新建连镇铁路桩板结构下穿京沪高铁影响分析

代汉超 冯征远

(1.中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070; 2.南京铁路枢纽工程建设指挥部 江苏南京 210042)

新建连镇铁路桩板结构下穿京沪高铁影响分析

代汉超1冯征远2

(1.中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070; 2.南京铁路枢纽工程建设指挥部 江苏南京 210042)

以新建铁路连云港至镇江线下穿京沪高铁实例为背景，利用有限元程序Midas/GTS NX对新建桩板结构建立弹塑性有限元模型进行施工阶段分析。桩端持力层为粉质黏土，桩基为摩擦桩，为了分析摩擦桩与土层之间的相互作用，建立桩-土接触单元来模拟桩土间的接触作用，以桩端单元模拟桩端土的支撑力。分析基坑开挖、桩基施工、桩板及上部结构施工、运营阶段等不同施工阶段对京沪高铁的影响。计算结果表明：桩板结构的施工对既有京沪高铁的影响很小。

桩板结构;下穿高速铁路;接触单元;有限元分析

0 引言

随着我国地方经济的快速发展，新建或改建道路下穿高速铁路的数量日益增多，目前在道路下穿高速铁路方案选择时，主要有路基方案[1]、U型槽方案[2]、桩板结构方案[3-4]等方法。

其中桩板结构是地基处理的一种新型方法，在国内外铁路建设中均有采用。该结构主要由钢筋混凝土桩基和钢筋混凝土承台板组成，其主要的工作机理是：通过承台板将上部荷载传到桩体，桩体把荷载扩散到桩间土、下卧层或桩基底岩石层，从而达到控制路基沉降与变形破坏的目的。

本文以新建连云港至镇江铁路右线下穿京沪高铁为例，采用GTS NX软件，建立桩-土接触单元来考虑桩土间的接触问题，利用弹塑性有限元方法分析新建桩板结构不同施工阶段对京沪高铁的影响。

1 概况

1.1京沪高铁概况

新建连镇铁路右线于京沪高铁第67跨下穿，两条线路夹角为42°，相交处京沪高铁为32m简支梁，桥墩为双柱墩，墩高7.5m，桩基采用8-Φ1.0m钻孔桩，如图1所示。

1.2新建桩板结构设计方案

桩板结构板采用托梁式，顶宽7.6m，长82m，分4联：(2-8)m+(3-8)m+(3-8)m+(2-8)m，托板厚1.0m，托梁高1.5m，板下铺10cm厚C15素混凝土+10cm厚碎石垫层，下部设22根Φ1.25m钻孔桩, 行列式布置(纵向间距8m，横向间距4m)，桩长30m。

图1 下穿京沪高铁现场图

2 计算模型

本次分析建立的有限元模型如图2所示。计算过程中，土体、京沪高铁66#～67#桥墩采用梁单元，桩基础和桩板结构采用实体单元模拟。模型共计299 053个单元、122 665个节点。计算模型顺连镇铁路方向为131m，垂直连镇铁路方向为104m，深度方向为79m。模型前后左右均为法向约束，模型底部为竖向加法向约束。

其中桩基采用梁单元模型，土体考虑为弹塑性材料，为模拟桩土之间的接触问题，在桩和土之间设置接触单元[5-6]，设定桩土滑移的临界条件[7-8]。

根据相关地质资料和勘察报告，计算区域内的土层分布如图2(c)所示，分别为①4层种植土、④21层粉质黏土、④22层粉质黏土、④23层粉质黏土、④24层粉质黏土、④25层粉质黏土。

(a)整体模型

(b)桩板结构与京沪高铁的相对位置

(c)土层分布

根据勘察报告，本次计算各个土层的力学参数取值如表1所示。京沪高铁66#～67#桥墩和桩板结构的混凝土参数如表1所示。桩基持力层为④25粉质黏土，桩基为摩擦桩。

表1 各个土层及混凝土力学参数

为分析新建桩板结构对京沪高铁的影响，本次数值分析的计算步骤如下：

Step1：初始应力场分析；

Step2：新建桩板结构桩基施工；

Step3:新建桩板结构托梁、托板及附属设施施工；

Step4: 新建桩板结构通车运营。

计算采用荷载如表2所示。

表2 各分项荷载

3 计算结果

3.1新建桩板结构桩基施工影响分析

新建桩板结构桩基础施工阶段，京沪高铁66#～67#桥墩的变形值如表3所示。其中66#桥墩变形主要以顺桥向的水平变形为主，最大变形值为0.29mm。67#桥墩的变形也以顺桥向为主，方向与66#桥墩方向相反，最大变形值为0.30mm。

表3 新建桩板结构桩基施工阶段，京沪高铁66#～67#桥墩变形值

注：U1为顺桥向，以上海方向为正方向；U3为沉降方向，以向上为正方向；U2为横桥向，正向以右手法则确定；U为变形矢量和。下同。

3.2新建桩板结构上部结构施工影响分析

新建桩板结构上部结构施工阶段，京沪高铁66#～67#桥墩的变形值如表4所示。可以看出，京沪高铁桥墩的变形继续增加。其中66#桥墩最大变形值为0.55mm，67#桥墩的最大变形值为0.56mm，均以顺桥向水平变形和沉降为主。

表4 新建桩板结构上部结构施工阶段，京沪高铁66#～67#桥墩变形值

3.3新建桩板结构通车运行影响分析

新建桩板结构通车运营阶段，京沪高铁66#～67#桥墩的变形值如表5所示。可以看出，在连镇铁路运营荷载作用下，京沪高铁桥墩的变形进一步加大。其中66#桥墩最大变形值为0.88mm。67#桥墩的变形值为0.89mm，均以顺桥向水平变形和沉降为主。

表5 新建桩板结构运营阶段，京沪高铁66#～67#桥墩变形值

4 结论

新建连镇右线桩板结构施工阶段，京沪高铁66#～67#桥墩的变形如图3～图4所示。可以看出，新建连镇右线桩板结构施工完成后，京沪高铁66#桥墩最大变形值为0.88mm，67#桥墩最大变形值为0.89mm，均以顺桥向的水平变形和沉降变形为主。

可见，新建连镇铁路右线桩板结构，施工和运营荷载引起高铁桥墩最大水平位移和沉降量均小于1mm，施工和运营荷载对高铁桥墩影响小。

图3 桩板结构施工阶段京沪高铁66#桥墩变形(单位：mm)

图4 桩板结构施工阶段京沪高铁67#桥墩变形(单位：mm)

这是因为，桩板结构的桩基距离京沪高铁的桩基距离较远，最近距离为6.55m，大于6倍桩径，故桩板结构的桩基施工对既有京沪高铁的桩基影响很小。工点处的土质较好，桩周土体为承载力在200kPa以上的粉质黏土，桩基很好地把桩板的恒载和运营阶段的活载传递并分散到土体中，故上部结构施工阶段和运营阶段对京沪高铁桥墩影响较小。

综上所述，以桩板结构形式下穿京沪高铁，方案是合理的。

[1] 李悄，孙宗磊，张军,等.软土地区新建道路下穿既有高速铁路影响分析及对策[J].高速铁路技术，2013(1)：26-30.

[2] 武宏斌.下沉式地道下穿高铁施工技术研究[J]铁道建筑技术，2014(5)：21-24.

[3] 詹永祥，蒋关鲁，魏永幸.桩板结构路基沉降影响因素的有限元分析[J].路基工程，2007(3)：12-13.

[4] 杨斌.桩板结构技术在高铁施工中的实践探究[J].工程建设与设计, 2017(3):96-97.

[5] 宰金珉, 宰金璋. 高层建筑基础分析与设计 [M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1994.

[6] 张彬,任龙,刘欣. 桩土接触面切向刚度数据拟合 [J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版), 2016,36(5):498-503.

[7] Gaffido JA, Forces A,Paris F. An incremental procedure for three-dimensional contact problems with friction. Comp ut Struct. 1994(2):201-215.

[8] 雷晓燕. 三维接触问题新模型研究[J].土木工程学报，1996(3):24-33.

AnalysisAbouttheInfluenceofPileBoardStructureintheNewlyBuiltLian-ZhenRailwayontheBeijing-ShanghaiHigh-SpeedRailway

DAIHanchao1FENGZhengyuan2

(1.China Railway Shanghai Design Institute Group Co., Ltd, Shanghai 200070; 2.Nanjing Railway Project Construction Headquarters, Nanjing 210042)

Based on the case of the newly-built Lian-Zhen High Speed Railway traversing under the Beijing-Shanghai High Speed Railway, using finite element program Midas/GTS NX, a elastoplastic finite element model for the pile-plank structure was established. The pile point supporting layer was silty clay, so the piles belonged to the type of friction pile. To analyse friction piles - soil interaction, in the elastoplastic finite element model, pile soil contact surface elements were established to simulate the pile-soil interaction and pile-end finite element units were used to simulate the support of pile tip soil. The influence of different construction stages were analyzed:foundation pit excavation stage, construction of board and superstructure, operation stage. The calculated results showed that the influence of pileboardconstruction stages on the Beijing-Shanghai High Speed Railway was little.

Pile Board Structure; Underneath passing existing high-speed railways; Contact surface element; Finite element method

U24

A

1004-6135(2017)11-0068-03

代汉超(1985- ),男,工程师。

E-mail:daihanchao@sty.sh.cn

2017-08-15