邻近堆载作用下高铁桥基群桩承台水平位移控制研究*

金国海，王震南，李友元，李 平

(1.杭州地方铁路开发有限公司，浙江 杭州 310009；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210024；3.中铁二十四局集团有限公司，上海 200070)

0 引言

东部沿海地区经济发达，人口密集，广泛分布着深厚软土层[1]，在邻近堆载作用下，土体会引发水平方向的变位，从而对邻近结构物产生较大的影响[2-4]，而既有高铁桥基群桩承台上部结构的竖向荷载会进一步加剧群桩承台变形，从而影响既有高铁运行的平顺性。因此，有必要对邻近堆载作用下的既有高铁桥基承台群桩变形控制措施进行研究，以减少邻近堆载作用下高铁群桩的变形，为类似工程提供参考。

国内外众多学者对邻近堆载或者卸载作用下土体位移的控制做了大量工作。费纬[5]、翟杰群等[6]通过研究隔离桩紧邻深基坑工程中的应用发现，隔离桩具有水平和竖向的变形隔断作用，且隔离桩需要达到一定的深度和刚度才会有较好的隔离效果。竺明星等[7-8]研究了边载作用下隔离桩的内力特性，以及隔离桩的桩长、桩径、桩间距等因素对被隔离桩的影响。刘毓氚等[9]结合大面积堆载工程实例，研究了隔断桩和地基加固对邻近桩基的变形影响机理。杨敏等[10-13]研究了堆场条件下，分别采取主动区加固、被动区加固、隔离桩加固等措施条件下土体位移场的变化规律。

随着邻近建(构)筑物堆载工程逐渐增多，开展对既有建(构)筑物变形的优化位移控制措施研究具有一定的工程实际意义。本文以浙江沿海某邻近既有高铁的新建城际铁路试车线工程为例，通过对比分析数值计算结果和现场实测数据，探讨了邻近堆载下控制既有高铁桩基承台群桩变形的不同处理措施。

1 工程概况

1.1 工程背景

浙江沿海地区某新建城际铁路试车线工程为高架桥，紧邻既有高铁，两者最小净距仅有24m，拟采用满堂支架法施工。满堂支架法施工虽然速度快，但是在施工过程中产生的堆载会对周边土体应力场有一定的影响，使周围土体产生位移，从而造成邻近既有高铁桥基变位，影响既有高铁运营。根据地勘报告，主要土层的物理力学参数如表 1所示，其中③2淤泥质粉质黏土为欠固结土，超固结比为0.7。

表1 土体物理力学参数

1.2 既有桥基变形现场试验

实际工程中，邻近既有高铁桥基群桩-承台尺寸如图 1所示，高铁桥基群桩承台边缘距离堆载边界仅有24m，堆载的平面尺寸为30m×8m。

图1 既有高铁桥基群桩尺寸

根据实际工程计算，30m的单线简支梁荷载320t，作用在群桩承台上的荷载约为214kPa。邻近堆载按简支梁荷载的50%，80%，110%分三级进行加载，单线简支梁宽度为8m，最终施加的均布堆载为14.4kPa，现场试验对桥桩承台共布置了4个监测点，其中水平位移和竖向位移监测点各2个，如图 2a所示，现场试验堆载实物如图 2b所示。

图2 现场试验堆载及测点布设

2 既有桥基变形三维数值分析

2.1 数值模型建立

数值计算采用三维有限元软件PLAXIS3D进行建模，模型网格划分如图 3所示，模型x方向长度取为160m，y方向长度为130m，z方向深度为90m，模型中间部分通过分割面进行局部加密。土层单元设置为Mohr-Coulomb本构模型，混凝土材料实体单元设置为线弹性模型，弹性模量取值31.5GPa，泊松比取值0.2。

图3 模型网格划分

2.2 高铁桥基变形分析

为验证数值模拟的合理性，将数值计算结果与现场实测数据进行对比分析，如表 2和图 4所示。由表2分析可知，数值计算结果与现场实测数据相差较小，既有高铁桩基承台自身产生的水平和竖向位移均不大，小于设计给定的限值1mm。结合图 4，说明本文建立的模型是合理的，可以在此基础上进一步分析控制群桩位移不同措施的影响。

表2 桥基承台位移实测与模拟值对比

图4 5m深度处土体水平位移实测与模拟对比

3 不同桥基变形控制措施效果分析

控制既有群桩承台位移，即减少周边邻近堆载引起的应力场变化对既有高铁桩基的影响，除主动区加固和被动区加固外[12]，还可以在堆载处进行地基加固处理，但是在被动区采取加固措施的过程中有可能对既有高铁运行的平顺性造成较大影响，因此本文主要选取隔离桩和堆载面下水泥土加固两种控制措施，对其控制变形效果展开分析。

为评价既有群桩承台位移控制效果，引入控制效率η的概念，其定义为：

(1)

式中：Sref为无隔离措施情况下群桩水平位移或者竖向位移指标；Ssp为有隔离措施下对应的位移指标[14]。

3.1 设置隔离桩措施效果分析

在邻近堆载和既有高铁承台群桩之间设置隔离桩，其位置如图 5所示，其中L为单排隔离桩的深度，S为隔离桩与邻近堆载边界的距离。分别探讨隔离桩深度L和隔离距离S对既有群桩承台位移的影响。

图5 隔离桩布置示意

数值计算结果如图6所示，当单排隔离距离分别为S=13m和21m时，既有高铁群桩承台的水平位移控制效率接近于“0”，随着隔离桩深度的变化，控制效率η基本变化不大；当S=5m时，随着隔离桩深度的增加，既有高铁群桩承台的水平位移控制效率η逐渐增大，当L=25m时，控制效率达到最大值为16.4%，随后逐渐减小，存在峰值现象。

图6 隔离桩桩位-桩长与承台水平位移控制效率关系

在单排隔离桩长L=25m不变的条件下，控制效率η随隔离距离的变化如图 7所示。隔离距离对控制效率的影响较大，随着隔离距离S的增加，既有高铁桩基承台水平位移的控制效率逐步降低，隔离距离S从1m变化到5m时，控制效率下降的速度较快。当隔离距离在13～21m时，可能会出现隔离桩整体随土体移动的情况，所以，既有桩基承台水平位移的控制效率变化较小。

图7 L=25m时隔离距离与承台水平位移控制效率的关系

单排隔离桩、双排隔离桩对齐和双排隔离桩错开3种工况下(隔离桩布置如图 8所示)对既有高铁群桩承台水平位移控制的效果如图 9所示，分析可知双排桩的控制效率明显比单排桩的控制效率高，双排桩对齐和双排桩错开模式下的控制效率分别为20.4%和20.6%。当隔离深度L=25m时，双排桩的控制效率比单排桩高约4.7%，而双排桩的排布形式对承台水平位移控制效率影响不大。

图8 隔离桩排布示意

图9 不同隔离桩的排布方式下承台水平位移控制效率(L=25m)

3.2 邻近堆载下水泥土加固措施效果分析

在邻近堆载面下利用水泥土进行地基加固处理如图 10所示，水泥土处理面积与堆载面积相同，为30m×8m。分别设置加固深度H为2，4，6，8m和10m的5种工况进行计算分析，水泥土采用线弹性本构模型，重度γ=20kN/m3，弹性模量E=200MPa，泊松比ν=0.2。

图10 水泥土加固示意

不同水泥土处理深度对承台水平位移控制效率的计算结果如图11所示，既有高铁桥基承台水平位移的控制效率随水泥土加固深度的增加不断提高，但控制效率的提高速率逐渐减缓，当水泥土的处理深度达到10m时，控制效率可达到86.6%。

图11 不同水泥土加固深度承台水平位移控制效率

以H为4m的处理深度为例，考虑水泥土不同处理形式——“四周形”“两侧形”“中间形“3种工况下对既有群桩承台的水平位移控制效率(见图12)。对于“四周形”处理形式，当图中D分别取1，1.5，2m和2.5m时，对应的置换率分别为30%，43.8%，56.6%和70.0%。不同置换率下承台水平位移控制效率计算结果如图 13所示，置换率从30%到43.8%时，既有高铁桩基承台水平位移的控制效率增长较快，随后控制效率增长减缓，呈近似线性增长，当置换率到100%时，桩基承台水平位移控制效率为32.5%。

图12 水泥土处理形式平面

图13 H=4m时不同置换率下承台水平位移控制效率

当D=1m时，在同一置换率30%的情况下，“四周形”“两侧形”和“中间形”3种不同处理形式下的既有承台水平位移控制效率计算结果对比如图 14所示。显然“中间形”的既有承台水平位移控制效率最高，为19.4%，相比于“两侧形”和“四周形”分别高出了7.9%和11.2%。“中间形”水泥土的处理形式能够更加均匀地承受上部堆载，因此可以更好地减少水平附加应力的扩散，从而减少既有群桩承台的水平位移。

图14 置换率为30%下不同置换形式的承台水平位移控制效率

3.3 组合控制措施效果分析

通过上文分析，采用双排隔离桩和堆载面下水泥土加固可以有效控制邻近既有高铁桥基群桩承台的水平位移。现考虑将两种控制措施进行组合，分析其对控制位移效率的影响。隔离桩采用图8a和图8b的形式，隔离深度L取25m，堆载面下水泥土处理采用图12c的形式，处理深度H取4m。对比计算结果如图15所示，水泥土+单排桩和水泥土+双排桩组合下的水平位移控制效率η分别为61.3%和65.7%，与单一控制措施相比(单一处理措施的水平位移控制效率η最大值为20.6%)提高幅度较为显著，可见组合控制措施下既有高铁桩基承台水平位移的控制效果远远好于单独控制措施。

图15 组合与单独控制措施下承台水平位移控制效率

4 结语

1)利用隔离桩控制邻近堆载作用下既有高铁群桩承台的水平位移时，双排隔离桩的控制效果明显好于单排桩，但是双排桩的排布形式对控制效果的影响不大。

2)采用水泥土对堆载下方土体进行加固，随着加固深度的增大，邻近堆载下既有高铁桩基群桩承台的水平位移控制效率也逐步增大，但是控制效率增速随加固深度增大逐渐减缓。

3)堆载下方水泥土不同处理形式对既有高铁群桩承台水平位移的控制效率有较大影响，置换率一定时，在“中间形”的水泥土置换方式下，群桩承台位移的控制效果较好。

4)采用堆载面下水泥土加固和设置隔离桩的组合控制措施，可以更加有效地减少水平附加应力的扩散，从而显著提高既有高铁桥基承台水平位移的控制效率。

5)本文考虑的是特定条件下既有高铁桥基群桩承台位移的控制措施，并没有考虑隔离桩的刚度、不同地质条件、水泥土掺入量等因素对群桩承台水平位移控制效果的影响。当然，既有高铁群桩承台的位移模式还包括竖向位移和转角位移等，还需要进一步的展开深入研究。