新建道路下穿高鐵橋梁對橋墩穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究

王 耀，湯彬彬，賈 羽

（1. 寧波市交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測中心有限公司，浙江 寧波 315121；2. 寧波冶金勘察設(shè)計(jì)研究股份有限公司，浙江 寧波 315040；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，高速鐵路、道路建設(shè)需求越來越強(qiáng)。由于規(guī)劃時間的差異以及其他條件的制約，不可避免地出現(xiàn)了高速鐵路以及道路的線路交叉[1-5]。我國已開通的高速鐵路大部分是以橋梁形式作為承載的，既有高鐵橋梁工程區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)道路、鐵路以及其他新建工程，下穿既有高速鐵路橋梁的情況也很普遍。

孫宗磊等[6]和李悄等[7]采用有限元方法計(jì)算了新建公路對既有高鐵的影響。李昊等[8]采用有限元軟件PLAXIS對新路下穿城際鐵路工程進(jìn)行安全性評價。毛亞平[9]針對鄭州西安客運(yùn)專線下穿立交橋的工程實(shí)例，建立了有限元模型，研究了新建公路對工程施工前后樁基沉降的影響。謝欽方[10]通過數(shù)值模擬研究了新建公路下穿對鐵路橋梁墩頂位移的影響，計(jì)算了公路施工前的荷載、公路施工中的施工荷載和車輛荷載對橋墩基礎(chǔ)位移的影響。結(jié)果表明，新建公路與橋墩之間的距離、新建公路的高度以及施工機(jī)械等均對墩頂位移有重要影響。張振[11]分析了橋下道路對既有橋梁墩身的影響，并提出了減小影響的方法。趙永明[12]采用有限元軟件ABAQUS計(jì)算了下穿城市道路對高速鐵路橋梁基礎(chǔ)的影響，結(jié)果表明，道路運(yùn)營會對高鐵橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的附加影響。江學(xué)全[13]研究了公路下穿對高鐵橋梁的影響，結(jié)果表明，公路下穿施工中高鐵橋墩各方向的位移均小于 1 mm，能夠滿足規(guī)范要求。喻院平[14]以市政橋梁下穿高鐵為例，對施工全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明下穿工程影響高速鐵路橋梁墩臺頂位移滿足規(guī)范限值，市政橋梁全過程對高鐵橋墩的影響是可控的。

高速列車運(yùn)行對鐵路線路變形要求極為嚴(yán)格，位移控制標(biāo)準(zhǔn)需要達(dá)到毫米級[15]。在既有高速鐵路橋梁新建下穿公路工程，研究新建公路的施工和運(yùn)營對既有高鐵橋梁的安全影響是一個新的課題。本文以此為背景，展開了新建道路的建設(shè)及運(yùn)營階段對既有高鐵橋梁橋墩位移、樁基內(nèi)力及側(cè)摩阻力等影響的研究。

1 工程概況

1.1 新建公路概況

新建道路等級為城市次干道，道路紅線寬30 m，路面寬 24 m，設(shè)計(jì)時速 30 km/h，設(shè)計(jì)路線全長513.6 m。新建道路工程主要技術(shù)指標(biāo)詳見表1。

表1 新建道路的主要技術(shù)指標(biāo)一覽表Table 1 Main technical index of new road

新建道路K0+330.14～K0+392.64路段下穿既有高速鐵路橋梁。為減小新建道路施工及運(yùn)營階段對既有高速鐵路橋梁的影響，在鐵路安全保護(hù)范圍內(nèi)，對新建道路涉鐵段采用三聯(lián)（8+8）m+（8+13+8）m+（8+8）m樁板式路基結(jié)構(gòu)，利用鋼筋混凝土路基板直接承受車輛荷載等道路荷載，再通過樁基礎(chǔ)傳遞到軟土層下的持力層中。設(shè)計(jì)樁板結(jié)構(gòu)寬23 m，板厚0.8 m，局部加厚至1.2 m，樁基采用直徑100 cm鉆孔樁，樁長18 m，橫向每排設(shè)置4根，間隔6 m均勻布置。樁基布置范圍為鐵路橋梁兩側(cè)各 30 m范圍。

1.2 高鐵橋梁概況

既有高鐵橋梁的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 既有高鐵橋梁的主要技術(shù)指標(biāo)一覽表Table 2 Main technical index of existing high-speed railway bridge

1.3 新建道路下穿概況

新建道路下穿既有高鐵橋梁的 158～159號橋墩，其基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁長22.5～23.5 m不等。既有高鐵橋梁158～159號墩如圖1所示。下穿段平面位置關(guān)系見圖2。

圖1 既有高鐵橋梁158～159號墩Fig. 1 Piers 158-159 of existing high-speed railway bridges

圖2 新建道路與既有高鐵橋梁位置關(guān)系Fig. 2 Layout of new road and existing high-speed railway bridge

2 工程地質(zhì)條件

橋址區(qū)域內(nèi)主要地層及巖性（如圖2（b）所示）自新至老概述如下：

（1）第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）

②3-1粉質(zhì)黏土（黏土）：灰黃色、褐黃色，軟塑，以黏粒為主，粉粒為次，局部含少量砂，黏結(jié)性較好，土質(zhì)均一，平均層厚5.27 m。

②10-2細(xì)圓礫土：黃褐色，稍密，飽和，成分以石英、長石為主，粒徑大于2 mm的約占55%，5～10 mm約占20%，其余為黏土及細(xì)砂充填，顆粒級配一般。該層幾乎全場地分布，平均層厚11.54 m。

（2）第三系新余組（Ex）泥質(zhì)砂巖

[20]2-2泥質(zhì)砂巖：棕紅色，強(qiáng)風(fēng)化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，節(jié)理較發(fā)育，巖芯呈1～9 cm塊狀及碎塊狀，手捏易碎，錘擊易碎，聲啞。該層全場地分布，平均層厚4.37 m。巖土工程等級為Ⅳ級。地基基本承載力σ0=300 kPa 。

[20]2-3泥質(zhì)砂巖：棕紅色，弱風(fēng)化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯多呈10～60 cm柱狀，少量呈餅狀，RQD=74%。該層全場地分布，平均揭露層厚8.89 m。巖土工程等級為Ⅳ級。地基基本承載力σ0=400 kPa。

3 數(shù)值計(jì)算模型及力學(xué)參數(shù)

3.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

為分析新建道路下穿既有高鐵橋梁對橋墩安全性以及穩(wěn)定性的影響，依據(jù)實(shí)際情況，利用FLAC3D建立了有限差分計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型Fig. 3 Numerical model

X坐標(biāo)軸正向垂直于既有高鐵橋梁方向，Y坐標(biāo)軸正向沿既有高鐵橋梁方向，Z正向指向鉛垂線方向，向上為正。計(jì)算模型X軸方向長70 m，Y軸方向長100 m，Z軸方向長50 m。模型前后左右均為法向約束，模型底部為豎向加法向約束。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計(jì)605 979單元，154 713節(jié)點(diǎn)。計(jì)算過程中土體、橋墩、樁基礎(chǔ)均采用實(shí)體單元模擬。模型的邊界條件為頂面自由面，兩側(cè)水平約束，底面取豎向和水平向約束。樁與土之間的接觸采用FLAC3D中內(nèi)置的接觸面單元進(jìn)行模擬。

土體應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)理論采用 Mohr-Coulomb彈塑性模型[16-20]，其余部件，如鐵路橋樁基礎(chǔ)、承臺、橋墩、樁板式路基結(jié)構(gòu)等均采用線彈性模型。

本次主要分析新建道路下穿既有高鐵橋梁段路基路面結(jié)構(gòu)施工及交通荷載將對既有高鐵橋梁造成的影響，所以本次計(jì)算工況包括：（1）場地地應(yīng)力平衡；（2）樁板式路基結(jié)構(gòu)施工的影響；（3）路面施工的影響；（4）交通荷載的影響。

3.2 力學(xué)參數(shù)選取

參考巖土工程勘察報(bào)告，數(shù)值計(jì)算模型中土層的力學(xué)參數(shù)取值見表3所示?；炷恋膹椥阅Ａ咳≈等绫?所示，混凝土泊松比采用0.2。

表3 土層力學(xué)參數(shù)Table 3 Soil parameters

表4 混凝土彈性模量Table 4 Elastic modulus of concrete

4 新建道路對既有高鐵橋梁橋墩穩(wěn)定性影響分析

4.1 高鐵橋梁變形限值

橋梁墩臺基礎(chǔ)工后沉降限值主要是為了滿足高速列車運(yùn)營安全和舒適要求。本文按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）[21]中第7.3.10規(guī)定墩臺基礎(chǔ)的工后沉降量不應(yīng)超過5 mm。

4.2 樁頂變形增量分析

（1）樁板式路基結(jié)構(gòu)施工影響

樁板式路基結(jié)構(gòu)施工時，首先在軟件中生成樁結(jié)構(gòu)單元，然后在上部建立板結(jié)構(gòu)，樁的頂部和板剛性鏈接，最后，將樁板式路基結(jié)構(gòu)的重力和外部荷載當(dāng)作均布荷載直接施加于板結(jié)構(gòu)上進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到的兩個橋墩墩頂測點(diǎn)的變形增量值（相對于場地地應(yīng)力平衡狀態(tài)）如表5所示。變形增量云圖如圖4和圖5所示。由表5以及圖4和圖5可以得出：a）樁板式路基結(jié)構(gòu)施工過程引起158號以及159號橋墩頂部產(chǎn)生的Z方向變形較大，Y方向變形次之，X方向的變形可以忽略?？傮w而言，158號以及 159號橋墩頂部產(chǎn)生的總變形增量分別為0.276 99 mm以及0.278 68 mm，兩者相差不大。b）新建道路樁板式路基結(jié)構(gòu)施工對既有橋梁橋墩頂部產(chǎn)生的位移均滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）[21]中限值的要求，這也說明規(guī)范化的樁板式路基結(jié)構(gòu)施工過程對既有高鐵橋梁安全性的影響較小。

表5 樁板式路基結(jié)構(gòu)施工墩頂測點(diǎn)變形增量值Table 5 Incremental deformation at the top of the bridge pierscaused by sheet pile construction mm

圖4 158號墩變形增量云圖Fig. 4 Cloud map of incremental deformation of 158 pier

圖5 159號墩變形增量云圖Fig. 5 Cloud map of incremental deformation of 159 pier

（2）路面施工影響

路面施工時，將路面劃分為3層（級配碎石墊層、水泥穩(wěn)定碎石基層以及瀝青混凝土面層）分別建模；然后將每一層的力學(xué)參數(shù)如彈性模量等賦值進(jìn)行計(jì)算。得到的兩個橋墩墩頂測點(diǎn)的變形增量值（相對于場地地應(yīng)力平衡狀態(tài)）如表6所示。變形增量云圖如圖6和圖7所示。由表6以及圖6和圖7可以得出：a）相較于樁板式路基結(jié)構(gòu)施工過程，路面施工過程引起158號以及159號橋墩頂部產(chǎn)生變形很小。主要原因是路面施工相對于樁板式路基結(jié)構(gòu)施工所施加的荷載較小，因此產(chǎn)生的影響較小。b）新建道路路面施工對既有橋梁橋墩頂部產(chǎn)生的位移均滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）[21]中限值的要求，這也說明規(guī)范化的路面施工過程對既有高鐵橋梁安全性的影響較小。

表6 路面施工墩頂測點(diǎn)變形增量值Table 6 Incremental deformation at the top of the piers during road construction mm

圖6 158號墩變形增量云圖Fig. 6 Cloud map of incremental deformation of 158 pier

圖7 159號墩變形增量云圖Fig. 7 Cloud map of incremental deformation of 159 bridge pier

（3）交通荷載影響

進(jìn)行交通荷載計(jì)算時主要考慮兩部分荷載的作用：a）汽車荷載：城-A級；b）人群荷載：按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）[22]第10.0.5條，人行道板上的人群荷載按5 kPa或1.5 kN的豎向集中力作用在一塊構(gòu)件上分別計(jì)算，取其不利者。

在路基結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性分析[23-27]以及邊坡在地震荷載作用下穩(wěn)定性分析[28-30]中，擬靜力法是一種常用的研究方法。本文在進(jìn)行交通荷載影響分析時，采用的是擬靜力法，即將交通動荷載換算成矩形分布的靜荷載并乘以放大系數(shù)后施加在路面上進(jìn)行計(jì)算。此時，兩個橋墩墩頂測點(diǎn)的變形增量值（相對于場地地應(yīng)力平衡狀態(tài)）如表7所示。變形增量云圖如圖8和圖9所示。由表7以及圖8和圖9可以得出：交通荷載引起的158號以及159號橋墩頂部產(chǎn)生變形要比路面施工過程中產(chǎn)生的變形大，但是與樁板式路基結(jié)構(gòu)施工過程產(chǎn)生的變形比較起來還是很小。交通荷載引起的既有高鐵橋梁墩頂變形亦滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）[21]中限值的要求。

表7 交通荷載引起的墩頂測點(diǎn)變形增量值Table 7 Incremental deformation at the top of the piers under traffic load mm

圖8 158號墩變形增量云圖Fig. 8 Cloud map of incremental deformation of 158 pier

圖9 159號墩變形增量云圖Fig. 9 Cloud map of incremental deformation of 159 pier

4.3 角樁樁身軸力增量分析

圖10為158～159號橋墩角樁的樁身軸力的增量變化圖，由圖10可以看出：（1）不同施工工況對不同位置橋墩樁基礎(chǔ)樁身軸力增量的影響規(guī)律是一致的，均是隨著樁基礎(chǔ)埋置深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。相比較而言，樁板式路基結(jié)構(gòu)施工時樁基產(chǎn)生的軸力增量數(shù)值最大，而路面施工過程中樁基產(chǎn)生的軸力增量數(shù)值最小，說明不同施工工況對橋墩角樁的影響程度是不一樣的：樁板式路基結(jié)構(gòu)施工的影響程度＞交通荷載作用的影響程度＞路面施工的影響程度。（2）綜合分析各施工階段橋墩角樁樁身軸力增量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在距離樁頂0.65～0.75倍樁長處軸力增量出現(xiàn)最大值。

圖10 橋墩角樁身軸力增量Fig. 10 Increment of axial force in side pile

4.4 樁側(cè)摩阻力分析

圖11為158～159號橋墩角樁的樁側(cè)摩阻力的變化圖。由圖11可以看出：（1）施工工況對不同樁基樁側(cè)摩阻力的影響趨勢是一致的：其中樁板式路基結(jié)構(gòu)施工和交通荷載作用時，不同樁基礎(chǔ)樁側(cè)摩阻力隨著樁基礎(chǔ)埋置深度的增加先減小后增大，并且樁基礎(chǔ)的埋置深度較淺的部位受到負(fù)摩阻力，樁基礎(chǔ)埋置較深的部位摩阻力為正值。路面施工對不同位置樁基樁側(cè)摩阻力的影響較小，并且路面施工過程中樁基礎(chǔ)不會受到負(fù)摩阻力。（2）綜合分析各施工階段橋墩角樁樁側(cè)摩阻力的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)樁板式路基結(jié)構(gòu)施工階段在距離樁頂0.50～0.70倍樁長處摩阻力由負(fù)值變?yōu)檎?；交通荷載作用下在距離樁頂0.65～0.75倍樁長處摩阻力由負(fù)值變?yōu)檎怠?/p>

圖11 橋墩角樁側(cè)摩阻力增量Fig. 11 Increment of shaft resistance in side pile

5 結(jié) 論

本文通過數(shù)值計(jì)算軟件對新建道路施工過程及運(yùn)營過程（樁板式路基結(jié)構(gòu)施工、路面施工及交通荷載作用）對既有高鐵橋梁橋墩安全性及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出結(jié)論：

（1）樁板式路基結(jié)構(gòu)施工過程引起 158號以及159號橋墩頂部總變形增量最大，其次是交通荷載作用下產(chǎn)生的墩頂總變形增量，而路面施工過程中產(chǎn)生的墩頂總變形增量最小。并且新建道路施工以及運(yùn)營過程對既有橋梁橋墩頂部產(chǎn)生的位移均滿足《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）[21]中限值的要求，這說明規(guī)范化的道路施工過程對既有高鐵橋梁安全性的影響較小。

（2）新建道路施工過程以及運(yùn)營過程中，橋墩樁基礎(chǔ)樁身軸力增量隨著樁基礎(chǔ)埋置深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。通常，在距離樁頂0.65～0.75倍樁長處軸力增量出現(xiàn)最大值。

（3）樁板式路基結(jié)構(gòu)施工和交通荷載作用時，不同樁基礎(chǔ)樁側(cè)摩阻力隨著樁基礎(chǔ)埋置深度的增加先減小后增大，樁板式路基結(jié)構(gòu)施工階段在距離樁頂0.50～0.70倍樁長處摩阻力由負(fù)值變?yōu)檎?；交通荷載作用下在距離樁頂0.65～0.75倍樁長處摩阻力由負(fù)值變?yōu)檎?。路面施工對不同位置樁基樁?cè)摩阻力的影響較小，并且路面施工過程中樁基礎(chǔ)不會受到負(fù)摩阻力。

本文關(guān)注的重點(diǎn)為橋墩穩(wěn)定性，因此選用理想彈塑性模型開展數(shù)值計(jì)算，限于該本構(gòu)關(guān)系的局限性，可能會產(chǎn)生一定的誤差。接下來的研究重點(diǎn)為現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對比分析，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性將在后續(xù)實(shí)測分析驗(yàn)證后繼續(xù)報(bào)道。