新建連鎮鐵路樁板結構下穿京滬高鐵影響分析

代漢超 馮征遠

(1.中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200070; 2.南京鐵路樞紐工程建設指揮部 江蘇南京 210042)

新建連鎮鐵路樁板結構下穿京滬高鐵影響分析

代漢超1馮征遠2

(1.中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200070; 2.南京鐵路樞紐工程建設指揮部 江蘇南京 210042)

以新建鐵路連云港至鎮江線下穿京滬高鐵實例為背景，利用有限元程序Midas/GTS NX對新建樁板結構建立彈塑性有限元模型進行施工階段分析。樁端持力層為粉質黏土，樁基為摩擦樁，為了分析摩擦樁與土層之間的相互作用，建立樁-土接觸單元來模擬樁土間的接觸作用，以樁端單元模擬樁端土的支撐力。分析基坑開挖、樁基施工、樁板及上部結構施工、運營階段等不同施工階段對京滬高鐵的影響。計算結果表明：樁板結構的施工對既有京滬高鐵的影響很小。

樁板結構;下穿高速鐵路;接觸單元;有限元分析

0 引言

隨著我國地方經濟的快速發展，新建或改建道路下穿高速鐵路的數量日益增多，目前在道路下穿高速鐵路方案選擇時，主要有路基方案[1]、U型槽方案[2]、樁板結構方案[3-4]等方法。

其中樁板結構是地基處理的一種新型方法，在國內外鐵路建設中均有采用。該結構主要由鋼筋混凝土樁基和鋼筋混凝土承臺板組成，其主要的工作機理是：通過承臺板將上部荷載傳到樁體，樁體把荷載擴散到樁間土、下臥層或樁基底巖石層，從而達到控制路基沉降與變形破壞的目的。

本文以新建連云港至鎮江鐵路右線下穿京滬高鐵為例，采用GTS NX軟件，建立樁-土接觸單元來考慮樁土間的接觸問題，利用彈塑性有限元方法分析新建樁板結構不同施工階段對京滬高鐵的影響。

1 概況

1.1京滬高鐵概況

新建連鎮鐵路右線于京滬高鐵第67跨下穿，兩條線路夾角為42°，相交處京滬高鐵為32m簡支梁，橋墩為雙柱墩，墩高7.5m，樁基采用8-Φ1.0m鉆孔樁，如圖1所示。

1.2新建樁板結構設計方案

樁板結構板采用托梁式，頂寬7.6m，長82m，分4聯：(2-8)m+(3-8)m+(3-8)m+(2-8)m，托板厚1.0m，托梁高1.5m，板下鋪10cm厚C15素混凝土+10cm厚碎石墊層，下部設22根Φ1.25m鉆孔樁, 行列式布置(縱向間距8m，橫向間距4m)，樁長30m。

圖1 下穿京滬高鐵現場圖

2 計算模型

本次分析建立的有限元模型如圖2所示。計算過程中，土體、京滬高鐵66#～67#橋墩采用梁單元，樁基礎和樁板結構采用實體單元模擬。模型共計299 053個單元、122 665個節點。計算模型順連鎮鐵路方向為131m，垂直連鎮鐵路方向為104m，深度方向為79m。模型前后左右均為法向約束，模型底部為豎向加法向約束。

其中樁基采用梁單元模型，土體考慮為彈塑性材料，為模擬樁土之間的接觸問題，在樁和土之間設置接觸單元[5-6]，設定樁土滑移的臨界條件[7-8]。

根據相關地質資料和勘察報告，計算區域內的土層分布如圖2(c)所示，分別為①4層種植土、④21層粉質黏土、④22層粉質黏土、④23層粉質黏土、④24層粉質黏土、④25層粉質黏土。

(a)整體模型

(b)樁板結構與京滬高鐵的相對位置

(c)土層分布

根據勘察報告，本次計算各個土層的力學參數取值如表1所示。京滬高鐵66#～67#橋墩和樁板結構的混凝土參數如表1所示。樁基持力層為④25粉質黏土，樁基為摩擦樁。

表1 各個土層及混凝土力學參數

為分析新建樁板結構對京滬高鐵的影響，本次數值分析的計算步驟如下：

Step1：初始應力場分析；

Step2：新建樁板結構樁基施工；

Step3:新建樁板結構托梁、托板及附屬設施施工；

Step4: 新建樁板結構通車運營。

計算采用荷載如表2所示。

表2 各分項荷載

3 計算結果

3.1新建樁板結構樁基施工影響分析

新建樁板結構樁基礎施工階段，京滬高鐵66#～67#橋墩的變形值如表3所示。其中66#橋墩變形主要以順橋向的水平變形為主，最大變形值為0.29mm。67#橋墩的變形也以順橋向為主，方向與66#橋墩方向相反，最大變形值為0.30mm。

表3 新建樁板結構樁基施工階段，京滬高鐵66#～67#橋墩變形值

注：U1為順橋向，以上海方向為正方向；U3為沉降方向，以向上為正方向；U2為橫橋向，正向以右手法則確定；U為變形矢量和。下同。

3.2新建樁板結構上部結構施工影響分析

新建樁板結構上部結構施工階段，京滬高鐵66#～67#橋墩的變形值如表4所示。可以看出，京滬高鐵橋墩的變形繼續增加。其中66#橋墩最大變形值為0.55mm，67#橋墩的最大變形值為0.56mm，均以順橋向水平變形和沉降為主。

表4 新建樁板結構上部結構施工階段，京滬高鐵66#～67#橋墩變形值

3.3新建樁板結構通車運行影響分析

新建樁板結構通車運營階段，京滬高鐵66#～67#橋墩的變形值如表5所示。可以看出，在連鎮鐵路運營荷載作用下，京滬高鐵橋墩的變形進一步加大。其中66#橋墩最大變形值為0.88mm。67#橋墩的變形值為0.89mm，均以順橋向水平變形和沉降為主。

表5 新建樁板結構運營階段，京滬高鐵66#～67#橋墩變形值

4 結論

新建連鎮右線樁板結構施工階段，京滬高鐵66#～67#橋墩的變形如圖3～圖4所示。可以看出，新建連鎮右線樁板結構施工完成后，京滬高鐵66#橋墩最大變形值為0.88mm，67#橋墩最大變形值為0.89mm，均以順橋向的水平變形和沉降變形為主。

可見，新建連鎮鐵路右線樁板結構，施工和運營荷載引起高鐵橋墩最大水平位移和沉降量均小于1mm，施工和運營荷載對高鐵橋墩影響小。

圖3 樁板結構施工階段京滬高鐵66#橋墩變形(單位：mm)

圖4 樁板結構施工階段京滬高鐵67#橋墩變形(單位：mm)

這是因為，樁板結構的樁基距離京滬高鐵的樁基距離較遠，最近距離為6.55m，大于6倍樁徑，故樁板結構的樁基施工對既有京滬高鐵的樁基影響很小。工點處的土質較好，樁周土體為承載力在200kPa以上的粉質黏土，樁基很好地把樁板的恒載和運營階段的活載傳遞并分散到土體中，故上部結構施工階段和運營階段對京滬高鐵橋墩影響較小。

綜上所述，以樁板結構形式下穿京滬高鐵，方案是合理的。

[1] 李悄，孫宗磊，張軍,等.軟土地區新建道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.

[2] 武宏斌.下沉式地道下穿高鐵施工技術研究[J]鐵道建筑技術，2014(5)：21-24.

[3] 詹永祥，蔣關魯，魏永幸.樁板結構路基沉降影響因素的有限元分析[J].路基工程，2007(3)：12-13.

[4] 楊斌.樁板結構技術在高鐵施工中的實踐探究[J].工程建設與設計, 2017(3):96-97.

[5] 宰金珉, 宰金璋. 高層建筑基礎分析與設計 [M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 1994.

[6] 張彬,任龍,劉欣. 樁土接觸面切向剛度數據擬合 [J]. 遼寧工程技術大學學報(自然科學版), 2016,36(5):498-503.

[7] Gaffido JA, Forces A,Paris F. An incremental procedure for three-dimensional contact problems with friction. Comp ut Struct. 1994(2):201-215.

[8] 雷曉燕. 三維接觸問題新模型研究[J].土木工程學報，1996(3):24-33.

AnalysisAbouttheInfluenceofPileBoardStructureintheNewlyBuiltLian-ZhenRailwayontheBeijing-ShanghaiHigh-SpeedRailway

DAIHanchao1FENGZhengyuan2

(1.China Railway Shanghai Design Institute Group Co., Ltd, Shanghai 200070; 2.Nanjing Railway Project Construction Headquarters, Nanjing 210042)

Based on the case of the newly-built Lian-Zhen High Speed Railway traversing under the Beijing-Shanghai High Speed Railway, using finite element program Midas/GTS NX, a elastoplastic finite element model for the pile-plank structure was established. The pile point supporting layer was silty clay, so the piles belonged to the type of friction pile. To analyse friction piles - soil interaction, in the elastoplastic finite element model, pile soil contact surface elements were established to simulate the pile-soil interaction and pile-end finite element units were used to simulate the support of pile tip soil. The influence of different construction stages were analyzed:foundation pit excavation stage, construction of board and superstructure, operation stage. The calculated results showed that the influence of pileboardconstruction stages on the Beijing-Shanghai High Speed Railway was little.

Pile Board Structure; Underneath passing existing high-speed railways; Contact surface element; Finite element method

U24

A

1004-6135(2017)11-0068-03

代漢超(1985- ),男,工程師。

E-mail:daihanchao@sty.sh.cn

2017-08-15