既有鐵路旁打樁對(duì)路基安全性的影響數(shù)值

王麗 梁飛 趙偉

摘要：根據(jù)資料對(duì)鐵路復(fù)合地基穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，并驗(yàn)算水泥攪拌樁加固的復(fù)合地基總的沉降量是否滿(mǎn)足規(guī)范要求；針對(duì)鐵路路基外橋梁的施工階段及運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行有限元分析，分析和評(píng)價(jià)2#公路橋橋墩對(duì)鐵路復(fù)合路基受力狀態(tài)的影響。

關(guān)鍵詞：路基穩(wěn)定性；沉降驗(yàn)算；有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16723198（2014）14017802

1鐵路工程概況

某鐵路支線(xiàn)DDK7+150.00～DDK9+200.00段地基采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基加固，樁徑0.5m，樁間距15m，按等邊三角形布置，樁長(zhǎng)至硬底以下0.5m，樁長(zhǎng)3.5～12m；樁頂鋪0.6m厚砂夾碎石墊層，墊層內(nèi)鋪雙層極限抗拉強(qiáng)度不小于100kN/m雙向土工格柵。

2公路立交橋工程概況

某2#公路橋橋總長(zhǎng)415m，上部結(jié)構(gòu)為25m跨預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，下部結(jié)構(gòu)為直徑1.1m鉆孔灌注樁接蓋梁結(jié)構(gòu)。橋梁縱向坡度設(shè)為3.5%，橋梁起點(diǎn)接陸域標(biāo)高11388m，終點(diǎn)標(biāo)高11.388m，并接入城港大道。如圖1所示為某一期工程2#橋上跨某鐵路支線(xiàn)橋梁。

圖12#公路橋跨某支線(xiàn)鐵路立、平面圖3鐵路路基受力狀態(tài)的有限元分析

3.1計(jì)算參數(shù)的選取及模型的建立

圖2計(jì)算簡(jiǎn)化模型（1）采用Midas有限元軟件分析橋梁施工時(shí)鐵路路基的受力狀態(tài)，將實(shí)際施工過(guò)程簡(jiǎn)化為平面模模型，土層按支線(xiàn)鐵路地質(zhì)勘察報(bào)告分為五層，分別為回填土層、(2)4淤泥、(3)2淤泥質(zhì)黏土、(6)2粉質(zhì)黏土、(10)1全風(fēng)化混合巖，土層采用平面單元模擬，屈服準(zhǔn)則采用M-C準(zhǔn)則。橋梁橋墩和水泥攪拌樁認(rèn)為在受力過(guò)程中僅發(fā)生彈性變形，路堤土、墊層、樁間土和樁端土均采用理想彈塑性模型。計(jì)算簡(jiǎn)化模型如圖2。

（2）考慮土體的成層性:地層分為五層，并假設(shè)土體僅在自重應(yīng)力下的固結(jié)已經(jīng)完成，并且不考慮初始應(yīng)力場(chǎng)，評(píng)估區(qū)域內(nèi)地層無(wú)大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，不考慮地層構(gòu)造應(yīng)力。

（3）橋梁上部荷載和路基的動(dòng)荷載簡(jiǎn)化為集中力和等效土樁高度分別施加于橋墩樁頂和路基頂面。

（4）邊界條件：對(duì)稱(chēng)面僅限制水平移動(dòng)，底面和側(cè)面為固定邊界，地層表面為自由邊界。

（5）根據(jù)東吳鐵路支線(xiàn)地質(zhì)報(bào)告，計(jì)算模型的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1計(jì)算模型的參數(shù)

序號(hào)材料壓縮模量

（MPa）彈性模量

（MPa）泊松

比容重

(kN/m2)粘聚力

(KPa)摩擦角

(°)采用屈

服準(zhǔn)則1回填土層3.87100.318.22.028M-C2（2）4淤泥1.97130.316.56.475.04M-C3（3）2淤泥

質(zhì)黏土6.34110.2816.05.733.83M-C4（6）2粉

質(zhì)黏土5.26180.251923.9422.56M-C5（10）2全風(fēng)

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

攪拌樁220000.322彈性8橋梁墩臺(tái)310000.323彈性3.2施工步序的模擬

根據(jù)東吳支線(xiàn)填海筑堤地段及魚(yú)塘蝦塘地段變更設(shè)計(jì)施工圖和2#橋施工圖及石門(mén)澳陸域填海規(guī)劃，再給合現(xiàn)場(chǎng)踏勘所得實(shí)際情況了解到，鐵路路基施工時(shí)，海域未填至規(guī)劃標(biāo)高，目前填海標(biāo)高為3.5m（85黃海高程基準(zhǔn)）。本次擬根據(jù)鐵路施工和2#橋梁的施工先后順序分為兩種工況。工況一：鐵路復(fù)合地基已施工，先施工鐵路路基，橋梁樁及上部結(jié)構(gòu)后施工；工況二：鐵路復(fù)合地基已施工，橋梁樁基及上部結(jié)構(gòu)先施工，后施工鐵路路基。

工況一的施工模擬順序?yàn)椋合忍詈Ｖ翗?biāo)高3.5m（85黃海高程基準(zhǔn)），進(jìn)行復(fù)合地基處理（已施工），然后進(jìn)行鐵路路基施工，最后進(jìn)行2#橋橋墩及上部結(jié)構(gòu)施工，詳細(xì)的施工進(jìn)程按以下五步進(jìn)行模擬：第一步：海域填至地面標(biāo)高35m（85黃海高程基準(zhǔn)），地層僅由自重應(yīng)力構(gòu)成，不考慮構(gòu)地層構(gòu)造應(yīng)力；第二步：采用水泥攪拌樁進(jìn)行鐵路軟基處理；第三步：模擬鐵路路基施工和施加列車(chē)動(dòng)荷載等效土柱；第四步：模擬橋梁橋墩施工；第五步：模擬橋梁上部結(jié)構(gòu)施工，施加上部及組合荷載。

工況二的施工模擬順序?yàn)椋合忍詈Ｖ翗?biāo)高3.5m（85黃海高程基準(zhǔn)），進(jìn)行復(fù)合地基處理（已施工），然后進(jìn)行2#橋橋墩及上部結(jié)構(gòu)施工，最后進(jìn)行鐵路路基施工，詳細(xì)的施工進(jìn)程按以下五步進(jìn)行模擬：第一步：海域填至地面標(biāo)高3.5m（85黃海高程基準(zhǔn)），地層僅由自重應(yīng)力構(gòu)成，不考慮構(gòu)地層構(gòu)造應(yīng)力；第二步：采用水泥攪拌樁進(jìn)行鐵路軟基處理；第三步：模擬橋梁橋墩施工；第四步：模擬橋梁上部結(jié)構(gòu)施工，施加上部及組合荷載；第五步：模擬鐵路路基施工和施加列車(chē)動(dòng)荷載等效土柱。

4計(jì)算結(jié)果分析

4.1位移分析

(1)地表沉降分析。圖3橋梁施工后鐵路路基最終沉降圖，可以看出鐵路路基沉降分布。

表2鐵路路基沉降量表單位：cm

工況一施工步驟沉降第一步0第二步0第三步9.75第四步10.61第五步18.67圖3工況一：

地表最終沉降云圖表2為工況一條件下各施工工序完成后鐵路路基沉降量，由圖3和表2可以看出在工況一條件下鐵路路基施工完成后路基沉降量為9.75cm，這與復(fù)合地基沉降計(jì)算軟件所計(jì)算得到的沉降值相當(dāng)，說(shuō)明本次計(jì)算較為準(zhǔn)確，可以模擬此工況的施工過(guò)程。最終沉降值滿(mǎn)足Ⅱ級(jí)鐵路要求工后沉降量30cm的要求。橋梁上部結(jié)構(gòu)施工完成及荷載作用后，鐵路路基有較大的沉降增加，這說(shuō)明橋梁上部結(jié)構(gòu)及荷載對(duì)鐵路路基沉降有較大的影響，有必要在橋梁施工過(guò)程中對(duì)于鐵路路基設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，如沉降量值較大或者變化較大、較快，應(yīng)及時(shí)對(duì)于地基采取加固措施。

(2)水平位移分析。圖4為鐵路路基水平位移云圖。

工況一工況二

圖4鐵路路基水平位移云圖由圖5可以看出，兩種工況情況下，復(fù)合地基外側(cè)水泥攪拌樁的樁底的水平位移最大，工況一最大水平位移為2403mm，工況二為13.02mm。

工況一工況二

圖5水泥攪拌樁水平位移圖圖5為兩工況下外側(cè)水泥攪拌樁水平位移圖。由圖可以看出兩種工況中，鐵路路基的施工完成后，水泥攪拌樁的樁底水平位移會(huì)都有較大增加，而橋梁樁柱、上部結(jié)構(gòu)及荷施作以后，對(duì)鐵路路基下的水泥攪拌樁的水平位移影響較小。對(duì)比兩種工況可以看出，工況二的在鐵路施工后將會(huì)對(duì)使軟基產(chǎn)生較大的水平位移，這樣勢(shì)必會(huì)增加橋梁樁基的側(cè)向水平推力，這將會(huì)影響橋墩的結(jié)構(gòu)安全?；诳紤]橋梁的安全，所以不推薦工況二的施工順序。

4.2復(fù)合路基水泥攪拌樁的受力分析

圖6為水泥攪拌樁豎向應(yīng)力云圖。

工況一工況二

圖6水泥攪拌樁的豎向應(yīng)力圖由圖7可以看出，在路堤及列車(chē)荷載作用，沿線(xiàn)路中心水泥攪拌樁承受較大荷載，靠近外側(cè)的水泥攪拌樁的軸向應(yīng)力要小于內(nèi)側(cè)。工況一內(nèi)側(cè)水泥攪拌樁最大豎向應(yīng)力為330.93kN/m2，單樁所受軸力為64.94kN；工況二內(nèi)側(cè)水泥攪拌樁最大豎向應(yīng)力為299.08kN/m2，單樁所受軸力為5870kN；單根水泥攪拌樁的軸力均小于設(shè)計(jì)承載力要求。

圖7為靠?jī)?nèi)側(cè)水泥攪拌樁軸力在各施工步序下軸力圖，由圖可以看出，每道工序下水泥攪拌樁軸力隨深度增加而增加，鐵路路基及列車(chē)荷載施作后水泥攪拌樁的軸力增加較大，橋墩及橋梁上部荷載的施作對(duì)水泥攪拌樁軸力增加量較小，橋梁施工對(duì)鐵路路基及復(fù)合地基的豎向力影響小。

工況一工況二

圖7水泥攪拌樁軸力圖圖8橋墩水平位移圖

4.3橋墩位移分析

圖8為不同種工況下，考慮墩頂受力最不利的情況下，橋墩的水平位移由圖可以看出工況一、工況二橋墩墩頂?shù)淖畲笏轿灰品謩e為32.4mm、29.1mm（正為偏向鐵路路基側(cè)），工況二鐵路路基施工將會(huì)使橋墩樁柱地面以下8～12m的范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的水平位移，這對(duì)2#橋梁結(jié)構(gòu)安全不利?？紤]橋梁的安全建議先采用工況一模擬的施工順序，即先鐵路路基施工，待路基沉降值穩(wěn)定后進(jìn)行橋墩及上部結(jié)構(gòu)的施工，但施工時(shí)應(yīng)保證減小對(duì)臨近鐵路路基礎(chǔ)地層的擾動(dòng)。

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