新建鐵路橋下穿既有鐵路橋交叉基礎(chǔ)影響分析

侯 鐵 軍

(青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通土木工程學(xué)院, 青海 西寧 810000)

自20世紀(jì)80年代起,我國(guó)道路建設(shè)得到了迅速的發(fā)展[1-2],新舊工程交匯區(qū)域愈來(lái)愈多,空間距離也隨之縮小,這對(duì)工程施工提出了更高的要求,新建工程和地面既有工程之間的相互影響越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)人員的重視.

目前,有不少專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究,這些研究大多集中在隧道、地鐵等地下工程對(duì)既有橋梁的影響.比如Lee Yong-Joo[3]與Lee Chung-Jung等[4]分別采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法及離心模型試驗(yàn)方法研究了隧道開挖對(duì)鄰近樁基礎(chǔ)的影響;巨建勛等[5]將三維幾何建模軟件與ABAQUS有限元軟件結(jié)合研究了下伏隧道在施工階段對(duì)橋梁基礎(chǔ)的力學(xué)影響;韓秋石[6]研究了盾構(gòu)隧道下穿既有橋梁施工對(duì)樁基及其周圍土體的影響機(jī)理并進(jìn)行了仿真計(jì)算;王學(xué)磊[7]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了穿越既有橋梁的城市地鐵對(duì)橋梁群樁基礎(chǔ)的影響;王翠等[8]采用彈塑性有限差分方法模擬基坑開挖過(guò)程,對(duì)深基坑開挖對(duì)鄰近橋樁的影響機(jī)制進(jìn)行了分析.而對(duì)于新建橋梁與既有橋梁交叉時(shí)對(duì)既有樁基礎(chǔ)的影響研究較少.

本文基于新建鐵路采用橋梁方式下穿既有鐵路橋梁工程,利用ABAQUS有限元軟件,建立新舊橋梁交叉區(qū)域的土體與樁基三維模型,分析新建橋梁在施工與運(yùn)營(yíng)階段對(duì)既有橋梁樁基礎(chǔ)的影響,研究既有樁基礎(chǔ)的位移與受力變化規(guī)律,為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考.

1 工程概況

既有鐵路線路全長(zhǎng)91.329 km,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ級(jí),雙線,載荷按中-活載設(shè)計(jì),于2018年6月建成通車,如圖1所示.既有鐵路橋全長(zhǎng)6.108 km,上部結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)支T梁與連續(xù)箱梁組成,截面形式全部采用《通橋(2016)2101》中的標(biāo)準(zhǔn)圖.

圖1 既有鐵路橋(交叉位置處)Fig.1 Existing railway bridge (cross location)

新建鐵路線路全長(zhǎng)約95 km,目前正處于修建階段.設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與既有鐵路相同,左右兩側(cè)分別為既有鐵路橋的64#墩和63#墩,左線中心距64#墩邊緣的最小距離為18.35 m,右線中心距63#墩邊緣的最小距離為7.03 m.在交叉處采用橋梁方式從既有鐵路橋梁下穿通過(guò),夾角為85°.新建鐵路橋全長(zhǎng)5.5 km,上部結(jié)構(gòu)同樣由簡(jiǎn)支T梁與連續(xù)箱梁組成,在下穿交叉區(qū)域內(nèi)橋梁的3#墩及4#墩與既有鐵路橋形成十字交叉,位置關(guān)系如圖2所示.最小樁基中心距滿足《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB 10182—2017)中不宜小于6倍下穿工程樁徑的規(guī)定.

圖2 新建鐵路橋與既有鐵路橋樁基位置關(guān)系(單位: m)Fig.2 Pile foundation position relation between new bridge and existing bridge(Unit: m)

交叉區(qū)域內(nèi)橋梁的基礎(chǔ)情況為:既有鐵路橋63#、64#橋墩為圓端形實(shí)體橋墩,墩高分別為17.9和18.5 m,63#墩承臺(tái)尺寸為10.4 m×8.0 m×2.5 m,采用12根直徑1 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁基采用3×4行列式布置,樁長(zhǎng)45.5 m;64#墩承臺(tái)尺寸為7.6 m×6.7 m×2.5 m,采用8根直徑1 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁基采用梅花式布置,樁長(zhǎng)42.0 m.新建鐵路橋3#墩樁長(zhǎng)48.0 m,4#墩樁長(zhǎng)49.0 m,均采用8根1 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁基采用2×4行列式布置,承臺(tái)尺寸均為10.2 m×4.8 m× 2.5 m.交叉區(qū)域樁基立面關(guān)系如圖3所示.

圖3 樁基立面關(guān)系圖(單位: m)Fig.3 Pile foundation elevation diagram(Unit: m)

2 有限元模型的建立

本次計(jì)算采用ABAQUS 6.14有限元對(duì)既有橋梁63#和64#橋墩基礎(chǔ)模型及周邊70 m×65 m×55 m范圍內(nèi)的土體建立模型.根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)資料及地質(zhì)資料,確定周圍土層參數(shù)與承臺(tái)和樁基材料參數(shù),見表1和表2.

如圖4所示,在樁土模型建立過(guò)程中,樁體與承臺(tái)的本構(gòu)模型采用線彈性本構(gòu)模型,而對(duì)于土體,則采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型[9]模擬土體的非線性特征.模型中所有單元均采用20節(jié)點(diǎn)二次六面體線性減縮積分單元(C3D8R)模擬.考慮到樁-土間的相互作用是一個(gè)高度非線性變形行為,因此在模擬樁-土接觸利用Interaction模塊里的Surface to Surface功能建立接觸關(guān)系,該接觸選擇主、從表面的原則將相對(duì)較柔軟的材料表面作為從屬表面,因此本文將土體表面定義為從屬表面,考慮界面摩擦對(duì)界面阻力的影響,將接觸類型設(shè)置為有限滑動(dòng),接觸性質(zhì)為摩爾-庫(kù)倫摩擦罰函數(shù)形式, 摩擦系數(shù)取0.5.樁體與承臺(tái)間利用Constraint模塊里的Tie功能建立接觸關(guān)系[10], 其作用是將接觸的界面完全耦合, 相當(dāng)于將兩物體在交接界面完全“粘”在一起. 模型邊界條件設(shè)置為: 土體模型上表面為自由面, 底部采用固定約束, 外側(cè)約束其水平方向的位移. 橋梁傳至承臺(tái)頂面的豎向載荷以均布載荷實(shí)現(xiàn), 承臺(tái)所受的橫向載荷也采用分布力等效施加在承臺(tái)側(cè)面.

圖4 樁土模型Fig.4 Pile soil model

表1 土層參數(shù)Table 1 Soil parameters

表2 承臺(tái)和樁基材料參數(shù)Table 2 Material parameters of cap and pile foundation

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

首先采用ODB文件導(dǎo)入法生成初始地應(yīng)力場(chǎng),然后按雙孔重載工況模擬既有鐵路橋運(yùn)營(yíng)階段(工況1),在此基礎(chǔ)上分別模擬新建鐵路橋的施工階段(工況2)及運(yùn)營(yíng)階段(按雙孔重載工況模擬,工況3).

3.1 土體位移

工況1和工況3土體的位移云圖見圖5,可發(fā)現(xiàn)無(wú)論在新建鐵路橋施工階段還是在運(yùn)營(yíng)階段土體均保持穩(wěn)定,未發(fā)生土體破壞及滑移現(xiàn)象.橋位區(qū)土體的最大位移量位于63#橋墩上的填土,且發(fā)生在新建橋梁的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中.

分別提取各工況下63#橋墩上填土的位移變化趨勢(shì),見圖6.

圖5 土體位移云圖(單位:m)Fig.5 Cloud chart of soil displacement (unit:m)(a)—工況1; (b)—工況3.

圖6各工況下土體位移變化趨勢(shì)

Fig.6Trendofdisplacementofsoilundervariousworkingconditions

由圖6可知,各工況下土體位移的變化趨勢(shì)相同,均是加載初期增長(zhǎng)緩慢,加載后期增長(zhǎng)加快,達(dá)到最大位移.新建鐵路橋施工階段對(duì)橋位區(qū)土體的最大位移基本上沒(méi)有影響,在運(yùn)營(yíng)階段土體最大位移增加,但增量較小,只比既有鐵路橋單獨(dú)運(yùn)營(yíng)階段土體的最大位移增加了0.6 mm.由于新建鐵路橋在運(yùn)營(yíng)階段的載荷與施工階段相比相差較大,因此可得出橋位區(qū)土體的位移受新建鐵路橋的影響隨著載荷的增大而增大,但位移變化趨勢(shì)保持不變.

3.2 既有橋梁樁基位移

由于既有鐵路橋63#橋墩距離新建鐵路橋較近,新建橋梁的施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)既有橋梁63#橋墩基礎(chǔ)影響相對(duì)較大,因此本文僅對(duì)既有鐵路橋63#橋墩的位移和受力進(jìn)行分析.工況2和工況3下63#橋墩位移的計(jì)算結(jié)果如圖7所示.

既有鐵路橋63#墩樁基位移的計(jì)算結(jié)果與工況1對(duì)比結(jié)果見表3.由表3及圖7可以看出:新建鐵路橋的施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)既有橋梁樁基豎向位移影響相對(duì)較大,而對(duì)水平位移影響較小,尤其是對(duì)水平縱向位移的影響幾乎可以忽略.

表3 63#墩樁基位移計(jì)算結(jié)果

圖763#橋墩樁基位移(單位:m)

Fig.5DisplacementofpilefoundationofpierNo.63(unit:m)

(a)—工況2; (b)—工況3.

63#橋墩各工況下在載荷加載過(guò)程中樁基位移的變化趨勢(shì)見圖8,由圖8可以看出,不管是豎向位移還是橫向位移,在各工況下的變化趨勢(shì)基本相似,在加載初期樁基位移緩慢增加,而且各工況下的位移基本相同,說(shuō)明當(dāng)新建鐵路橋載荷較小時(shí),對(duì)既有橋梁基本不存在影響.在加載后期,隨著載荷的增大,樁基位移的增速也逐漸加快.由于新建鐵路橋在運(yùn)營(yíng)階段的載荷最大,所以運(yùn)營(yíng)階段下樁基位移的增速最快,位移也最大.

圖8 63#橋墩各工況下樁基位移趨勢(shì)Fig.8 Displacement trend of pile foundation under different working conditions of pier No.63(a)—豎向位移; (b)—橫向位移.

3.3 既有橋梁樁基應(yīng)力

各工況下既有鐵路橋63#橋墩樁應(yīng)力結(jié)果如圖9所示.

由圖9的應(yīng)力云圖可以看出,各工況下樁基的應(yīng)力相差較小,并且在新建鐵路橋施工和運(yùn)營(yíng)階段,既有橋梁樁基的應(yīng)力較小,這是因?yàn)樵谛陆ㄨF路橋載荷作用時(shí),對(duì)既有橋梁的樁基形成一個(gè)“擠壓作用”,這個(gè)“擠壓作用”會(huì)隨著載荷的增大逐漸增大,增大了土體對(duì)既有樁基的摩擦,導(dǎo)致應(yīng)力減小.

根據(jù)應(yīng)力云圖找到樁基最不利應(yīng)力的位置,繪制出各工況下該位置處樁基應(yīng)力的變化趨勢(shì),如圖10所示.由圖10可以看出,各工況下樁基的應(yīng)力變化趨勢(shì)相同,而且數(shù)值變化也很小,說(shuō)明新建鐵路橋的施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)既有鐵路橋樁基應(yīng)力的影響可以忽略.根據(jù)應(yīng)力云圖找出既有橋梁63#墩在各工況下最不利樁軸力的位置,并提取相應(yīng)位置的軸力,結(jié)果見表4.

由表4可知,63#墩在工況2和工況3的最不利樁軸力跟工況1比較相差不大,分別只減少了9和23 kN.進(jìn)一步說(shuō)明新建鐵路橋的施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)既有鐵路橋樁基受力幾乎無(wú)影響.

4 結(jié) 論

本文利用ABAQUS有限元軟件,以下穿既有鐵路橋的新建鐵路橋工程為依托,建立交叉區(qū)域內(nèi)土體與樁基三維模型,對(duì)新建鐵路橋在施工與運(yùn)營(yíng)階段對(duì)交叉橋址區(qū)土體位移、既有橋梁樁基礎(chǔ)位移和應(yīng)力影響進(jìn)行分析,結(jié)果表明:新建鐵路橋在運(yùn)營(yíng)階段對(duì)既有橋梁基礎(chǔ)影響較大;在鐵路橋的設(shè)計(jì)施工階段,應(yīng)對(duì)該橋梁運(yùn)營(yíng)階段對(duì)周圍既有橋梁的影響進(jìn)行驗(yàn)算分析,確保其影響在許可范圍之內(nèi).本文的研究?jī)?nèi)容可為今后類似新舊橋梁交叉工程的基礎(chǔ)影響研究提供計(jì)算參考.

1) 橋位區(qū)土體的位移受新建鐵路橋的影響隨著載荷的增大而增大,而且和既有鐵路橋運(yùn)營(yíng)階段的位移變化趨勢(shì)相似,都是在加載初期緩慢增加,加載后期增加速度加快,最終達(dá)到最大位移.

2) 新建鐵路橋?qū)扔需F路橋樁基豎向位移影響相對(duì)較大,而對(duì)水平位移影響較小,尤其是對(duì)水平縱向位移的影響幾乎可以忽略.不管是豎向位移還是橫向位移,在各工況下的變化趨勢(shì)基本相似,在加載初期,樁基位移緩慢增加,而且各工況下的位移基本相同;在加載后期,隨著載荷的增大,樁基位移的增速也逐漸加快.

3) 各階段下既有鐵路橋的應(yīng)力變化趨勢(shì)相同,且數(shù)值變化很小.由于 “擠壓作用”的存在,新建鐵路橋施工和運(yùn)營(yíng)階段會(huì)減小既有橋梁樁基的應(yīng)力,但減小的程度可以忽略.