解建超

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

1 概述

隨著我國(guó)新建工程下穿運(yùn)營(yíng)高鐵工程越來(lái)越多,而運(yùn)營(yíng)高鐵對(duì)工后變形較為敏感,為了確保高鐵運(yùn)營(yíng)的安全,已有許多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究。蔣小銳等基于珠三角新塘經(jīng)白云機(jī)場(chǎng)至廣州北站城際鐵路區(qū)間隧道下穿武廣高鐵花都特大橋這一實(shí)際工程,探討隧道下穿高鐵工程的控制標(biāo)準(zhǔn)及施工控制措施,并結(jié)合軌道變形及車輛系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)分析,研究施工期間高速鐵路限速運(yùn)行措施[2];白蘭蘭結(jié)合軟土地區(qū)地鐵上部修建市政道路路基,提出輕質(zhì)EPS聯(lián)合輕質(zhì)U形槽的設(shè)計(jì)方案,對(duì)斷面形式、U形槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析[2];徐俊娥以松軟土地基條件下市政道路以路塹U形槽下穿京津城際剛構(gòu)橋?yàn)槔?通過(guò)數(shù)值模型分析設(shè)計(jì)施工方案[3];夏春燕結(jié)合公路下穿京滬高鐵,通過(guò)ABAQUS模型分析新建道路樁板結(jié)構(gòu)施工對(duì)高鐵樁基負(fù)摩阻力、樁身軸力和差異沉降的影響[4];儲(chǔ)胡照以市政道路下穿城際鐵路橋梁為例,采用“橋梁博士”對(duì)比分析采用高樁板方案和多跨門式剛構(gòu)橋方案的彎矩分布[5];曾思坡對(duì)城市道路下穿運(yùn)營(yíng)高鐵橋梁采用樁板結(jié)構(gòu)的方案進(jìn)行分析,在樁基嵌入巖石的情況下,通過(guò)理論計(jì)算,分析新建道路荷載及車輛撞擊力對(duì)高鐵樁基承載力的影響[6];張磊結(jié)合鐵路下穿高速公路橋梁,在壓縮層較厚,但是有巖石地基的情況下,對(duì)比分析采用“雙側(cè)懸臂墻+復(fù)合地基”與樁基U形槽方案的優(yōu)缺點(diǎn)[7-8];張文斌結(jié)合城際鐵路下穿杭甬高鐵橋梁,通過(guò)Midas/GTS有限元,研究了樁板結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)支梁兩種結(jié)構(gòu)形式下穿對(duì)高鐵橋墩承載力和沉降的影響[9]。

不難看出,已有新建工程下穿高鐵橋梁大多以樁板結(jié)構(gòu)或以橋梁結(jié)構(gòu)形式下穿,而以U形槽下穿的情況較少,在已有研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)際,針對(duì)新建鐵路高填路堤下穿對(duì)高鐵橋梁變形影響進(jìn)行研究。

2 工程概述

新建豆雙汊周聯(lián)絡(luò)線鐵路為Ⅰ級(jí)鐵路,下穿段津保高鐵橋梁為有砟鐵路,設(shè)計(jì)時(shí)速250km,相交角度為66°,該處高鐵梁跨為32m,梁底距地面高16.80m。受跨河跨路影響,下穿津保段線路縱斷面高程無(wú)法進(jìn)一步降低,軌面距地面6.8m,擬采用路基形式通過(guò)。為減少對(duì)既有津保橋梁的影響,擬采取“鉆孔樁+U形槽”通過(guò),該結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、施工工藝可靠、對(duì)土體擾動(dòng)小[10-11]。U形槽采用C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),側(cè)墻高4.8m,頂寬0.4m,底寬1.1m,底板寬12.1m,厚1.0m,U形槽底部采用C40鋼筋混凝土鉆孔灌注樁加固,鉆孔灌注樁與U形槽剛結(jié),鉆孔灌注樁樁徑1.0m,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)分別為25m、35m和45m,樁縱、橫向間距4.5m,線位中心與橋梁承臺(tái)最小間距7.3m(見(jiàn)圖1～圖3)。若采用EPS(密度為20～30kg/m3)進(jìn)行路基填筑,可大幅減少上部結(jié)構(gòu)荷載,但抗壓強(qiáng)度僅100～180kPa,且壓縮模量小,難以滿足鐵路運(yùn)輸要求[12]。泡沫輕質(zhì)混凝土作為一種輕質(zhì)的路基填料,濕重度為600～700kg/m3,抗壓強(qiáng)度不小于1.0MPa,在幫寬既有高鐵路堤中得到大量應(yīng)用[11]。以下分別采用普通路基填料和泡沫輕質(zhì)混凝土填料進(jìn)行對(duì)比研究。

圖1 下穿高鐵平面位置(單位:m)

圖2 下穿高鐵橫斷面(高程單位:m;其余:cm)

圖3 下穿高鐵現(xiàn)場(chǎng)

下穿位置地層由上至下主要為:①黏土:黃褐色,軟塑,σ0=90kPa;②粉質(zhì)黏土:褐灰色,流塑,σ0=90kPa;③粉質(zhì)黏土:灰黃色,軟塑,σ0=120kPa;④粉質(zhì)黏土:黃褐色,軟塑,σ0=140kPa;⑤黏土:褐黃色,硬塑,σ0=140kPa;⑥粉質(zhì)黏土:褐黃色,軟塑,σ0=160kPa;⑦黏土:黃褐色,軟塑,σ0=160kPa;⑧粉質(zhì)黏土:黃褐色,軟塑,σ0=180kPa;⑨粉質(zhì)黏土:黃褐色,硬塑,σ0=200kPa。

在深厚松軟土地區(qū),新建鐵路下穿對(duì)既有鐵路橋的影響比較復(fù)雜,以下通過(guò)ABAQUS有限元軟件建立“鉆孔樁+U形槽”及既有橋梁三維模型,分別研究路堤樁基U形槽樁基設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為25m、35m、45m時(shí),采用普通填料和輕質(zhì)混凝土對(duì)既有高鐵橋梁的變形影響。計(jì)算中,初始位移為0,地基土和路基填料服從M-C非線性彈性變形規(guī)律,通過(guò)建立鐵路橋梁模型計(jì)算土層應(yīng)力及位移,分析U形槽及軌道列車荷載作用下對(duì)鐵路橋梁的影響。

3 模型建立

3.1 材料參數(shù)

模型主要材料和地層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 主要材料力學(xué)參數(shù)

表2 地層力學(xué)參數(shù)

模型計(jì)算中,地層彈性模量是影響計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)之一,彈性模量一般按壓縮模量的倍數(shù)選取,通過(guò)復(fù)核模量法沉降計(jì)算結(jié)果反推模型壓縮模量的倍數(shù)。

采用復(fù)合模量法計(jì)算地基變形,地基內(nèi)的應(yīng)力分布按各向同性均質(zhì)線性變形體進(jìn)行計(jì)算[13]。

式中,s為地基最終變形量/mm;s′為按分層總和法計(jì)算出的地基變形量;n為沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);p0為路堤基底附加應(yīng)力;zi、zi-1為路堤基底至第i層土 、第i-1層土底面的距離;ˉαi、ˉαi-1為路堤基底計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù);Ψs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù),根據(jù)地區(qū)沉降觀測(cè)資料及經(jīng)驗(yàn)確定。

當(dāng)數(shù)值模型采用3倍壓縮模量時(shí),其計(jì)算結(jié)果與復(fù)核模量法計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 路基沉降計(jì)算結(jié)果

由表3可知,地層彈性模量取3倍壓縮模量時(shí),數(shù)值模型與復(fù)核模量法計(jì)算結(jié)果較為接近,故本次數(shù)值模型采用3倍壓縮模量。

3.2 模型尺寸

為保證計(jì)算模型的收斂性和準(zhǔn)確性,斷面計(jì)算范圍為:橫向取U形槽邊墻外55m,沿線路方向取45m,地基土層厚70m。

圖4 模型尺寸(單位:m)

3.3 幾何模型

4 結(jié)果分析

4.1 U形槽及橋墩的沉降

圖7～圖9為U形槽沉降計(jì)算,從圖7～圖9可以看出,采用普通填料時(shí),隨著樁長(zhǎng)加長(zhǎng),樁基U形槽與周圍土體呈現(xiàn)出更強(qiáng)的整體下沉趨勢(shì),樁長(zhǎng)較短時(shí),局部沉降更為明顯。U形槽自身沉降對(duì)比見(jiàn)表4。

圖5 模型網(wǎng)格

圖6 樁長(zhǎng)25m模型

圖7 樁長(zhǎng)25m時(shí)U形槽沉降云圖(單位:m)

圖8 樁長(zhǎng)35m時(shí)U形槽沉降云圖(單位:m)

圖9 樁長(zhǎng)45m時(shí)U形槽沉降云圖(單位:m)

從表4可以看出,不同設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)下,輕質(zhì)混凝土填料可明顯減少U形槽自身沉降。隨著樁長(zhǎng)的加長(zhǎng),沉降減小,更多的荷載傳遞到深層壓縮系數(shù)較低的土層。

表4 U形槽自身沉降 mm

普通填料與輕質(zhì)混凝土填筑下,不同設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)時(shí)引起橋墩的附加沉降見(jiàn)表5。

表5 橋墩附加沉降 mm

從表5可以看出,采用輕質(zhì)混凝土填料可降低鐵路對(duì)高鐵橋墩的沉降影響,樁長(zhǎng)越短,輕質(zhì)混凝土的作用越明顯,填筑輕質(zhì)混凝土使橋墩沉降減小了38%～41%。TB10002.1-2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,設(shè)計(jì)時(shí)速250km及以上有砟軌道靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值為墩臺(tái)均勻沉降30mm,相鄰墩臺(tái)沉降差15mm[14]。采用普通填料時(shí),橋墩附加沉降較大,樁長(zhǎng)25m、35m時(shí)難以滿足差異沉降要求。樁長(zhǎng)45m或采用輕質(zhì)混凝土填料時(shí),橋墩附加差異沉降為規(guī)范限值的40%～67%。樁長(zhǎng)大于35m且采用輕質(zhì)混凝土填筑時(shí),附加差異沉降為規(guī)范限值的40%～53%。

TG/GW116—2013《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》中軌道高低平順性規(guī)定見(jiàn)表6～表8[15]。

表6 軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值 mm

表8 橋墩豎向附加折角 rad

對(duì)于有砟軌道,假定軌道沿鐵路方向?yàn)闊o(wú)限長(zhǎng)的柔性結(jié)構(gòu),當(dāng)變形量較小時(shí),軌道變形與橋面變形一致,可認(rèn)為軌道變形控制與橋梁變形控制相同。據(jù)此可將軌道靜態(tài)高低偏差管理值轉(zhuǎn)換為容許折角[16]。

對(duì)比表7和表8,橋墩豎向附加折角小于作業(yè)驗(yàn)收容許折角的50%。新建路基在兩橋墩的中心穿越,引起兩橋墩的附加沉降相同,故造成線路折角較小。

表7 軌道靜態(tài)幾何尺寸容許折角 rad

4.2 橋墩水平位移

TB10002.1—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,設(shè)計(jì)時(shí)速200km及以上鐵路墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角不應(yīng)大于1‰ rad,采用普通填料時(shí),橋墩水平位移數(shù)值模擬計(jì)算見(jiàn)圖10～圖13。

圖10 樁長(zhǎng)25m橋墩水平位移(單位:m)

圖11 樁長(zhǎng)35m橋墩水平位移(單位:m)

圖13 橋墩水平位移變形(放大150倍)

從圖10～圖12可以看出,采用普通填料時(shí),樁長(zhǎng)25m、35m、45m時(shí),根據(jù)線路交叉66°角度關(guān)系,計(jì)算得到,路堤及列車荷載作用下墩頂最大橫向附加位移分別為9.7mm、7.7mm、6.1mm;根據(jù)橋墩的橫向相對(duì)位移及簡(jiǎn)支梁橋墩間距32m,計(jì)算得到樁長(zhǎng)25m、35m、45m時(shí),附加折角分別為 0.91‰ rad、0.72‰ rad、0.57‰ rad(均滿足規(guī)范限值1‰ rad)。不難看出,樁長(zhǎng)由25m加長(zhǎng)到35m時(shí),墩頂橫向水平位移減小2mm;樁長(zhǎng)由35m加長(zhǎng)到45m時(shí),墩頂橫向水平位移減小1.6mm。新建鐵路與既有高鐵的交叉角度為66°,橋墩沿高鐵線路橫向位移較小,而沿高鐵線路縱向位移較大。

圖12 樁長(zhǎng)45m橋墩水平位移(單位:m)

TB10002.1—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,有砟簡(jiǎn)支橋梁的墩頂?shù)捻槝蛳蛩阶冃瘟繎?yīng)滿足Δ≤采用普通填料時(shí),樁長(zhǎng)25m、35m、45m時(shí),路堤及列車荷載作用下墩頂順橋向水平位移分別為21.7mm、17.3mm、13.7mm(均滿足規(guī)范限值28.3mm)。

從圖13可以看出,變形放大150倍后,U形槽自身產(chǎn)生沉降,并連同橋墩一起下沉,且橋墩發(fā)生了向U形槽方向的傾斜變形,橋梁的樁基發(fā)生了向U形槽方向的彎曲,因此造成橋墩樁基的軸力、彎矩重分布。

5 結(jié)論

(1)當(dāng)路堤填筑較高時(shí),順橋向位移和橫向位移較易滿足規(guī)范限制要求,而豎向差異沉降為主要控制因素。

(2)通過(guò)加大地基處理深度可減少對(duì)既有橋梁的影響,填筑普通填料時(shí),樁長(zhǎng)45m時(shí)較樁長(zhǎng)25m時(shí)對(duì)橋墩附加豎向沉降可減少41%。

(3)采用輕質(zhì)填料可降低對(duì)既有橋墩的影響,采用輕質(zhì)混凝土填料可使橋墩的附加沉降減小38%～41%。

(4)樁長(zhǎng)大于35m且采用輕質(zhì)混凝土填筑時(shí),附加差異沉降為規(guī)范限值的40%～53%。