鄰近高鐵梁加載對既有橋基影響現場試驗分析

李友元

(中鐵二十四局集團有限公司，上海 200070)

1 概述

隨著高速鐵路的建設規模擴大，由于規劃存在時差、修建存在經濟制約等原因，不可避免的存在線路并行。高速鐵路橋梁基礎以群樁基礎為主，鄰近既有線路的施工往往會造成高鐵橋基產生變形，導致鄰近既有軌道平順性發生改變［1-3］。新建鐵路工程滿堂支架現澆方法施工速度快，調度靈活，造價低，可加快工程進度［4］。

對于鄰近堆載對橋梁樁基變形的影響，國內外有許多學者分別從室內試驗［5－11］、現場試驗［12－14］、理論研究［15－19］、數值分析［14，20－27］等方面進行了深入研究，并認為鄰近堆載對樁基的影響主要體現在兩方面:一是軟土層在堆載作用下會產生側向擠出變形，導致既有樁身發生撓曲變形，并造成橋梁墩臺發生水平位移。二是堆載使得軟土發生隆沉變形，導致樁與樁周土產生相對位移引起承臺發生轉角。

本文以鄰近高鐵新建箱梁滿堂支架施工為工程背景，通過支架預加載現場試驗，分析鄰近堆載作用對橋梁樁基的影響，為后期箱梁施工過程中對既有高鐵的安全穩定性分析評估提供參考。

2 工程概況

新建某城際鐵路工程試車線工程為高架橋通過，東西向平行于鄰近既有杭甬客專。場地位于海積湖沼積平原，地勢開闊，地形平坦，溝渠密布，周圍環境如圖1所示。

圖1 杭紹城際試車線工程沿線周邊環境

試驗場地位于蕭紹平原區西部，屬典型的軟土地區，其具有“天然含水量高，壓縮性高、強度低，透水性低”等特點，其中③2層淤泥質粉質黏土為欠固結土，超固結比為0.70～1.88。根據地質勘察報告可知，主要的土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

3 現場試驗

為了探究鄰近堆載對既有高鐵橋基影響，設計了支架預壓試驗，連續滿堂腳手架搭設長度為30 m，寬度為8 m，腳手架范圍與臨近既有高鐵橋基的凈距約為24 m。預壓荷載為箱梁自重的1.1倍，預估30 m單線簡支梁荷重為320 t，即總加載量為352 t，采用沙袋配合汽車吊進行預壓加載，按照50%，80%，110%三級進行加載，試驗過程為:1)進行觀測，獲取測試初始值;2)第一級預壓荷載(50%，約為6.7 kPa，用時 1 d)，間歇 6 d;3)第二級預壓荷載(80%，約為10.7 kPa，用時 1 d)，間歇 6 d;4)第三級預壓荷載(110%，約為14.7 kPa，用時1 d)，間歇10 d;5)卸載(用時1 d)，間歇2 d。現場監測項目包括孔隙水應力、水平土壓力、橋基變形，試驗布置如圖2所示。

圖2 現場監測布點圖

4 試驗結果分析

4.1 孔隙水壓力變化

圖3為距堆載邊界不同距離土體孔隙水壓力隨時間的變化曲線。分析可知當進行加載時，土體孔隙水應力迅速增大并達到峰值;間歇階段孔隙水排出，孔隙體積減小，孔隙水壓力消散速度較快。表明試驗場地排水順暢，地基土有效應力增加，發生固結變形。沿深度方向孔壓變化規律為上部土體孔隙水壓力消散較快，加載階段內孔壓上升趨勢不明顯，原因是因為上部土體靠近排水面，孔隙水易于流出，孔壓消散較快。下部土體③2淤泥質粉質黏土層滲透系數小于上部②1粉質黏土層，導致下部土體排水速度較慢。

4.2 水平附加應力變化

圖4為距堆載邊界不同距離水平附加應力隨時間變化曲線。加載作用下土體水平附加應力迅速增大并達到峰值，經過間歇階段后附加應力減小并低于初始值。出現這樣的原因主要是因為間歇階段土體孔隙水應力消散較快，孔隙體積收縮造成被動荷載減小，導致樁基另外一側土抗力大于被動荷載。堆載引起土體附加應力增加主要集中在下部土體，隨著距堆載邊界距離的增加，水平附加應力應逐漸減小，測試結果與常理不符，可能原因是由于水平土壓力設計埋設深度較深，土體產生變形之后土壓計受壓面未能保持平行于受壓面所致。可見距離堆載邊界23 m處各深度水平附加應力增加不大，說明堆載對既有橋基影響較小。

圖3 孔隙水應力隨時間變化曲線

圖4 水平附加應力隨時間變化曲線

4.3 橋基變形

為保證高鐵的運營安全，試驗加載期間對鄰近既有高鐵橋墩進行豎向沉降與水平位移監測。通過在橋墩頂部布置水平位移監測點2個，橫橋向位移以向遠離加載方向位移為正;在橋墩底部布置豎向沉降監測點2個，沉降為正。現場試驗期間監測數據如表2所示。

表2 橋基變形實測值 mm

由表2可知:1)現場試驗中，既有高鐵橋墩的水平位移、豎向沉降均小于相關規范［28］中給出的高速鐵路橋梁墩臺頂位移限值2 mm的要求，表明此工程使用滿堂支架施工對既有高鐵橋基影響較小，既有高鐵的運營是安全的。2)橋墩的順橋向水平位移無變化，橫橋向水平位移均為正值，說明鄰近加載作用下會造成橋墩產生一定量的橫橋向位移，但是影響程度較小。3)橋墩發生隆起變形，說明樁與樁周土產生相對位移帶動樁基產生向上的位移，而且兩側豎向位移變化量不一致引起承臺發生轉角進而帶動橋墩臺頂發生轉角位移，但總的量不大。

5 結語

1)在滿堂支架預壓試驗期間，總體來說土體孔隙水應力消散較快，加載階段孔隙水應力迅速上升，而間歇階段迅速消散。上部土體排水通暢，加載之后測試孔壓基本無變化。

2)在鄰近區域軟土上施加荷載，土體產生側向擠出變形產生水平附加應力，既有高鐵橋基在其影響范圍以內。在距離堆載邊界23 m處，土體水平附加應力增加趨勢不大，說明對既有橋基的影響較小，也證明了滿堂支架施工方法的合理性。

3)通過測試鄰近高鐵橋墩的變形情況，橋墩向遠離加載側產生水平位移，豎向位移表現為隆起變形，加載期間既有橋基產生一定的變形，但是均符合規范要求，不會影響高鐵的運營安全。