公路路基穿越高铁桥墩墩顶变形敏感因素分析_冯志文.pdf

178内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年第 42 卷 第 2 期2023 年 4 月内蒙古工业大学学报（自然科学版）Journal of Inner Mongolia University of Technology（Natural Science Edition）Vol.42 No.2Apr.2023文章编号：1001-5167（2023）02-0178-06公路路基穿越高铁桥墩墩顶变形敏感因素分析冯志文1，晏长根2（1.山西诚达公路勘察设计有限公司，太原 030006；2.长安大学 公路学院，西安 710054）Analysis of sensitive factors of pier Top deformation of highway subgrade crossing high-speed railway bridgeFENG Zhiwen1,YAN Changgen2收稿日期：2022-08-23基金项目：国家自然科学基金项目（42077265）第一作者：冯志文（1989），男，硕士，高级工程师，主要从事岩土工程、公路路基等领域的设计研究。E-mail:(1.Shanxi Chengda Highway Survey and Design Co.,Ltd,Taiyuan 030006,China;2.Highway College,Changan University,Xian 710054,China)Abstract：In view of the pier top deformation caused by the trunk highway crossing the high-speed railway pier in the form of subgrade,in order to clarify the main influencing factors of pier top deformation and their correlation,based on the actual project,numerical simulation is used to calculate and analyze the displacement and deformation of each point on the pier top from the intersection angle of highway and railway,the filling height of highway subgrade,the subgrade replacement depth,and the internal friction angle of the original ground soil.The results show that with the decrease of the crossing angle,the deformation of the pier top becomes larger,and the lateral inclination difference also increases;the higher the subgrade filling height is,the greater the deformation of the pier top is,and the influence is very significant;the increase of subgrade replacement depth will lead to the obvious increase of pier top deformation;the internal friction angle of the stratum soil where the bridge pier is located increases,and the deformation of the top of the bridge pier decreases.Key words：geotechnical engineering;highway crossing railway;numerical simulation;crossing angle;top deformation of bridge pier;filling height摘 要：针对干线公路采用路基形式穿越高速铁路桥墩所导致的墩顶变形，为明确墩顶变形的主要影响因素及其相关性，以实际项目为依托，采用数值模拟分别从公路与铁路的交叉角度、公路路基的填筑高度、路基换填深度、原地层土体的内摩擦角 4 个方面计算分析桥墩顶部各点的位移变形。结果表明：随着交叉角度的减小，桥墩顶部的变形变大，同时横向倾斜差也在增加；路基填筑高度越大，桥墩顶部的变形越大，且影响十分显著；路基换填深度的增加会导致桥墩顶部的变形明显增加；桥墩所在地层土体的内摩擦角增大，桥墩顶部的变形减小。关键词：岩土工程；公路穿越铁路；数值模拟；交叉角度；桥墩顶部变形；填筑高度中图分类号：U 416.1 文献标志码：A近年来，我国交通建设取得了飞速的发展，公路、铁路等基础设施形成了交叉立体网络。随着建设的持续推进，建设条件的制约性渐渐凸显。尤其当公路穿越高速铁路时，由于高速铁路运行速度快，新建公路必须保证高速铁路的运行安全，因此在公路设计阶段就得充分考虑拟建公路对高速铁路的影响。为了分析工程建设对土体及邻近构造物的影响，国外学者 WILSON J M、KULESZA R 等进行了深入的理论分析，并提出了许多理论成果，提出了监测方案1-5。谢钦方6通过计算分析认为在公路施DOI:10.13785/ki.nmggydxxbzrkxb.2023.02.007179冯志文等公路路基穿越高铁桥墩墩顶变形敏感因素分析第 2 期工过程中必须合理安排施工作业设备及施工工序，以降低施工过程中铁路桥墩的变形。毕乾等7研究认为公路与铁路交叉的距离越近，铁路桥墩的变形越大，需采取合适的工程措施来控制铁路桥墩的变形。湛敏等8分析研究表明新建公路采用桥梁方式穿越铁路桥梁有一定的优越性。李蓬9研究发展在公路新建过程中土体的应力重分布及变形均会引起铁路桥墩的一定的变形位移。徐可文10对比分析了路基及桥梁穿越铁的桥墩变形，推荐采用桥梁形式跨越。李永奎等11研究认为铁路路基的垫层厚度明显影响下穿公路桥梁桩基的变形。徐宇等12研究发现采用 CFG 桩处理后的铁路路基可以明显降低其对下穿公路桥梁的变形影响。李俊等13认为在路基工程的施工过程中应分块开挖土体，避免大面积土体同时开挖以控制桥墩的变形。马卓14通过研究分析认为采用钢板桩下穿高铁桥墩更具有优势。杨红春15认为当桥墩变形要求严格时应采用桩基形式通过，当采用路基形式时应选用轻质材料填筑路基。成科霈16以实际工程为背景研究了公路路基施工阶段过程对大桥影响。刘金国17从多角度分析了城市道路下穿铁路的方案合理性。但是，公路的建设条件对铁路桥墩墩顶变形的影响目前研究较少，为了进一步研究路基下穿高速铁路时铁路墩顶变形的影响因素，本文结合实际工程项目采用数值模拟手段从路线交叉角度、路基填筑角度、路基的换填深度、土体内摩擦角 4 个角度研究分析其与墩顶变形的关系。1项目背景1.1工程背景在山西中部地区，当地交通部门为了优化路网结构，拟对原国道进行改建，按照规划，拟建国道需与大西高铁进行交叉，根据有关部门的要求，拟建国道不得采取上跨大西高铁的方案，因此只能选择在合适的位置进行下穿。在设计过程中，拟建公路在下穿路段采用分离式路基进行分幅下穿，分离式路基宽度为 12.25 m，该处高速铁路的桥跨为24.6 m，大西高铁采用 CRTS I 型双块式无砟轨道，设计速度为 250 Km/h，对桥墩的变形要求极为严格。根据相关规范的要求，高速铁路桥梁的变形监测主要内容为桥墩沉降、倾斜、水平位移（顺桥向、横桥向)等。1.2计算模型当公路建成通车后，车辆荷载会对临近铁路桥墩产生变形影响，因此本文研究的墩顶变形均为公路运营阶段的高速铁路桥墩顶部变形。根据该区域的地质勘察报告和土工试验报告，以及大西高铁实际测量的桥跨及墩高，采用有限元建立与之相匹配的三维计算模型即为了保证计算的精度，考虑到模型的尺寸效应，在模型中桥墩的高度、截面积、路基宽度均采用实际尺寸，见图 1 所示。根据圣-维南原理可知,桥墩对周边应力影响范围在桥墩尺寸的 35 倍之间，桥墩横向宽为 2 m，纵向宽为 6 m，按照桥墩尺寸 4 倍来确定桥墩周边地层的宽度，确保地层尺寸对研究结果没有影响，因此模型中地层的宽度为 50 m，长度为 70 m。在计算模型中，对模型的 x、y、z 方向的底面进行位移约束，以便精确获得公路运营阶段桥墩顶部的变形。同时，为了精准分析桥墩顶部的变形，在桥墩顶部布设多个位移观测点，见图 2 所示。2理论研究及分析思路按照土力学及基础工程的有关知识，桥墩的变形主要有 3 种附加应力引起的变形相互叠加而成。根据材料特性可知，桥墩作为钢筋混凝土结构是刚体，其变形主要是桥墩桩侧土体变形所引起。公路下穿高速铁路桥墩时，路基荷载及车辆荷载将作为附加荷载作用在桩侧土上。假设路基宽度为 B，路图 1计算模型 Fig.1Computational model图 2桥墩位移监测点 Fig.2Pier displacement monitoring point180内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年基荷载及车辆荷载为 P，P 在微分宽度 d 内在任意点 Q 所产生的附加应力为 z。式中：m=x/b，n=z/b，x 为应力计算点至荷载起算点的距离，z 为应力计算点的深度。由于公路为带状结构，路基荷载及车辆荷载在公路范围内均匀分布，这相当于在原铁路桥墩的桩周土体上作用大面积均布荷载，按照桩基础的有关知识，此时会在铁路桥墩桩基上产生负摩阻力。负摩阻力的产生使得铁路桩基的竖向承载力部分降低，桩基变形会增大，进而导致铁路桥墩变形增加。根据土压力理论，在桥墩侧作用均布荷载P时，P 将会对桥墩产生附加土压力强度，附加土压力会作用在桥墩上产生变形。附加土压力强度 Paq计算公式为：Paq=PKa (2)(3)在设计过程中，路线走向是首要条件，当与已建成的铁路进行交叉时，交叉角度是控制路线走向的重要控制因素，因此从控制桥墩顶部位移的角度来分析交叉角度对其的影响十分重要。因此本文选取公路路线与高速铁路的交叉角度分别为 90、75、60、45 来研究分析。铁路桥墩建成后再进行公路路基填筑时，路基的填土自重会成为一个附加荷载作用在桥墩上，从而使得桥墩产生一定的位移变形，同时，填土自重会对地表土体产生作用，使得土体产生竖向位移变形，这个变形反过来作用到桥墩上，桥墩产生二次变形，这两次变形叠加后桥墩顶部的变形十分显著，因此为了清晰研究填土高度与桥墩顶部位移的关系，本文选取了 0.5、1.0、1.5、2.0 m 的填土高度来分析。当地表土体的力学性质较差时，公路建设中经常采用在路基范围内进行换填处理，尤其是重载车辆较多时，更需要较深的换填处理。为了研究不同换填深度对于桥墩顶部变形的影响，文章分别从 0.5、0.75、1.0、1.25 m 四个换填深度进行模拟，来研究分析变形影响。按照式(2)，土体作为一种塑性材料，通常采用摩尔库伦模型，抗剪强度指标是关键参数，虽然土体的变形由变形模量控制，但是抗剪强度中的内摩擦角会影响附加土压力强度的大小，进而影响桥墩顶部的变形。为了探讨土体的抗剪强度对桥墩顶部位移的影响，文章将第一层土体的内摩擦角分别取 15、16、17、18 进行模拟分析，通过监测桥墩的位移来分析二者之间的关系。内聚力作为土体抗剪强度指标的另一重要参数，但是根据土力学的知识可知其对桥墩变形的影响较弱，本文不作其对墩顶位移的影响研究。3结果分析3.1交叉角度根据有关研究表明，路线与铁路桥梁交叉角度对桥梁顶部位移有影响，但是具体影响没有详细分析，因此交