高速公路拓寬下穿京滬高鐵三維有限元分析

於 慧 （現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)上海申元巖土工程有限公司，上海 200040）

0 前言

隨著我國(guó)高鐵的快速建設(shè)，對(duì)城市的分隔作用也日益明顯，城市高速公路建設(shè)時(shí)不得不穿越已建成或正在建設(shè)的高鐵，通常以路堤填筑、隧道及高架橋的形式實(shí)現(xiàn)城市高速公路的連接功能，而這些建設(shè)往往會(huì)對(duì)鄰近的高鐵樁基產(chǎn)生一定的影響。在軟土地區(qū)，高速鐵路無砟軌道對(duì)沉降及承載力的控制[1]極其嚴(yán)格，相關(guān)學(xué)者[2-5]對(duì)此展開了研究，徐干成[6]等以北京地鐵14號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道為背景，對(duì)下穿京津城際鐵路段的施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，計(jì)算表明對(duì)下穿段一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行注漿加固可以有效控制盾構(gòu)隧道施工引起的既有鐵路縱向和橫向沉降及不均勻沉降；李悄[7]等通過PLaxis的數(shù)值分析方法分析了新建公路采取不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)高速鐵路的影響；李耐振[8]等以德大線下穿京滬高速鐵路為背景，從工程投資、下穿工程措施、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、養(yǎng)護(hù)維修等多方面對(duì)德大線改線下穿和原位下穿京滬高速鐵路兩個(gè)方案進(jìn)行了必選；程雄志[9]等的研究表明采用聯(lián)合加固方法可以有效減少盾構(gòu)穿越高速鐵路路基引起的沉降。盾構(gòu)穿越后實(shí)測(cè)最大、沉降量為0.7mm，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相近，能確保高鐵運(yùn)營(yíng)安全。以往的研究表明，新建公路以路基形式下穿時(shí)，應(yīng)盡量減少填方，并采用輕型筑堤材料，減輕路基填料影響。

本文以京滬高鐵沿線蘇州段某公路拓寬為工程背景，建立高速公路拓寬下穿京滬高鐵的ABAQUS三維有限元模型，就高速公路拓寬對(duì)高鐵橋墩及基礎(chǔ)面的變形、高鐵樁基的力學(xué)特性及高速公路的變形展開分析，從而完善公路拓寬下穿高鐵的理論依據(jù)，為類似工程的設(shè)計(jì)施工提供參考意義。

1 工程概況

開泰路是高鐵新城內(nèi)一條南北向生活性干道。其中K2+278.23～蠡太路段落附近需要穿過京滬高鐵橋墩墩號(hào)38#和39#，段落全長(zhǎng)約1.3km。原道路劃分為6.8m中央綠化帶+2×7.5m車行道+2×15m綠化帶，現(xiàn)由于發(fā)展需要，道路需要擴(kuò)建，改造后路幅總寬51.8m，四幅式斷面形式，路幅布置為綠化帶5m+人行道2m+綠化帶1.5m+非機(jī)動(dòng)車道3m+機(jī)非分隔帶3m+機(jī)動(dòng)車道7.5m+中央分隔帶6.8m+機(jī)動(dòng)車道7.5m+機(jī)非分隔帶3.5m+非機(jī)動(dòng)車道5m+綠化帶1.5m+人行道2m+綠化帶3m（如圖1所示）。

圖1 開泰公路拓寬橫斷面圖

圖2 開泰公路下穿京滬高速鐵路模型平面圖

2 有限元計(jì)算模型

2.1 模型建立

以開泰公路下穿京滬高速鐵路的拓寬工程為背景，根據(jù)地質(zhì)資料，路基下分布有較深的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，壓縮性高，強(qiáng)度低，土質(zhì)較差，層厚15m。老路車行道路面結(jié)構(gòu)層的厚度為60.5cm，新建段落車行道路面結(jié)構(gòu)總厚度61.6cm，人行道路面結(jié)構(gòu)總厚度為29.5cm。

為避免邊界效應(yīng)的影響，本次分析長(zhǎng)度方向選取距離開泰公路寬度3倍距離，寬度方向選取高鐵橋墩中心到道路中心距離的3倍，因此計(jì)算區(qū)域的尺寸取為長(zhǎng)210m，寬120m，深度120m（如圖2所示），其下假設(shè)為剛性不透水層。模型底面采用全部約束，約束x，y，z三個(gè)方向的位移，側(cè)表面約束軸向位移，頂面為力邊界約束。根據(jù)計(jì)算區(qū)域及研究問題的需要，為了研究樁的作用，高鐵及樁的部位單元網(wǎng)格劃分較密，其他部位逐漸變疏。用Sweep法和Advancing front算法劃分網(wǎng)格，整個(gè)路堤的單元形狀都為Hex和Hex-D，模型網(wǎng)格劃分共得到49579個(gè)單元，46258個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中，土體采用C3D8R單元模擬（如圖3所示）。

圖3 有限元網(wǎng)格

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

地基土和路堤土均采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，樁為線彈性體。土層計(jì)算參數(shù)由土工試驗(yàn)得到（見表1）。計(jì)算中彈性模量根據(jù)土體壓縮模量換算而得。場(chǎng)地土層分布特點(diǎn)如下：②1層粉質(zhì)粘土：淺灰色，軟塑為主。系中等偏高壓縮性，低強(qiáng)度土層，工程性質(zhì)一般。②2層粉質(zhì)粘土：青灰色，可塑為主。系中等壓縮性，中等強(qiáng)度土層，工程性質(zhì)中等。③1層粘土：黃褐色，可塑。系中等壓縮性，中高強(qiáng)度土層，工程性質(zhì)較好。③2層粉質(zhì)粘土：灰黃色，可塑為主。系中等壓縮性，中等強(qiáng)度土層，工程性質(zhì)中等。④1層粉土：灰黃～灰色，很濕，稍密～中密。系中等壓縮性，中等強(qiáng)度土層，工程性質(zhì)一般。④2層粉砂：灰色，飽和，中密狀為主。系中低壓縮性，中高強(qiáng)度土層，工程性質(zhì)較好。⑤層粉質(zhì)粘土：灰色，軟塑。系中高壓縮性，中低強(qiáng)度土層，工程性質(zhì)一般。⑥1層粘土：暗綠色～褐黃色，可～硬塑。系中等壓縮性，中高強(qiáng)度土層，工程性質(zhì)較好。⑥2層粉質(zhì)粘土：灰綠～灰黃色，可塑為主。系中等壓縮性，中等強(qiáng)度土層，工程性質(zhì)中等。⑦1層粉質(zhì)粘土：灰色，軟塑為主。系中高壓縮性，中低強(qiáng)度土層，工程性質(zhì)一般。

路面結(jié)構(gòu)層的平均重度為22 kN/m3。其中彈性模量E參考地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，取為勘查報(bào)告中壓縮模量Es的3～5倍[10-12]，有限元計(jì)算可取大值。

土層物理力學(xué)指標(biāo) 表1

2.3 接觸面處理

高鐵橋梁樁與樁周土體的變形模量相差很大，在一定的荷載條件下有可能在兩者的接觸面上產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)滑移。這時(shí)，應(yīng)該在樁-土之間設(shè)置接觸面單元，以更好的反映樁-土之間的變形情況。模型中，高鐵樁基與樁周土、路面結(jié)構(gòu)層與土體之間均設(shè)置接觸面，以模擬樁-土之間的黏結(jié)、滑移、脫離，且認(rèn)為分析過程中樁-土間的摩擦系數(shù)不變。接觸面法向模型為“硬”接觸，摩擦特性為Penalty，摩擦系數(shù)為tan0.75φ，接觸面調(diào)節(jié)系數(shù)為2%。

2.4 模型工況

根據(jù)地質(zhì)資料，該標(biāo)段老路堤于2004年建成通車，模型中假設(shè)地基已經(jīng)在老路堤荷載作用下固結(jié)已基本完成。初始地應(yīng)力平衡時(shí)，先假設(shè)高鐵樁和地基具有相同的重度，連同老路堤一起平衡，在第二步時(shí)將高鐵樁基多余的重度及墩頂?shù)母哞F荷載施加上去，這樣能較好的模擬地基的初始應(yīng)力狀態(tài)以及便于后續(xù)分析新路堤填筑對(duì)高鐵樁基的影響。

ABAQUS中提供了生死單元，根據(jù)施工的先后順序，將整個(gè)計(jì)算分析過程分為四個(gè)工況步（step），即：

step1初始地應(yīng)力計(jì)算形成自重應(yīng)力場(chǎng)；

step2添加既有高鐵及高鐵荷載（根據(jù)京滬高速鐵路設(shè)計(jì)荷載，按最不利1000kN施加）；

step3開泰路非機(jī)動(dòng)車道和人行道開挖；

step4開泰路非機(jī)動(dòng)車道和人行道結(jié)構(gòu)層填筑（填筑至原道路標(biāo)高）；

圖4 墩身高度水平位移（m）

圖5 墩身高度豎向位移（m）

圖6 基礎(chǔ)頂面截面示意圖

圖7 基礎(chǔ)頂面1-1截面水平位移（m）

圖8 基礎(chǔ)頂面1-1截面豎向位移（m）

圖9 基礎(chǔ)頂面2-2截面水平位移（m）

step5通車運(yùn)營(yíng)（參照道路設(shè)計(jì)荷載非機(jī)動(dòng)車荷載按3.5kN/m2；人行道均按2.5kN/m2考慮）。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 高鐵橋墩的變形

下穿道路對(duì)橋墩上部結(jié)構(gòu)的影響表現(xiàn)為墩身的豎向和水平向的變形。根據(jù)三維數(shù)值分析，選取高鐵墩號(hào)38#號(hào)作具體分析來判斷對(duì)高鐵橋墩的影響。

由圖4和圖5可知，38#號(hào)橋墩墩頂?shù)乃轿灰戚^小，且運(yùn)營(yíng)期增加較少，不會(huì)對(duì)高鐵的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響，如施工期X（高鐵運(yùn)行方向）的水平位移為0.55mm，運(yùn)營(yíng)期為0.68mm，位移方向均為向道路中心線內(nèi)側(cè)方向；墩身的豎向位移隨墩身長(zhǎng)度的變化較穩(wěn)定，墩頂運(yùn)營(yíng)期的豎向位移和墩底的豎向位移均為0.41mm，方向豎直向下；水平位移由墩頂往墩底方向逐漸減少，運(yùn)營(yíng)期X向墩頂位移為0.68mm，墩底位移為0.45mm。

3.2 高鐵基礎(chǔ)面承臺(tái)的變形

圖7～圖10為基礎(chǔ)頂面1-1截面和2-2截面的變形匯總表，截面選取時(shí)以靠近開泰公路的點(diǎn)為原點(diǎn)，分別選取兩個(gè)方向進(jìn)行分析，1-1截面為與開泰公路軸線垂直的截面，2-2截面為與開泰公路軸線平行的截面，都選取內(nèi)側(cè)點(diǎn)為起始點(diǎn)（如圖6所示）。

以38#橋墩基礎(chǔ)底面為例：

①高鐵基礎(chǔ)面1-1截面的x向的水平變形為0.43mm，y向的水平變形為-0.13mm，且隨著離開泰公路距離的增加變形較為穩(wěn)定；

②高鐵基礎(chǔ)面1-1截面豎向變形為0.26～0.57mm，隨著距離開泰公路距離的增加豎向變形減少顯著，這主要是由受道路荷載的影響減少引起的。

③高鐵基礎(chǔ)面2-2截面與開泰公路軸線平行，水平位移和豎向位移變化穩(wěn)定，其中X向水平位移為0.45mm，Y向水平位移為-0.13m，Z向豎向位移為0.41mm。

圖10 基礎(chǔ)頂面2-2截面豎向位移（m）

3.3 高鐵樁基力學(xué)特性

高鐵樁基的軸力和負(fù)摩阻力變化如圖11和圖12所示，可見施工和運(yùn)營(yíng)工況時(shí)淺部土層出現(xiàn)負(fù)摩阻力，樁基的摩阻力變化值在-0.5kPa～5.3kPa。最大摩阻力發(fā)生在地面下約70m處，淺部摩阻力變化較緩，深度摩阻力變化較陡。

圖11 樁身軸力變化圖（kN）

圖12 樁身摩阻力圖（kPa）

3.4 開泰公路路面變形

圖13 運(yùn)營(yíng)期工況豎向變形云圖（m）

圖14 各工況地面豎向變形曲線圖（m）

圖13為運(yùn)營(yíng)期工況豎向變形云圖，如圖所示道路兩側(cè)的變形大致對(duì)稱，道路的豎向變形呈現(xiàn)“波浪型”分布，豎向變形主要發(fā)生在拓寬的非機(jī)動(dòng)車道和人行道。

選取施工和運(yùn)營(yíng)工況下，兩高鐵基礎(chǔ)之間的地面豎向變形進(jìn)行分析，由38#基礎(chǔ)邊指向39#基礎(chǔ)邊，如圖14所示。最大變形發(fā)生在離高鐵橋墩39#的非機(jī)動(dòng)車道施工期的最大變形為2.22mm，運(yùn)營(yíng)期變形為4.28mm。

4 結(jié)論

①對(duì)高鐵基礎(chǔ)變形影響

根據(jù)數(shù)值分析，高鐵橋墩基礎(chǔ)主要產(chǎn)生沉降變形，最大沉降變形為0.41mm，但豎向位移隨墩身長(zhǎng)度的變化較穩(wěn)定；橋墩墩頂水平變形最大，為0.68mm。高鐵承臺(tái)基礎(chǔ)與開泰公路軸線垂直的截面水平變形為0.43mm，y向的水平變形為-0.13mm，且隨著離開泰公路距離的增加變形較為穩(wěn)定；豎向變形為0.26～0.57mm，隨著距離開泰公路距離的增加豎向變形減少顯著。

高鐵承臺(tái)基礎(chǔ)與開泰公路軸線平行的截面水平位移和豎向位移變化均較為穩(wěn)定，其中X向水平位移為0.45mm，Y向水平位移為-0.13m，Z向豎向位移為0.41mm。

高鐵基礎(chǔ)豎向變形值呈對(duì)稱關(guān)系，兩橋墩不產(chǎn)生不均勻沉降。

②對(duì)高鐵基礎(chǔ)樁基承載力的影響

根據(jù)數(shù)值分析，高鐵樁基礎(chǔ)樁底軸力增加20.84kN，施工和運(yùn)營(yíng)工況時(shí)淺部土層出現(xiàn)負(fù)摩阻力，樁基的摩阻力變化值在-0.5kPa～5.3kPa。考慮到樁的安全系數(shù)以及樁的承載力，此變化值對(duì)樁基承載力的影響可以不計(jì)，對(duì)樁端產(chǎn)生一定附加應(yīng)力，但影響樁基礎(chǔ)的沉降變形很小。

③對(duì)開泰公路路面變形的影響道路的豎向變形呈現(xiàn)“波浪型”分布，豎向變形主要發(fā)生在拓寬的非機(jī)動(dòng)車道和人行道；施工期的最大變形為2.22mm，運(yùn)營(yíng)期變形4.28mm。

④保持原有道路地面的標(biāo)高，在下穿道路在距離高鐵線左右各50m范圍內(nèi)不增加道路填土造成的施工荷載，可以減少施工工況條件對(duì)高鐵基礎(chǔ)的沉降影響。

⑤在不能減小道路的填筑高度的情況下（包括新建道路的路面結(jié)構(gòu)），可以采用剛性路基控制下穿道路的施工荷載和車輛運(yùn)營(yíng)荷載。

⑥在道路施工時(shí)控制高能量級(jí)的壓實(shí)機(jī)械、增加分層壓實(shí)的次數(shù)來控制施工過程中的機(jī)械超載。

⑦在施工過程中加強(qiáng)對(duì)高鐵橋梁的監(jiān)測(cè)，做到信息化施工。