研究，以減少鄰近堆載作用下高鐵群樁的變形，為類似工程提供參考。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對鄰近堆載或者卸載作用下土體位移的控制做了大量工作。費緯[5]、翟杰群等[6]通過研究隔離樁緊鄰深基坑工程中的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，隔離樁具有水平和豎向的變形隔斷作用，且隔離樁需要達到一定的深度和剛度才會有較好的隔離效果。竺明星等[7-8]研究了邊載作用下隔離樁的內(nèi)力特性，以及隔離樁的樁長、樁徑、樁間距等因素對被隔離樁的影響。劉毓氚等[9]結(jié)合大面積堆載工程實例，研究了隔斷樁和地基加固對鄰近樁基的變形影響機理。楊敏等[10-13]研究了堆場條件下，分別采取主動區(qū)加固、被動區(qū)加固、隔離樁加固等措施條件下土體位移場的變化規(guī)律。

隨著鄰近建(構(gòu))筑物堆載工程逐漸增多，開展對既有建(構(gòu))筑物變形的優(yōu)化位移控制措施研究具有一定的工程實際意義。本文以浙江沿海某鄰近既有高鐵的新建城際鐵路試車線工程為例，通過對比分析數(shù)值計算結(jié)果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，探討了鄰近堆載下控制既有高鐵樁基承臺群樁變形的不同處理措施。

1 工程概況

1.1 工程背景

浙江沿海地區(qū)某新建城際鐵路試車線工程為高架橋，緊鄰既有高鐵，兩者最小凈距僅有24m，擬采用滿堂支架法施工。滿堂支架法施工雖然速度快，但是在施工過程中產(chǎn)生的堆載會對周邊土體應(yīng)力場有一定的影響，使周圍土體產(chǎn)生位移，從而造成鄰近既有高鐵橋基變位，影響既有高鐵運營。根據(jù)地勘報告，主要土層的物理力學(xué)參數(shù)如表 1所示，其中③2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為欠固結(jié)土，超固結(jié)比為0.7。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

1.2 既有橋基變形現(xiàn)場試驗

實際工程中，鄰近既有高鐵橋基群樁-承臺尺寸如圖 1所示，高鐵橋基群樁承臺邊緣距離堆載邊界僅有24m，堆載的平面尺寸為30m×8m。

圖1 既有高鐵橋基群樁尺寸

根據(jù)實際工程計算，30m的單線簡支梁荷載320t，作用在群樁承臺上的荷載約為214kPa。鄰近堆載按簡支梁荷載的50%，80%，110%分三級進行加載，單線簡支梁寬度為8m，最終施加的均布堆載為14.4kPa，現(xiàn)場試驗對橋樁承臺共布置了4個監(jiān)測點，其中水平位移和豎向位移監(jiān)測點各2個，如圖 2a所示，現(xiàn)場試驗堆載實物如圖 2b所示。

圖2 現(xiàn)場試驗堆載及測點布設(shè)

2 既有橋基變形三維數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型建立

數(shù)值計算采用三維有限元軟件PLAXIS3D進行建模，模型網(wǎng)格劃分如圖 3所示，模型x方向長度取為160m，y方向長度為130m，z方向深度為90m，模型中間部分通過分割面進行局部加密。土層單元設(shè)置為Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，混凝土材料實體單元設(shè)置為線彈性模型，彈性模量取值31.5GPa，泊松比取值0.2。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

2.2 高鐵橋基變形分析

為驗證數(shù)值模擬的合理性，將數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，如表 2和圖 4所示。由表2分析可知，數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相差較小，既有高鐵樁基承臺自身產(chǎn)生的水平和豎向位移均不大，小于設(shè)計給定的限值1mm。結(jié)合圖 4，說明本文建立的模型是合理的，可以在此基礎(chǔ)上進一步分析控制群樁位移不同措施的影響。

表2 橋基承臺位移實測與模擬值對比

圖4 5m深度處土體水平位移實測與模擬對比

3 不同橋基變形控制措施效果分析

控制既有群樁承臺位移，即減少周邊鄰近堆載引起的應(yīng)力場變化對既有高鐵樁基的影響，除主動區(qū)加固和被動區(qū)加固外[12]，還可以在堆載處進行地基加固處理，但是在被動區(qū)采取加固措施的過程中有可能對既有高鐵運行的平順性造成較大影響，因此本文主要選取隔離樁和堆載面下水泥土加固兩種控制措施，對其控制變形效果展開分析。

為評價既有群樁承臺位移控制效果，引入控制效率η的概念，其定義為：

(1)

式中：Sref為無隔離措施情況下群樁水平位移或者豎向位移指標；Ssp為有隔離措施下對應(yīng)的位移指標[14]。

3.1 設(shè)置隔離樁措施效果分析

在鄰近堆載和既有高鐵承臺群樁之間設(shè)置隔離樁，其位置如圖 5所示，其中L為單排隔離樁的深度，S為隔離樁與鄰近堆載邊界的距離。分別探討隔離樁深度L和隔離距離S對既有群樁承臺位移的影響。

圖5 隔離樁布置示意

數(shù)值計算結(jié)果如圖6所示，當單排隔離距離分別為S=13m和21m時，既有高鐵群樁承臺的水平位移控制效率接近于“0”，隨著隔離樁深度的變化，控制效率η基本變化不大；當S=5m時，隨著隔離樁深度的增加，既有高鐵群樁承臺的水平位移控制效率η逐漸增大，當L=25m時，控制效率達到最大值為16.4%，隨后逐漸減小，存在峰值現(xiàn)象。

圖6 隔離樁樁位-樁長與承臺水平位移控制效率關(guān)系

在單排隔離樁長L=25m不變的條件下，控制效率η隨隔離距離的變化如圖 7所示。隔離距離對控制效率的影響較大，隨著隔離距離S的增加，既有高鐵樁基承臺水平位移的控制效率逐步降低，隔離距離S從1m變化到5m時，控制效率下降的速度較快。當隔離距離在13～21m時，可能會出現(xiàn)隔離樁整體隨土體移動的情況，所以，既有樁基承臺水平位移的控制效率變化較小。

圖7 L=25m時隔離距離與承臺水平位移控制效率的關(guān)系

單排隔離樁、雙排隔離樁對齊和雙排隔離樁錯開3種工況下(隔離樁布置如圖 8所示)對既有高鐵群樁承臺水平位移控制的效果如圖 9所示，分析可知雙排樁的控制效率明顯比單排樁的控制效率高，雙排樁對齊和雙排樁錯開模式下的控制效率分別為20.4%和20.6%。當隔離深度L=25m時，雙排樁的控制效率比單排樁高約4.7%，而雙排樁的排布形式對承臺水平位移控制效率影響不大。

圖8 隔離樁排布示意

圖9 不同隔離樁的排布方式下承臺水平位移控制效率(L=25m)

3.2 鄰近堆載下水泥土加固措施效果分析

在鄰近堆載面下利用水泥土進行地基加固處理如圖 10所示，水泥土處理面積與堆載面積相同，為30m×8m。分別設(shè)置加固深度H為2，4，6，8m和10m的5種工況進行計算分析，水泥土采用線彈性本構(gòu)模型，重度γ=20kN/m3，彈性模量E=200MPa，泊松比ν=0.2。

圖10 水泥土加固示意

不同水泥土處理深度對承臺水平位移控制效率的計算結(jié)果如圖11所示，既有高鐵橋基承臺水平位移的控制效率隨水泥土加固深度的增加不斷提高，但控制效率的提高速率逐漸減緩，當水泥土的處理深度達到10m時，控制效率可達到86.6%。

圖11 不同水泥土加固深度承臺水平位移控制效率

以H為4m的處理深度為例，考慮水泥土不同處理形式——“四周形”“兩側(cè)形”“中間形“3種工況下對既有群樁承臺的水平位移控制效率(見圖12)。對于“四周形”處理形式，當圖中D分別取1，1.5，2m和2.5m時，對應(yīng)的置換率分別為30%，43.8%，56.6%和70.0%。不同置換率下承臺水平位移控制效率計算結(jié)果如圖 13所示，置換率從30%到43.8%時，既有高鐵樁基承臺水平位移的控制效率增長較快，隨后控制效率增長減緩，呈近似線性增長，當置換率到100%時，樁基承臺水平位移控制效率為32.5%。

圖12 水泥土處理形式平面

圖13 H=4m時不同置換率下承臺水平位移控制效率

當D=1m時，在同一置換率30%的情況下，“四周形”“兩側(cè)形”和“中間形”3種不同處理形式下的既有承臺水平位移控制效率計算結(jié)果對比如圖 14所示。顯然“中間形”的既有承臺水平位移控制效率最高，為19.4%，相比于“兩側(cè)形”和“四周形”分別高出了7.9%和11.2%?！爸虚g形”水泥土的處理形式能夠更加均勻地承受上部堆載，因此可以更好地減少水平附加應(yīng)力的擴散，從而減少既有群樁承臺的水平位移。

圖14 置換率為30%下不同置換形式的承臺水平位移控制效率

3.3 組合控制措施效果分析

通過上文分析，采用雙排隔離樁和堆載面下水泥土加固可以有效控制鄰近既有高鐵橋基群樁承臺的水平位移?，F(xiàn)考慮將兩種控制措施進行組合，分析其對控制位移效率的影響。隔離樁采用圖8a和圖8b的形式，隔離深度L取25m，堆載面下水泥土處理采用圖12c的形式，處理深度H取4m。對比計算結(jié)果如圖15所示，水泥土+單排樁和水泥土+雙排樁組合下的水平位移控制效率η分別為61.3%和65.7%，與單一控制措施相比(單一處理措施的水平位移控制效率η最大值為20.6%)提高幅度較為顯著，可見組合控制措施下既有高鐵樁基承臺水平位移的控制效果遠遠好于單獨控制措施。

圖15 組合與單獨控制措施下承臺水平位移控制效率

4 結(jié)語

1)利用隔離樁控制鄰近堆載作用下既有高鐵群樁承臺的水平位移時，雙排隔離樁的控制效果明顯好于單排樁，但是雙排樁的排布形式對控制效果的影響不大。

2)采用水泥土對堆載下方土體進行加固，隨著加固深度的增大，鄰近堆載下既有高鐵樁基群樁承臺的水平位移控制效率也逐步增大，但是控制效率增速隨加固深度增大逐漸減緩。

3)堆載下方水泥土不同處理形式對既有高鐵群樁承臺水平位移的控制效率有較大影響，置換率一定時，在“中間形”的水泥土置換方式下，群樁承臺位移的控制效果較好。

4)采用堆載面下水泥土加固和設(shè)置隔離樁的組合控制措施，可以更加有效地減少水平附加應(yīng)力的擴散，從而顯著提高既有高鐵橋基承臺水平位移的控制效率。

5)本文考慮的是特定條件下既有高鐵橋基群樁承臺位移的控制措施，并沒有考慮隔離樁的剛度、不同地質(zhì)條件、水泥土摻入量等因素對群樁承臺水平位移控制效果的影響。當然，既有高鐵群樁承臺的位移模式還包括豎向位移和轉(zhuǎn)角位移等，還需要進一步的展開深入研究。