下穿既有高鐵橋梁泡沫混凝土公路路堤研究

劉 彥 玲

(四川公路橋梁建設集團有限公司大橋工程分公司，四川 成都 610000)

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下穿既有高鐵橋梁泡沫混凝土公路路堤研究

劉 彥 玲

(四川公路橋梁建設集團有限公司大橋工程分公司，四川 成都 610000)

利用有限元軟件，分開挖、回填和運營三階段建模，對泡沫混凝土與常規(guī)填料填筑路堤對既有高鐵橋梁的影響進行了分析，結果表明采用泡沫混凝土路堤型式可明顯減小既有橋墩的沉降量、差異沉降量、縱橫向變形。

下穿高鐵橋梁，泡沫混凝土，公路路堤

隨著鐵路和公路網的完善，將會遇到新建高速公路下穿既有高速鐵路橋梁的問題。新建公路施工和運營時產生的恒載和活載均會對基礎土層產生附加應力，引起既有橋梁基礎產生垂直和水平變形。同時施工設備(如壓路機、運料車等)施工時亦會增加樁基礎變形，存在橋墩受撞擊的風險[1,2]。因此，迫切需要一種減小既有高速鐵路橋梁影響和施工風險的路堤填筑新工藝。

泡沫混凝土是近些年發(fā)展的一種新材料[3]，主要以水泥、摻合料等為主要膠凝材料，加入外加劑和水制成料漿，而后再與一定比例穩(wěn)定氣泡群混合攪拌形成流體，在施工現場澆筑、養(yǎng)護而成的含有均勻分布氣泡的輕質混凝土材料[4]，具有自重輕、強度高、流動性好、環(huán)境影響低等優(yōu)點[5]，已經從屋面保溫層、地暖絕熱層逐漸擴展到土木工程領域[6-8]。在本工點可采用泡沫混凝土填筑路堤結構時，可利用其專業(yè)施工設備，無干擾的特性，但其施工、運營時對既有高鐵橋梁的影響效果尚不明確。

本文采用數值仿真技術，分開挖、回填施工和運營三階段建模對比分析泡沫混凝土路堤與常規(guī)填料路堤在同一工點施工和運營時對既有高鐵橋梁基礎的附加影響。

1 工點概況

新建公路下穿高鐵項目位于京九鐵路永城段內，公路下穿既有高鐵橋梁墩號P2與P3之間(48+80+48)m橋梁主跨內，道路中心線與鐵路中心線相交，交叉角度為69°36′(見圖1)。

1.1 高鐵概況

既有高鐵為無縫、無砟軌道線路，設計速度目標值為350 km/h。

既有橋梁橋墩為圓端形實體橋墩，墩高9.0 m～12.8 m，P1號墩、P4號墩采用12根直徑1.0 m鉆孔灌注樁基礎，承臺尺寸為7.6 m×10.4 m×2.2 m，樁長62 m，而P2號墩、P3號墩采用15根直徑1.5 m鉆孔灌注樁基礎，一級承臺尺寸為10.6 m×18.6 m×3 m，二級承臺尺寸為7.6 m×12.4 m×0.5 m，樁長77 m。

1.2 下穿公路設計概況

新建公路為城市道路主干路，設計速度60 km/h，路面設計以BZZ-100為標準軸載，路面類型為瀝青混凝土路面。其中新建公路橫斷面路幅布置：2.5 m(人行道)+4.5 m(非機動車道)+2 m(側分帶)+15 m(機動車道)+4 m(中央分隔帶)+15 m(機動車道)+2 m(側分帶)+4.5 m(非機動車道)+2.5 m(人行道)，路幅總寬52 m。

1.3 工程地質條件

表1 各土層參數表

2 評估指標及安全評估標準限值

高鐵橋梁的安全評估一般從結構及附屬設施變形、結構強度等方面考慮，且一般采用變形作為主要控制指標。參考國內類似工程經驗并結合理論計算分析，制定了變形控制指標及標準(見表2)。

表2 安全評估控制指標及限值 mm

3 有限元模型建立

根據相關文獻，當計算模型平面尺寸與結構平面尺寸之比大于3～5時，邊界效應對結構的靜、動力反應影響已經很小。土體模型取值為寬度100 m，長200 m，土體深度85 m，其中清表開挖時處理深度為2 m，路堤與路面層高度為4 m。

利用確定的分層土的地質參數和土體計算模型尺寸，采用ABAQUA有限元軟件建立三維有限元模型，計算模型如圖2所示。

4 不同路堤型式公路下穿既有高鐵橋梁影響分析

分開挖、回填施工和運營三階段分析兩種路堤型式施工與運營時，對既有橋梁的影響，其中F代表泡沫混凝土路堤，T代表傳統常規(guī)填料路堤。

4.1 沉降量

圖3為不同施工階段墩臺位置的沉降量，分析可知：清表開挖時，會出現應力釋放，沉降量出現減小現象；兩種路堤型式進行開挖和填筑時，P2墩,P3墩由于距離公路較短，受到的影響較大，而P1墩,P4墩距離較大，影響較小；由于兩種路堤型式施工開挖時，采用相同的開挖的深度，則同一樁基位置影響相同；由于泡沫混凝土填料的密度約為常規(guī)填料的1/3倍，產生的附加應力明顯減小，從開挖完成階段到回填施工完成階段，泡沫混凝土路基施工時，P2墩,P3墩位置沉降量增加較小；在運營工況時，進行同等大小荷載施加時，泡沫混凝土由于彈性模量較大，對應力擴散作用更加明顯，對樁基影響減小。

4.2 差異沉降量

不同施工階段墩臺位置的差異沉降量可見圖4，在進行清表施工開挖時，差異沉降量達到最大值為1.691 mm，小于規(guī)范限值要求，在控制值范圍內；同一墩位置的差異沉降量為相鄰兩橋面差異沉降的絕對值最大值，則P1和P2相同，P3和P4相同。

4.3 橫向水平變形量

圖5為不同施工階段墩臺頂部橫向水平變形量，分析可知：回填施工和運營階段，采用泡沫混凝土填筑路堤與常規(guī)填料相比，橫向水平變形量明顯減小，當采用泡沫混凝土材料填筑路堤時，橫向水平變形量最大值出現在P3墩位置，為0.738 mm，而采用常規(guī)填料填筑時，P2墩位置疊加初始設計值后的橫向水平變形量最大值為-0.918 mm，均滿足上海鐵路局橫向水平變形的限值要求。

4.4 縱向水平變形量

圖6為不同施工階段墩臺頂部縱向水平變形量，分析可知：采用泡沫混凝土填筑路堤可明顯減小各墩頂位置的縱向水平變形量；當采用常規(guī)填料填筑路堤時，P3墩頂位置的縱向變形量最大，達到11.808 mm，約為泡沫混凝土填筑時的2倍。

5 結語

本文通過利用ABAQUS有限元軟件，采用變形為控制指標，分開挖、回填施工和運營三階段建模對比分析泡沫混凝土路堤填筑與常規(guī)填料路堤在同一工點施工和運營時對既有高鐵橋梁基礎的附加影響，得到如下結論：

1)采用兩種路堤型式施工與運營時，在該工點對既有橋梁的影響均滿足要求。2)采用泡沫混凝土路堤型式可明顯減小既有橋墩的沉降量、差異沉降量、橫向水平變形量和縱向水平變形，保證更高的安全系數，可作為優(yōu)選的路堤結構型式。

[1] 高世強.高速鐵路橋梁橋下新建公路工程的安全性分析[J].鐵道標準設計,2015,59(4):63-67.

[2] 李 悄,孫宗磊,張 軍，等.軟土地區(qū)新建公路下穿既有高速鐵路影響分析及對策[J].高速鐵路技術,2013(1):26-30.

[3] 何國杰,鄭穎人,楊晨曦.氣泡混合輕質土的吸水特性和抗凍融循環(huán)性能[J].后勤工程學院學報,2008,24(4):6-8.

[4] 唐 明,徐立新.泡沫混凝土材料與工程應用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[5] Watabe Y, Noguchi T. Site-investigation and geotechnical design of D-runway construction in Tokyo Haneda Airport[J]. Soils and foundations,2011,51(6):1003-1018.

[6] 谷亞新,王延釗,王小萌.不同工藝泡沫混凝土的研究進展[J].混凝土,2013(12):148-152.

[7] 李英姿.氣泡混合輕質土在加固軟土地基中的應用[J].巖土工程界,2008,11(4):66-68.

[8] 張小平,包承綱,李進軍.泡沫輕質材料在巖土工程中的應用[J].巖土工程技術,2000(1):58-62.

Study on the foam concrete road embankment passing bellow existing high-speed railway bridge

Liu Yanling

(MajorBridgeBranchCompany,SichuanRoad&BridgeConstructionGroupCo.,Ltd,Chengdu610000,China)

The finite element software were used in this article to comparison and analysis of the three stages of excavations, backfill construction and operation of the foam concrete road embankment and the conventional embankment the influence on the existing bridge. The following conclusions were got. The foam concrete embankment can significantly reduce the settlement and differential settlement of bridge piers, lateral horizontal deformation and vertical deformation, guaranteeing the high safety coefficient.

passing below high-speed railway bridge, foam concrete, road embankment

1009-6825(2017)18-0144-02

2017-04-12

劉彥玲(1987- )，男，助理工程師

U416

A