新建铁路桥下穿既有铁路桥交叉基础影响分析

侯 铁 军

(青海交通职业技术学院 交通土木工程学院, 青海 西宁 810000)

自20世纪80年代起,我国道路建设得到了迅速的发展[1-2],新旧工程交汇区域愈来愈多,空间距离也随之缩小,这对工程施工提出了更高的要求,新建工程和地面既有工程之间的相互影响越来越受到业内人员的重视.

目前,有不少专家学者对此进行了研究,这些研究大多集中在隧道、地铁等地下工程对既有桥梁的影响.比如Lee Yong-Joo[3]与Lee Chung-Jung等[4]分别采用模型试验与数值模拟相结合的方法及离心模型试验方法研究了隧道开挖对邻近桩基础的影响;巨建勋等[5]将三维几何建模软件与ABAQUS有限元软件结合研究了下伏隧道在施工阶段对桥梁基础的力学影响;韩秋石[6]研究了盾构隧道下穿既有桥梁施工对桩基及其周围土体的影响机理并进行了仿真计算;王学磊[7]通过模型试验研究了穿越既有桥梁的城市地铁对桥梁群桩基础的影响;王翠等[8]采用弹塑性有限差分方法模拟基坑开挖过程,对深基坑开挖对邻近桥桩的影响机制进行了分析.而对于新建桥梁与既有桥梁交叉时对既有桩基础的影响研究较少.

本文基于新建铁路采用桥梁方式下穿既有铁路桥梁工程,利用ABAQUS有限元软件,建立新旧桥梁交叉区域的土体与桩基三维模型,分析新建桥梁在施工与运营阶段对既有桥梁桩基础的影响,研究既有桩基础的位移与受力变化规律,为类似工程的设计和施工提供参考.

1 工程概况

既有铁路线路全长91.329 km,建设标准为Ⅰ级,双线,载荷按中-活载设计,于2018年6月建成通车,如图1所示.既有铁路桥全长6.108 km,上部结构由简支T梁与连续箱梁组成,截面形式全部采用《通桥(2016)2101》中的标准图.

图1 既有铁路桥(交叉位置处)Fig.1 Existing railway bridge (cross location)

新建铁路线路全长约95 km,目前正处于修建阶段.设计标准与既有铁路相同,左右两侧分别为既有铁路桥的64#墩和63#墩,左线中心距64#墩边缘的最小距离为18.35 m,右线中心距63#墩边缘的最小距离为7.03 m.在交叉处采用桥梁方式从既有铁路桥梁下穿通过,夹角为85°.新建铁路桥全长5.5 km,上部结构同样由简支T梁与连续箱梁组成,在下穿交叉区域内桥梁的3#墩及4#墩与既有铁路桥形成十字交叉,位置关系如图2所示.最小桩基中心距满足《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB 10182—2017)中不宜小于6倍下穿工程桩径的规定.

图2 新建铁路桥与既有铁路桥桩基位置关系(单位: m)Fig.2 Pile foundation position relation between new bridge and existing bridge(Unit: m)

交叉区域内桥梁的基础情况为:既有铁路桥63#、64#桥墩为圆端形实体桥墩,墩高分别为17.9和18.5 m,63#墩承台尺寸为10.4 m×8.0 m×2.5 m,采用12根直径1 m的钻孔灌注桩基础,桩基采用3×4行列式布置,桩长45.5 m;64#墩承台尺寸为7.6 m×6.7 m×2.5 m,采用8根直径1 m的钻孔灌注桩基础,桩基采用梅花式布置,桩长42.0 m.新建铁路桥3#墩桩长48.0 m,4#墩桩长49.0 m,均采用8根1 m的钻孔灌注桩基础,桩基采用2×4行列式布置,承台尺寸均为10.2 m×4.8 m× 2.5 m.交叉区域桩基立面关系如图3所示.

图3 桩基立面关系图(单位: m)Fig.3 Pile foundation elevation diagram(Unit: m)

2 有限元模型的建立

本次计算采用ABAQUS 6.14有限元对既有桥梁63#和64#桥墩基础模型及周边70 m×65 m×55 m范围内的土体建立模型.根据相关的设计资料及地质资料,确定周围土层参数与承台和桩基材料参数,见表1和表2.

如图4所示,在桩土模型建立过程中,桩体与承台的本构模型采用线弹性本构模型,而对于土体,则采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型[9]模拟土体的非线性特征.模型中所有单元均采用20节点二次六面体线性减缩积分单元(C3D8R)模拟.考虑到桩-土间的相互作用是一个高度非线性变形行为,因此在模拟桩-土接触利用Interaction模块里的Surface to Surface功能建立接触关系,该接触选择主、从表面的原则将相对较柔软的材料表面作为从属表面,因此本文将土体表面定义为从属表面,考虑界面摩擦对界面阻力的影响,将接触类型设置为有限滑动,接触性质为摩尔-库伦摩擦罚函数形式, 摩擦系数取0.5.桩体与承台间利用Constraint模块里的Tie功能建立接触关系[10], 其作用是将接触的界面完全耦合, 相当于将两物体在交接界面完全“粘”在一起. 模型边界条件设置为: 土体模型上表面为自由面, 底部采用固定约束, 外侧约束其水平方向的位移. 桥梁传至承台顶面的竖向载荷以均布载荷实现, 承台所受的横向载荷也采用分布力等效施加在承台侧面.

图4 桩土模型Fig.4 Pile soil model

表1 土层参数Table 1 Soil parameters

表2 承台和桩基材料参数Table 2 Material parameters of cap and pile foundation

3 有限元计算结果分析

首先采用ODB文件导入法生成初始地应力场,然后按双孔重载工况模拟既有铁路桥运营阶段(工况1),在此基础上分别模拟新建铁路桥的施工阶段(工况2)及运营阶段(按双孔重载工况模拟,工况3).

3.1 土体位移

工况1和工况3土体的位移云图见图5,可发现无论在新建铁路桥施工阶段还是在运营阶段土体均保持稳定,未发生土体破坏及滑移现象.桥位区土体的最大位移量位于63#桥墩上的填土,且发生在新建桥梁的运营过程中.

分别提取各工况下63#桥墩上填土的位移变化趋势,见图6.

图5 土体位移云图(单位:m)Fig.5 Cloud chart of soil displacement (unit:m)(a)—工况1; (b)—工况3.

图6各工况下土体位移变化趋势

Fig.6Trendofdisplacementofsoilundervariousworkingconditions

由图6可知,各工况下土体位移的变化趋势相同,均是加载初期增长缓慢,加载后期增长加快,达到最大位移.新建铁路桥施工阶段对桥位区土体的最大位移基本上没有影响,在运营阶段土体最大位移增加,但增量较小,只比既有铁路桥单独运营阶段土体的最大位移增加了0.6 mm.由于新建铁路桥在运营阶段的载荷与施工阶段相比相差较大,因此可得出桥位区土体的位移受新建铁路桥的影响随着载荷的增大而增大,但位移变化趋势保持不变.

3.2 既有桥梁桩基位移

由于既有铁路桥63#桥墩距离新建铁路桥较近,新建桥梁的施工和运营对既有桥梁63#桥墩基础影响相对较大,因此本文仅对既有铁路桥63#桥墩的位移和受力进行分析.工况2和工况3下63#桥墩位移的计算结果如图7所示.

既有铁路桥63#墩桩基位移的计算结果与工况1对比结果见表3.由表3及图7可以看出:新建铁路桥的施工和运营对既有桥梁桩基竖向位移影响相对较大,而对水平位移影响较小,尤其是对水平纵向位移的影响几乎可以忽略.

表3 63#墩桩基位移计算结果

图763#桥墩桩基位移(单位:m)

Fig.5DisplacementofpilefoundationofpierNo.63(unit:m)

(a)—工况2; (b)—工况3.

63#桥墩各工况下在载荷加载过程中桩基位移的变化趋势见图8,由图8可以看出,不管是竖向位移还是横向位移,在各工况下的变化趋势基本相似,在加载初期桩基位移缓慢增加,而且各工况下的位移基本相同,说明当新建铁路桥载荷较小时,对既有桥梁基本不存在影响.在加载后期,随着载荷的增大,桩基位移的增速也逐渐加快.由于新建铁路桥在运营阶段的载荷最大,所以运营阶段下桩基位移的增速最快,位移也最大.

图8 63#桥墩各工况下桩基位移趋势Fig.8 Displacement trend of pile foundation under different working conditions of pier No.63(a)—竖向位移; (b)—横向位移.

3.3 既有桥梁桩基应力

各工况下既有铁路桥63#桥墩桩应力结果如图9所示.

由图9的应力云图可以看出,各工况下桩基的应力相差较小,并且在新建铁路桥施工和运营阶段,既有桥梁桩基的应力较小,这是因为在新建铁路桥载荷作用时,对既有桥梁的桩基形成一个“挤压作用”,这个“挤压作用”会随着载荷的增大逐渐增大,增大了土体对既有桩基的摩擦,导致应力减小.

根据应力云图找到桩基最不利应力的位置,绘制出各工况下该位置处桩基应力的变化趋势,如图10所示.由图10可以看出,各工况下桩基的应力变化趋势相同,而且数值变化也很小,说明新建铁路桥的施工和运营对既有铁路桥桩基应力的影响可以忽略.根据应力云图找出既有桥梁63#墩在各工况下最不利桩轴力的位置,并提取相应位置的轴力,结果见表4.

由表4可知,63#墩在工况2和工况3的最不利桩轴力跟工况1比较相差不大,分别只减少了9和23 kN.进一步说明新建铁路桥的施工和运营对既有铁路桥桩基受力几乎无影响.

4 结 论

本文利用ABAQUS有限元软件,以下穿既有铁路桥的新建铁路桥工程为依托,建立交叉区域内土体与桩基三维模型,对新建铁路桥在施工与运营阶段对交叉桥址区土体位移、既有桥梁桩基础位移和应力影响进行分析,结果表明:新建铁路桥在运营阶段对既有桥梁基础影响较大;在铁路桥的设计施工阶段,应对该桥梁运营阶段对周围既有桥梁的影响进行验算分析,确保其影响在许可范围之内.本文的研究内容可为今后类似新旧桥梁交叉工程的基础影响研究提供计算参考.

1) 桥位区土体的位移受新建铁路桥的影响随着载荷的增大而增大,而且和既有铁路桥运营阶段的位移变化趋势相似,都是在加载初期缓慢增加,加载后期增加速度加快,最终达到最大位移.

2) 新建铁路桥对既有铁路桥桩基竖向位移影响相对较大,而对水平位移影响较小,尤其是对水平纵向位移的影响几乎可以忽略.不管是竖向位移还是横向位移,在各工况下的变化趋势基本相似,在加载初期,桩基位移缓慢增加,而且各工况下的位移基本相同;在加载后期,随着载荷的增大,桩基位移的增速也逐渐加快.

3) 各阶段下既有铁路桥的应力变化趋势相同,且数值变化很小.由于 “挤压作用”的存在,新建铁路桥施工和运营阶段会减小既有桥梁桩基的应力,但减小的程度可以忽略.