鄰近堆載作用下高鐵橋基群樁變形特性數值研究

李友元，王新浪，王震南

(1. 中鐵二十四局集團有限公司，上海 200070；2. 河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

根據《中長期鐵路網規劃》，我國鐵路網規模至2025年將達到17.5萬km，其中高速鐵路3.8萬km左右，形成以“八縱八橫”主通道為骨架、區域連接線銜接、城際鐵路補充的高速鐵路網[1]。“八縱八橫”高速鐵路網，即以沿海、京滬等“八縱”通道和陸橋、沿江等“八橫”通道為主干、城際鐵路為補充的高速鐵路網[2]。東部沿海地區經濟發達，人口和建筑密集，沿海地區廣泛分布著軟土[3- 4]。而高速鐵路橋梁基礎以群樁基礎為主，在軟土層深厚的沿海地帶，鄰近既有線路的施工往往會造成高鐵橋基產生變形，導致軌道平順性發生改變[5- 6]。

因受前期征遷工作滯后的影響，沿海地區高速鐵路現正處于工期短、任務重的關鍵時期，常采用連續滿堂支架方案進行現澆軌道梁施工[7]。連續滿堂支架施工法將現澆梁體荷載直接作用于地基土上，會引起地基土體的變形和應力改變[8- 9]。由于沿海地區軟土具有高壓縮性、高含水量、低強度和流變性等工程性質，軟弱土層在堆載作用下會產生豎向變形和側向擠出變形，使鄰近既有橋基受到側向附加荷載及豎向摩阻力作用，影響既有橋梁樁基的正常工作性狀[10- 12]。軟土地基堆載土體會發生大變形，仍然采用線彈性本構模型計算會不符合實際情況，且軟土體會發生固結作用對樁基的影響不可忽視[13]。數值模擬快捷方便，可以考慮土體彈塑性本構、軟土固結、復雜的邊界條件，能夠真實模擬樁和土體的幾何形狀及力學性能，樁-土相互作用關系，使軟土地基上堆載對樁基的影響計算更加可靠[14- 15]。本文將采用理想彈塑性本構模型并考慮土體固結，研究鄰近堆載對群樁變形的影響，并通過模擬分析指出堆載大小和堆載距離的極限值。

1 工程概況

浙江省某既有高速鐵路客運專線建于松軟土質的農田上，其鄰近位置新規劃一條高鐵路線，最近距離僅有20 m。該路線工程為高架工程，屬一級重要建筑，全段采用連續滿堂支架方案進行現澆軌道梁施工。連續滿堂支架將現澆梁體荷載直接作用于地基土上，會引起地基土體的變形和應力改變，軟土地基鄰近堆載作用下樁土相互作用示意圖如圖1所示。

圖1 樁土相互作用示意圖

2 數值模型

根據現場實際工程概況，本文建立了全尺寸三維有限元模型。其中主要包含了土體、既有高鐵群樁-承臺及新建城際鐵路群樁-承臺三個部件，堆載范圍較大，為了避免邊界條件的影響，模型長度范圍取200 m，寬度取150 m，厚度取90 m。選取既有高鐵取一跨進行計算，堆載取兩跨進行計算。

有限元計算模型尺寸及網格劃分如圖2所示。網格采用結構化(Structured)劃分技術，數值模擬中需要考慮地下水位對群樁變形的影響，土體單元需要選用擁有孔壓自由度的三維八節點線性單元(C3D8P)，群樁-承臺單元類型為三維八節點減縮積分單元(C3D8R)。樁周土體及堆載至群樁-承臺范圍內土體網格劃分較密，其余處土體網格尺寸劃分較大。

圖2 有限元計算模型尺寸及網格劃分情況

3 結果分析

3.1 群樁承臺位移

堆載過程中承臺位移如圖3所示。其中JD代表水平位移測點，JH代表豎向位移測點，1、3側為靠近堆載，橫橋向水平位移正值表示向遠離堆載方向位移，順橋向水平位移正值代表向大里程橋基方向運動(1#至2#)，豎向位移正值代表沉降。取承臺兩側測點比較發現，水平位移類似，而豎向位移呈現相反的趨勢。靠近堆載側基樁發生沉降變形，而遠離堆載側承臺位移變化趨勢不明顯。

圖3 承臺測點位移

加載過后承臺產生了顯著的位移，而間歇階段內水平位移有所緩解，原因是間歇階段堆載產生的超孔隙水壓力消散，土體側向位移減小。其中加載2分析步對應第一跨加至80 %箱梁荷載，第二跨加至50 %箱梁荷載，加載量較大，同時此階段內產生的水平位移也最大。2#橋基對應第二跨加載，故水平位移要小于1#橋基，但是當全部荷載施加完成后，兩者水平位移相同。這說明承臺水平位移的變化與加載步驟關系不大，與最終加載量影響關系較大。模擬與實測值對比見表1，模擬值要大于實測值，但總的規律類似。模擬發現橋基順橋向也會產生水平位移，相當于橋基往堆載外側發生一定的位移。

表1 承臺位移模擬與現場實測值對比

3.2 堆載極值

滿堂支架施工箱梁對鄰近橋基變形影響如圖4所示。符號規定如下：彎矩值以靠近堆載側樁基受壓為正，軸力值以壓為正，拉為負，水平位移以遠離堆載側為正，水平附加應力以壓為正。由圖4可知，附加軸力為加上堆載后與不加堆載時基樁軸力的比較值，中排樁與后排樁樁身出現軸力減小，而前排樁下半部分軸力增加，端阻力也同時增加，導致了靠近堆載側承臺發生沉降變形。由于基樁產生了水平變形，其承載性能會發生改變，高鐵基樁軸力雖有了一定的改變，但是總的變化量不大。

圖4 堆載對群樁變形影響

由圖5可知，當側向堆載總荷載為8800 kN時，承臺遠離堆載方向水平位移為2.2mm，墩臺頂順時針轉角位移為0.5mm，將平移位移與轉角位移組合后橋墩墩臺頂總的水平位移為1.7mm，接近于規范規定的位移限值。當鄰近堆載邊緣距離承臺邊界凈距為24m時，其堆載極限荷載為Qs=8800kN，相當于2.5倍箱梁自重。根據如圖6所示Qs-△s/△Qs曲線確定堆載極限荷載，若以曲線明顯陡降的起始點對應的荷載作為堆載極限荷載，則Qs=7000kN。

圖5 不同堆載荷重下Qs-s曲線

圖6 不同堆載荷重下Qs-△s/△Qs曲線

3.3 堆載極限距離

距堆載邊界處不同距離處的土體水平位移如圖7所示。土體最大水平位移出現在6～18m深度處，隨著距堆載邊界距離的增加，土體水平位移逐漸減小，最大水平位移極值點深度降低。

圖7 距堆載邊界處不同距離處的土體水平位移

參照現場工程實際工況，在鄰近堆載作用下，不同堆載距離引起的既有樁基承臺位移與前排樁樁身變形變化如圖8所示。由于承臺不均勻沉降產生的轉角為順時針方向，將墩臺頂的水平平移位移與轉角位移組合后，總的水平位移量將會減小。以樁身水平位移與承臺位移曲線明顯陡降的起始點對應的距離為確定堆載極限距離的標準，并且控制樁身最大水平位移≤2.0mm，由計算結果分析可知堆載極限距離S=16m，即實際施工過程中應控制堆載邊界距既有高鐵橋基承臺邊緣極限距離為16m。

圖8 堆載距離對群樁承臺位移影響

4 結 論

(1)鄰近堆載引起既有樁基產生遠離堆載方向的水平位移，靠近堆載側基樁發生沉降變形，而遠離堆載側承臺位移變化趨勢不明顯。

(2)堆載條件對高鐵橋基群樁變形影響較大，通過分析得出了堆載極值和最大堆載距離，實際工程中應嚴格控制堆載條件，以防對既有群樁產生破壞性變形。

本文采用理想彈塑性本構模型并考慮土體固結，研究鄰近堆載對群樁變形的影響，并分析堆載大小和堆載距離對群樁承臺位移的影響。研究過程中僅以單點作為考察對象是不夠嚴謹的，這些測點之間是否存在相互作用關系，這方面需要作進一步探究。