既有铁路旁打桩对路基安全性的影响数值

王丽 梁飞 赵伟

摘要：根据资料对铁路复合地基稳定性进行检算，并验算水泥搅拌桩加固的复合地基总的沉降量是否满足规范要求；针对铁路路基外桥梁的施工阶段及运营阶段进行有限元分析，分析和评价2#公路桥桥墩对铁路复合路基受力状态的影响。

关键词：路基稳定性；沉降验算；有限元分析

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：16723198（2014）14017802

1铁路工程概况

某铁路支线DDK7+150.00～DDK9+200.00段地基采用水泥土搅拌桩复合地基加固，桩径0.5m，桩间距15m，按等边三角形布置，桩长至硬底以下0.5m，桩长3.5～12m；桩顶铺0.6m厚砂夹碎石垫层，垫层内铺双层极限抗拉强度不小于100kN/m双向土工格栅。

2公路立交桥工程概况

某2#公路桥桥总长415m，上部结构为25m跨预应力混凝土空心板梁，下部结构为直径1.1m钻孔灌注桩接盖梁结构。桥梁纵向坡度设为3.5%，桥梁起点接陆域标高11388m，终点标高11.388m，并接入城港大道。如图1所示为某一期工程2#桥上跨某铁路支线桥梁。

图12#公路桥跨某支线铁路立、平面图3铁路路基受力状态的有限元分析

3.1计算参数的选取及模型的建立

图2计算简化模型（1）采用Midas有限元软件分析桥梁施工时铁路路基的受力状态，将实际施工过程简化为平面模模型，土层按支线铁路地质勘察报告分为五层，分别为回填土层、(2)4淤泥、(3)2淤泥质黏土、(6)2粉质黏土、(10)1全风化混合岩，土层采用平面单元模拟，屈服准则采用M-C准则。桥梁桥墩和水泥搅拌桩认为在受力过程中仅发生弹性变形，路堤土、垫层、桩间土和桩端土均采用理想弹塑性模型。计算简化模型如图2。

（2）考虑土体的成层性:地层分为五层，并假设土体仅在自重应力下的固结已经完成，并且不考虑初始应力场，评估区域内地层无大的构造运动，不考虑地层构造应力。

（3）桥梁上部荷载和路基的动荷载简化为集中力和等效土桩高度分别施加于桥墩桩顶和路基顶面。

（4）边界条件：对称面仅限制水平移动，底面和侧面为固定边界，地层表面为自由边界。

（5）根据东吴铁路支线地质报告，计算模型的参数见表1。

表1计算模型的参数

序号材料压缩模量

（MPa）弹性模量

（MPa）泊松

比容重

(kN/m2)粘聚力

(KPa)摩擦角

(°)采用屈

服准则1回填土层3.87100.318.22.028M-C2（2）4淤泥1.97130.316.56.475.04M-C3（3）2淤泥

质黏土6.34110.2816.05.733.83M-C4（6）2粉

质黏土5.26180.251923.9422.56M-C5（10）2全风

化混合岩4.56460.2818.623.417.5M-C6路基20000.32315036M-C7水泥

搅拌桩220000.322弹性8桥梁墩台310000.323弹性3.2施工步序的模拟

根据东吴支线填海筑堤地段及鱼塘虾塘地段变更设计施工图和2#桥施工图及石门澳陆域填海规划，再给合现场踏勘所得实际情况了解到，铁路路基施工时，海域未填至规划标高，目前填海标高为3.5m（85黄海高程基准）。本次拟根据铁路施工和2#桥梁的施工先后顺序分为两种工况。工况一：铁路复合地基已施工，先施工铁路路基，桥梁桩及上部结构后施工；工况二：铁路复合地基已施工，桥梁桩基及上部结构先施工，后施工铁路路基。

工况一的施工模拟顺序为：先填海至标高3.5m（85黄海高程基准），进行复合地基处理（已施工），然后进行铁路路基施工，最后进行2#桥桥墩及上部结构施工，详细的施工进程按以下五步进行模拟：第一步：海域填至地面标高35m（85黄海高程基准），地层仅由自重应力构成，不考虑构地层构造应力；第二步：采用水泥搅拌桩进行铁路软基处理；第三步：模拟铁路路基施工和施加列车动荷载等效土柱；第四步：模拟桥梁桥墩施工；第五步：模拟桥梁上部结构施工，施加上部及组合荷载。

工况二的施工模拟顺序为：先填海至标高3.5m（85黄海高程基准），进行复合地基处理（已施工），然后进行2#桥桥墩及上部结构施工，最后进行铁路路基施工，详细的施工进程按以下五步进行模拟：第一步：海域填至地面标高3.5m（85黄海高程基准），地层仅由自重应力构成，不考虑构地层构造应力；第二步：采用水泥搅拌桩进行铁路软基处理；第三步：模拟桥梁桥墩施工；第四步：模拟桥梁上部结构施工，施加上部及组合荷载；第五步：模拟铁路路基施工和施加列车动荷载等效土柱。

4计算结果分析

4.1位移分析

(1)地表沉降分析。图3桥梁施工后铁路路基最终沉降图，可以看出铁路路基沉降分布。

表2铁路路基沉降量表单位：cm

工况一施工步骤沉降第一步0第二步0第三步9.75第四步10.61第五步18.67图3工况一：

地表最终沉降云图表2为工况一条件下各施工工序完成后铁路路基沉降量，由图3和表2可以看出在工况一条件下铁路路基施工完成后路基沉降量为9.75cm，这与复合地基沉降计算软件所计算得到的沉降值相当，说明本次计算较为准确，可以模拟此工况的施工过程。最终沉降值满足Ⅱ级铁路要求工后沉降量30cm的要求。桥梁上部结构施工完成及荷载作用后，铁路路基有较大的沉降增加，这说明桥梁上部结构及荷载对铁路路基沉降有较大的影响，有必要在桥梁施工过程中对于铁路路基设置沉降观测点，如沉降量值较大或者变化较大、较快，应及时对于地基采取加固措施。

(2)水平位移分析。图4为铁路路基水平位移云图。

工况一工况二

图4铁路路基水平位移云图由图5可以看出，两种工况情况下，复合地基外侧水泥搅拌桩的桩底的水平位移最大，工况一最大水平位移为2403mm，工况二为13.02mm。

工况一工况二

图5水泥搅拌桩水平位移图图5为两工况下外侧水泥搅拌桩水平位移图。由图可以看出两种工况中，铁路路基的施工完成后，水泥搅拌桩的桩底水平位移会都有较大增加，而桥梁桩柱、上部结构及荷施作以后，对铁路路基下的水泥搅拌桩的水平位移影响较小。对比两种工况可以看出，工况二的在铁路施工后将会对使软基产生较大的水平位移，这样势必会增加桥梁桩基的侧向水平推力，这将会影响桥墩的结构安全。基于考虑桥梁的安全，所以不推荐工况二的施工顺序。

4.2复合路基水泥搅拌桩的受力分析

图6为水泥搅拌桩竖向应力云图。

工况一工况二

图6水泥搅拌桩的竖向应力图由图7可以看出，在路堤及列车荷载作用，沿线路中心水泥搅拌桩承受较大荷载，靠近外侧的水泥搅拌桩的轴向应力要小于内侧。工况一内侧水泥搅拌桩最大竖向应力为330.93kN/m2，单桩所受轴力为64.94kN；工况二内侧水泥搅拌桩最大竖向应力为299.08kN/m2，单桩所受轴力为5870kN；单根水泥搅拌桩的轴力均小于设计承载力要求。

图7为靠内侧水泥搅拌桩轴力在各施工步序下轴力图，由图可以看出，每道工序下水泥搅拌桩轴力随深度增加而增加，铁路路基及列车荷载施作后水泥搅拌桩的轴力增加较大，桥墩及桥梁上部荷载的施作对水泥搅拌桩轴力增加量较小，桥梁施工对铁路路基及复合地基的竖向力影响小。

工况一工况二

图7水泥搅拌桩轴力图图8桥墩水平位移图

4.3桥墩位移分析

图8为不同种工况下，考虑墩顶受力最不利的情况下，桥墩的水平位移由图可以看出工况一、工况二桥墩墩顶的最大水平位移分别为32.4mm、29.1mm（正为偏向铁路路基侧），工况二铁路路基施工将会使桥墩桩柱地面以下8～12m的范围内产生较大的水平位移，这对2#桥梁结构安全不利。考虑桥梁的安全建议先采用工况一模拟的施工顺序，即先铁路路基施工，待路基沉降值稳定后进行桥墩及上部结构的施工，但施工时应保证减小对临近铁路路基础地层的扰动。

参考文献

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