新建下穿道路对高铁桥梁形位的时变影响.pdf

文章编号-0038-061002230NO.9(Ser.300)JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETY第9期（总3 0 0）Sep2023报程学道铁2023年9 月新建下穿道路对高铁桥梁形位的时变影响宋旭明包世鹏米米（中南大学，长沙4 10 0 7 5）摘要：研究目的：为评估新建工程对高铁桥梁轨道形位的时变影响，以某新建道路下穿高速铁路连续梁桥为背景，建立软土地基桥梁轨道一体化时变有限元模型，分析轨道形位、桩基内力和桩侧摩阻力的时变规律，并研究各土体参数对轨道形位的影响程度研究结论：(1)高铁桥梁轨道形位变化在8 年左右趋于收敛，软土地基的竖向变形受路基堆载影响很大，固结过程中桥墩墩顶的竖向位移增量相对值可达15 9%，应加强对施工后桥墩位移的监测；（2）路基填筑后桥梁桩基上部出现了负摩阻力，附加轴力在埋深3 0 4 0 m位置（中性点）达到最大值；（3）修正剑桥本构中对轨道竖向位移敏感性最大的三个参数为正常固结曲线斜率、临界状态线斜率和屈服面帽子曲度常量，数值计算时应根据土工试验结果对上述参数合理取值；（4)本文研究可为施工完成后高铁轨道形位的后续变化预测提供依据。关键词：下穿道路；高速铁路；轨道形位；时变；敏感性中图分类号：U24文献标识码：ATime-varying Influence of Newly-built Underpass Road on the Shape andPosition of High-speed Railway BridgeSONG Xuming,BAO Shipeng(Central South University,Changsha,Hunan 410075,China)Abstract:Research purposes:A time-varying finite element model of soft soil foundation-bridge-track integrationwas established based on a continuous beam bridge under high-speed railway.The time-varying laws of track shape,pile internal force and pile side friction were analyzed,and the influence degree of soil parameters on track shape andposition was studied.Research conclusions:(1)The change of track shape and position of high-speed railway bridge tends to converge inabout 8 years,the vertical deformation of soft soil foundation is greatly affected by subgrade surcharge,and the relativevalue of vertical displacement increment of pier top during consolidation can reach 159%,so the monitoring of pierdisplacement after construction should be strengthened.(2)After the subgrade filling,the negative friction appeared onthe upper part of the bridge pile foundation,and the additional axial force reached the maximum at the buried depth of30 40 m(neutral point).(3)The three parameters that are most sensitive to the vertical displacement of the track inthe modified Cambridge constitutive model are the slope of the normal consolidation curve,the slope of the critical stateline and the curvature constant of the yield surface cap.The above parameters should be reasonably selected according tothe results of the geotechnical test.(4)The results of the research could provide construction references for the change收稿日期：2 0 2 2-0 3-0 4基金项目：国家自然科学基金面上项目（5 2 0 7 8 4 8 6）*作者简介：宋旭明，197 4 年出生，男，副教授；包世鹏，1997 年出生，男。Dep弹塑性矩阵。d8-一应变增量矩阵；do应力增量矩阵；包世鹏：新建下穿道路对高铁桥梁形位的时变影响宋旭明第9 期39of high-speed railway track deformation.Key words:underpassing road;high-speed railway;track shape and position;time-varying;sensitivity东南沿海地区是我国经济中心，也是最具代表性的软土分布地区之一，土地资源紧张，公路和铁路路网密集，新建道路下穿高速铁路桥梁已经成为常态。在既有高铁桥梁新建下穿道路势必会对上部的铁路桥梁产生一定的影响，为了保证高速列车的安全运营，下穿施工时对高铁轨道形位变化的影响有着严格的要求，国内外学者对此现象以及控制措施已进行了较多的研究。王景春等1 对下穿道路的桩基进行了研究,发现既有高铁基础的变形随下穿段新建桩基与既有高铁群桩承台间距离的减小而增大。孙慧君2 对四种控制桥梁位移的措施进行了研究，结果表明泡沫土填筑与桩板结构的位移控制效果最好，防护桩的竖向位移控制效果一般且在软土地区应用受限。以上研究只考虑了新建工程施工过程对既有高铁桥梁的影响，对位移和内力的后续变化没有涉及。新建工程完成后，其下部软土地基即开始固结，土体力学性能会随固结而不断变化。根据唐炫等3 的研究，抗剪强度随着固结度的增加而增加,且基本呈线性关系，内摩擦角受固结度影响很小，黏聚力c随软土固结度增长而显著增长。李佐良等4 的研究则表明,软土的抗剪强度随固结度并非线性增长，且黏聚力c受固结度影响很小。从这些研究结果中可知，在软土地基随时间固结的过程中,其力学性能的不断变化势必对高铁桥梁的位移产生后续影响。目前针对新建下穿道路完成后地基固结对高铁桥梁轨道形位变化特性的研究相对较少，本文主要探讨软土地区高铁桥梁在新建下穿道路后，轨道形位和结构内力的时变效应，为施工完成后高铁轨道形位的后续变化预测提供依据。1高铁桥梁轨道形位计算方法在评估新建工程对高铁桥梁轨道形位的时变影响过程中，需要建立土层、桥梁和轨道的一体化模型，涉及土体本构模型的选择、桩土相互作用、梁轨相互作用等因素。1.1土体本构土体本构模型是对土层受力进行分析的前提，不同的土体本构都有其适用范围。考虑背景工程的实际土层状态,本文分别采用了摩尔库仑（MohrCo u l o m b）和修正剑桥本构1.1.1摩尔-库仑本构（M-C)摩尔-库仑本构基于MohrC o u lo m b 破坏准则,采用与M-C屈服准则相关联的流动法则,M-C屈服准则如下式：91-391+03sinop-ccoso22=T-sinp-ccosp=0(1)式中一屈服函数；1最大主应力；3最小主应力；C土体黏聚力；一土的摩擦角。土体的本构方程可表示为如下矩阵形式：da=Depde(2)式中通常与M-C屈服准则相关联的模型是理想弹塑性的,此时硬化函数A=O,弹塑性矩阵为fTafDDDep=D-D,=D-(3）TD式中D-弹性矩阵；D塑性矩阵。M-C本构的优点是理论模型简单，且参数较少易于获取,在工程中应用经验丰富，但是也存在不易引人孔压自由度、无法模拟超孔隙水压力的分布和消散问题5 等缺陷。1.1.2修正剑桥本构修正剑桥模型认为在临界状态的土体中应力应变状态由三个参数来表示：有效平均应力p、剪应力q和比体积u。其参数在三轴应力状态中，均可由有效主应力gi2g和孔隙比e来表示：(0+02+s)(4)3(-02)2+(02-g)2+(g;-0)(5)2u=1+e(6)修正剑桥本构的固结和回弹过程分别遵循不同的曲线轨迹进行，能较好地反映真实土体向下固结和回弹时的状态。其正常固结曲线方程和回弹曲线方程可表示为U=N-lnp(7)U=U-klnp(8)式中入一正常固结曲线的斜率；2023年9 月报程道铁学40回弹曲线的斜率；N一1一正常固结线上单位压力下的比体积；沿某一回弹曲线卸载至单位压力时的比体积。修正剑桥模型将土体的固结和渗流现象很好地纳人了土体的力学体系中，也存在着没有充分考虑剪切变形和剪胀性等缺陷，计算过程较为复杂。根据以上两种土体本构的特点，本文对接近地表的软土土层采用修正剑桥本构模拟以充分反映软土的固结和渗流现象，较深层的致密土层则使用摩尔库仑本构模型。1.2软土固结理论Biot三维固结理论是目前公认的饱和土渗流变形耦合机理较为严密的理论。对于饱和土体,Biot理论认为任意一点的总应力等于有效应力与孔隙水压力之和，即g;=o+poj(9)式中p土体中的孔隙水压力；一有效应力。本文采用ABAQUS软件建立有限元模型，基于Biot理论进行土体固结分析。1.3桩基一土体和桥梁一轨道相互作用在桩基与土体的接触位置，由于二者的材料属性存在着极大的差别，因此在土体先行扰动的情况下，接触面上会出现正应力和滑移的剪应力，且具有高度的非线性特征。本文的桩土相互作用通过在ABAQUS软件中设置面面摩擦接触实现，法向为“硬接触”，切向为“罚摩擦”。梁体与轨道通过轨道板和扣件进行连接与传力。本文对梁体和钢轨之间的相互作用采用弹簧阻尼器模拟，扣件纵向阻力按铁路无缝线路设计规范取值,扣件的竖向刚度取为6 0 MN/m，横向阻力取为135 MN/m6O2工程背景及计算模型本文以某高速铁路3 2 m+48m+32m连续梁桥为工程背景，下部结构桥墩为圆端型桥墩，桩基采用钻孔灌注桩，1号墩和4 号墩为边墩，桩基按双排布置，桩长5 0 m;2号墩和3 号墩为中墩，桩基按三排布置，桩长5 0 m。新建填土路基下穿既有桥梁4 8 m中跨段，路基与桥梁正交，高2 m，路宽2 0 m，两侧按1：1放坡，由公铁交叉处向两侧对称施工的方式进行路基填筑。桥型及基础布置如图1所示。桥梁地处平原，地势平整，区内地层为第四系全新统、上更新统冲击形成的黏土及砂类土。依据工程地20 m桥墩8.3 m8.3 m公路填方2.m承台桩基23图1新建公路断面图质资料，计算范围内的土层共有3 层，从上到下各层主要特征为：淤泥质粉质黏土，厚度5 m；粉质黏土，厚度65m;粉砂,未揭穿。2.1数值计算模型ABAQUS有限元模型采用混合单元，上部箱梁和钢轨为B32梁单元；下部结构为实体单元，采用线弹性本构；土体模型均为C3D8P流体渗流单元，对桥墩附近土体网格进行加密，第一层和第二层土采用修正剑桥本构，第三层土和路基填土采用摩尔-库仑本构。数值计算模型如图2 所示。图2数值模型根据地质勘察报告和土工试验结果，修正剑桥模型参数取值如表1所示表1修正剑桥模型参数参数淤泥质粉质黏土粉质黏土密度p/(kg:m3)19001950正常固结曲线斜率入0.1260.064 1回弹曲线斜率K0.02840.008渗透系数k1.00E-081.00E-08泊松比0.4160.32临界状态线斜率M0.91.202屈服面帽子曲度常量11三轴压缩应力屈服比K11摩尔库仑模型参数取值如表2 所示。表2摩尔一库仑模型参数内摩压缩基本岩土密度p/黏聚力泊松比擦角模量承载力名称(kg m3)c/kPa0/()/MPa/kPa粉砂210024.850.321.0350路基196010.424.620.34.68135宋旭明包世鹏：新建下穿道路对高铁桥梁形位的时变影响第9 期412.2初始条件设置模型需要设置的初始条件有初始有效应力和初始孔隙比。ABAQUS中应力以拉为正,第一、第二层土的初始有效应力按下式计算7 g;=-8(121-z),g,=g,=-0.5g)(10)模型初始孔隙比可由剑桥模型理论解析求得8 22eo=e.-入ln(11)2122根据式（11）求得土层的初始孔隙比随深度的分布情况，利用VOIDRI用户子程序定义土层初始孔隙比eo，得到上部两层土上、下表面的初始应力和孔隙比，如表3 所示。表3上层土初始条件土层名称高程Z/ma:/kPao/kPao;/kPaeo淤泥质1210001.972粉质黏土116-40-20-201.881116-40-20-202.586粉质黏土51-560-280-2802.4163既有高铁桥梁轨道形位的时变影响在高铁连续梁的中跨跨中、边跨跨中、中墩墩顶以及边墩墩顶四个位置的轨顶设置位移监测点。3.1既有高铁桥梁轨道形位的时变规律固结过程中轨道的位移随时间的变化如图3 所示，土体固结8 年后位移基本达到稳定状态。0.200.150.100.050注：中跨跨中;-0.05一中墩；边跨跨中；-0.10一边墩-0.15-0.20012345678时间/年(a)顺桥向注：一中跨跨中；-5一中墩；一边跨跨中；-10一边墩-15-20-25-30-35-40012345678时间/年(b）竖向图3轨道位移时变图由图3 可知，各监测点顺桥向和竖向的位移随着土体的固结逐渐趋于收敛。从量值上看，固结完成后，中跨跨中轨道竖向位移增量达到了12.0 9mm，各测点位移增量相对值在5 3.4%12 5.0%之间，表明软土地基的竖向变形受路基堆载影响很大。轨道顺桥向由于受到梁体和邻近部分轨道的约束，位移因此相对较小。横桥向位移基本可忽略不计。由于顺桥向和横桥向位移很小，仅绘出固结前后轨道竖向位移沿梁长的分布情况，如图4 所示0-5固结前（t=0年）-10-15固结后（t=8年）-20-25-30-35-40110102030405060708090100110梁长/m图4固结前后轨道竖向位移对比图由图4 可知，固结前后高铁桥梁中跨跨中处的轨道竖向位移最大，边跨位移较小，而各点处的位移增量基本相同3.2既有高铁桥墩竖向位移的时变影响桥墩横向和顺桥向位移减小，本节仅分析桥墩竖向位移的时变规律。路基填土下穿连续梁中跨，因此取中跨两侧的2 号和3 号桥墩的墩顶位移进行分析。2号和3 号墩墩顶测点固结前后的竖向位移对比如表4 所示。表4 2 号、3 号桥墩墩顶竖向位移(单位:mm)测点固结开始固结完成位移增加量2#-D1-7.694-20.421-12.7272#-D2-8.542-21.597-13.0553#-D18.492-21.548-13.0563#-D2-7.741-20.466-12.725从表4 中可看出，2 号墩在道路施工完成时，即土体固结前竖向位移为-8.5 4 2 mm，固结完成后竖向位移达到-2 1.5 97 mm;3号墩位移变化也基本相同，固结完成后的位移增长率均为15 9%左右，软土固结带来的位移影响不可忽视3.3桩基内力及侧摩阻力的时变分析1号边墩及2 号中墩角桩的附加轴力分布如图5所示，图中分别绘制了固结2 年、4 年、6 年和8 年时附加轴力沿桩长的分布。由图5 可知，除桩顶局部区段，两个墩的上部桩基附加轴力沿桩身逐渐增大，在埋深3 0 4 0 m处达到最大值，然后逐渐减小；在不同的固结时刻，桩基附加轴2023年9 月报学程铁道42附加轴力/kN1201401601802000注：-10一2 年；4年；6年；U/斗-208年-30-40-50（a）1号边墩桩基附加轴力/kN1001502002503003504004500-10注：-20-一2 年;4年；6年；-308年-40-50(b）2 号中墩桩基图5桩基附加轴力的时变图力呈现在土体上层增量大、下层增量小的规律，且固结前期增量大，后期增量小。1号墩、2 号墩的桩侧摩阻力曲线如图6 所示。由图6 可知，固结过程中1号边墩和2 号中墩桩基侧摩阻力分布整体趋势基本一致，桩身上部均出现了负摩阻力，随着深度的增加逐渐过渡成正摩阻力，中性点位置在地面以下3 0 4 0 m处4土体参数对轨道形位的敏感性分析由于修正剑桥模型参数较多，各参数的取值精度对计算结果的影响程度不一，因此本文采用单一变量法分析了各参数对轨道形位计算结果的敏感性。当结构模型建好后，选取依据工程经验的原模型参数为基附加摩阻力/kPa-2-10123-10注：一2 年；-204年；6年；8年-30-40-50（a）1号边墩桩基附加摩阻力/kPa-10-8-6-4-2024 68100注：-10+2年；4年；-206年；W/斗8年30-50(b）2 号中墩桩基图6桩基侧摩阻力时变图准参数集，依次在容许范围内变动单一参数，此时其余参数仍为基准值保持不变，计算可得到相应特征值F对各变量参数的扰动敏感程度计算结果表明，下层土体参数改变对计算结果影响相对较小，因此本文选取采用修正剑桥本构的软土层进行参数敏感性分析。为了减小对模型基本力学特性的改变，参数摄动值设为1%，计算了正常固结曲线斜率入、回弹曲线斜率K、临界状态线斜率M、泊松比、屈服面帽子曲度常量、三轴压缩应力屈服比K以及渗透系数k这7 个参数对轨道竖向固结位移的敏感系数，如表5 所示表5参数对轨道竖向固结位移的敏感系数因素位置入KMK边墩10.90-0.10-1.110.390.650.000.03竖向固结位移跨中17.54-0.38-1.390.290.800.000.14由表5 可知，依据固结作用对轨道竖向总位移的影响程度，各参数对高铁桥梁轨道固结位移的影响程度从大到小分别为正常固结曲线斜率入、临界状态线斜率M、屈服面帽子曲度常量、泊松比、回弹曲线斜率k，渗透系数k和三轴压缩应力屈服比K对轨道形位计算结果的影响很小。5结论本文建立土体桥梁轨道一体化有限元模型研究新建下穿道路对软土地区高铁桥梁轨道形位的时变影响，主要结论如下：(1)软土地基的竖向变形受路基堆载影响很大，宋旭明第9 期包世鹏：新建下穿道路对高铁桥梁形位的时变影响43高铁桥梁轨道形位变化在8 年左右趋于收敛，中跨跨中的轨道竖向位移量值最大。(2)固结过程中桥墩墩顶的竖向位移增量相对值可达15 9%，远大于施工完成时的位移，表明软土固结过程中的竖向位移增大不可忽视，应加强对施工后桥墩位移的监测。(3)除桩顶局部区段，主墩桩基上部出现了负摩阻力，附加轴力沿桩身逐渐增大，在埋深3 0 4 0 m位置（中性点）达到最大值；在不同的固结时刻，桩基附加轴力呈现在土体上层增量大、下层增量小的规律，且固结前期增量大，后期增量小。(4)修正剑桥本构模型的各项参数中,对轨道竖向位移敏感性较大的是正常固结曲线斜率、临界状态线斜率、屈服面帽子曲度常量、泊松比和回弹曲线斜率，数值计算时应根据土工试验结果对上述参数合理取值。参考文献：1王景春，刘旭菲，侯卫红新建桥梁对运营高铁基础变位的影响研究J铁道工程学报，2 0 17（7）：6 0 6 5.Wang Jingchun,Liu Xufei,Hou Weihong.Research onthe Influence of Construction of New Bridge onFoundation Displacement of High-speed Railway inService J.Journal of Railway Engineering Society,2017(7):60 65.2孙慧君软土地区新建公路下穿高铁桥梁安全评估及位移控制研究D.长沙：中南大学，2 0 2 0.Sun Hujun.Research on Safety AssessmenttandDisplacement Control of High-speed Railway Bridgesunder New Highways in Soft Soil Areas D.Changsha:Central South University,2020.3唐炫，魏丽敏，胡海军。不同固结度下软土的力学特性J铁道勘察,2 0 0 9(4):16-17.Tang Xuan,Wei Limin,Hu Haijun.MechanicalProperties of Soft Soil with Different ConsolidationDegrees J.Railway Investigation and Surveying,2009(4):16-17.4李佐良，杨爱武，许再良，等不同固结度对软土强度及变形的影响J中国港湾建设，2 0 12（2）：4 7-5 0.Li Zuoliang,Yang Aiwu,Xu Zailiang,etc.Impact ofDifferent Consolidation Degrees on Strength andDeformation of Soft Soil J.China Harbour Engineering,2012(2):4750.5张文俊基于修正剑桥模型的刚性桩复合地基固结分析研究D.广州：华南理工大学，2 0 13.Zhang Wenjun.Cosolidated Analysis of Rigid PileComposite Foundation Based on Modified Cam-ClayModel D.Guangzhou:South China University ofTechnology,2013.6陈欢，软土地基上堆载工程对既有高速铁路桥梁桩基影响及其控制技术研究D南京：东南大学，2 0 17.Chen Huan.The Influence of Preloading on Piles ofExisting High Speed Railway Bridge in Soft Soil andControl Technologies D.Nanjing:Southeast University,2017.7翟婉明，赵春发，蔡成标磁浮列车与轮轨高速列车对线桥动力作用的比较研究J交通运输工程学报，2001(1):7-12.Zhai Wanming,Zhao Chunfa,Cai Chengbiao.On theComparison of Dynamic Effects on Bridges of MaglevTrains with High-speed Wheel/Rail Trains J.Journal of Traffic and Transportation Engineering,2001(1):7 12.8刘文硕，戴公连大跨径无连续梁上小阻力扣件的适应性研究J华中科技大学学报：自然科学版，2 0 13(7):36-41.Liu Wenshuo,Dai Gonglian.Adaptability Study onSmall Resistance Fasteners on Long-span ContinuousBallastless Bridges J.Journal of Huazhong Universityof Science and Technology:Natural Science Edition,2013(7):36-41.