桩板结构施工对高速铁路桥梁影响
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摘要：以台州市和合大道工程下穿在建杭绍台铁路椒江特大桥为依托，运用有限元分析软件模拟了桩板结构的施工过程，得到了椒江特大桥在道路工程附加荷载作用下的墩顶位移及桩基承载力检算结果。结果表明：在和合大道桩板结构施工及运营阶段，高铁桥梁墩顶位移（沉降量、差异沉降量、顺桥向水平变形量和横桥向水平变形量）及其桩基承载力均能满足安全限值要求。
关键词：桩板结构；铁路桥梁；墩顶位移；桩基承载力
作为一种新型的地基处理方法，桩板结构在软弱地基土地区下穿高速铁路工程中取得了较好的实践效果。当高速铁路桥下净空满足通行高度，但不具备设置桥梁条件，且地质条件不宜采用路基结构下穿时［１］，铁路管理部门多建议采用桩板结构方案下穿。因此，桩板结构施工对高速铁路桥梁的影响研究具有重要意义。随着高速铁路和公路交通的不断发展，涉及高速铁路的立交工程越来越多，研究道路施工过程对临近高铁桥梁的变形影响，对维护高铁运营安全和满足轨道平顺性要求非常重要［２－３］。以台州市和合大道工程下穿在建杭绍台铁路椒江特大桥为依托，运用有限元分析软件对桩板结构施工对高速铁路桥梁的影响进行分析，对高铁桥墩顶位移及其桩基承载力进行检算。
１工程概况
杭绍台铁路为高速铁路，设计行车速度３５０ｋｍ／ｈ，于ＤＫ２１２＋０６０处上跨椒江。椒江特大桥为（８４＋１５６＋４８０＋１５６＋８４）ｍ连续钢桁斜拉桥，且为四线桥，线间距为（５．３＋５＋５．３）ｍ，有砟轨道，位于直线及１．３‰、－１．３‰的纵坡上。和合大道采用桩板结构从椒江特大桥第５１＃～５２＃桥墩间穿越，桥墩为四线圆端形空心桥墩，５１＃号墩采用１６根直径Φ２．０ｍ钻孔灌注摩擦桩基础，设计桩长为７５ｍ，５２＃墩采用１２根直径Φ２．０ｍ钻孔灌注摩擦桩基础，设计桩长为７９ｍ。５２＃墩与５３＃墩之间采用３２ｍ简支箱梁，５３＃墩与５４＃墩之间采用２４ｍ简支箱梁。和合大道新建桩板结构设置为三联，跨径具体布置为（３×１０）ｍ＋（４×１０）ｍ＋（３×１０）ｍ，总长１０１ｍ。横向分四幅，左右幅主路机动车道各为一幅，左右幅两侧辅路机动车道、非机动车道及人行道共用一幅，共四幅，每幅之间设２ｃｍ断缝。上部结构承载板厚０．８ｍ，采用Ｃ４０钢筋混凝土；桩基采用Φ１ｍ钻孔灌注桩，桩间距３．５～４．０ｍ，采用Ｃ３０水下钢筋混凝土。基桩长度在４８～５８ｍ范围内。下穿杭绍台铁路处地质从上到下依次为：杂填土、淤泥、粉质黏土、细圆砾土、含砾粉质黏土，其中淤泥层厚度约２７ｍ，地质条件相对较差。桩板结构左幅人行道栏杆外侧距离杭绍台铁路５１＃桥墩最小距离为５．５３ｍ，右幅人行道栏杆外侧距离杭绍台铁路５２＃桥墩最小距离为４．３６ｍ；桩板结构桩基中心距离杭绍台铁路５１＃桥墩桩基中心最小距离７．５２ｍ，距离杭绍台铁路５２＃桥墩桩基中心最小距离８．１２ｍ；桩板结构距杭绍台铁路梁底约为４０ｍ。和合大道桩板结构与椒江特大桥的相对位置关系，见图１、图２。
２有限元数值模拟
２．１模型建立
根据专项设计及地勘报告等资料，利用ＭＩＤＡＳＧＴＳＮＸ软件建立三维有限元数值分析模型。在三维建模中，计算区域主要根据新建桩板结构与既有桥梁的位置关系，并满足一定边界效应的要求来确定。在本模型中，为满足桥梁施工的边界效应，三维数值模型整体尺寸为３５０ｍ（ｘ）×３００ｍ（ｙ）×２００ｍ（ｚ）。本模型采用位移边界条件：侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取为自由边界。土体强度准则为Ｍｏｈｒ－ｃｏｕｌｏｍｂ准则，采用实体单元模拟，土层计算参数结合本工程地质勘察报告和相关的工程经验进行取值，得到计算模型如图３和图４所示。依据《城市桥梁设计规范》［４］ＣＪＪ１１—２０１１，城－Ａ级车道荷载的均布荷载标准值取为１０．５ｋＮ／ｍ。
２．２施工过程模拟
施工过程分析步骤为：初始化地应力场、高铁施工阶段、位移清零、桩板结构桩基施工、承载板施工、道路运营［５－６］。具体模拟过程见表１。
２．３数值模拟计算结果
２．３．１高铁桥墩的变形。通过数值模拟，得到和合大道施工过程对杭绍台铁路椒江特大桥５１＃～５４＃桥墩及承台的影响（桩板结构桩基施工及承载板施工），主要包括横桥向位移（模型ｙ方向）、顺桥向位移（模型ｘ方向）以及竖向的沉降（模型ｚ方向），和合大道施工阶段铁路桥梁墩台的位移云图如图５所示。为避免冗余，运营阶段的计算结果详见表２和表３。表２表明，和合大道桩板结构施工过程引起的高铁墩顶最大竖向位移０．８５４２ｍｍ，位于５２＃墩，满足３０ｍｍ的控制限值要求；高铁墩顶最大差异沉降０．５５３１ｍｍ（５２＃和５３＃墩之间），满足１５ｍｍ的控制限值要求；高铁墩顶最大顺桥向位移１．８３６３ｍｍ，位于５２＃墩，满足２４．５ｍｍ的控制限值要求；高铁墩顶最大横桥向位移０．１３９３ｍｍ，位于５２＃墩，最大横桥向位移差０．０９２８ｍｍ（５２＃和５３＃桥墩之间），满足１２ｍｍ的控制限值要求［７］。表３表明，道路运营阶段引起的杭绍台铁路墩顶最大沉降为０
