贺坤龙， 李聪林， 许伟， 户东阳

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410000; 2.中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司)

1 工程概况

某高速铁路项目，桥址位于深厚软土地段，且桥梁需从大型国际物流园中间穿越，物流园仓储、货物运输及施工过程中公路便道等作业环境将对高铁桥墩、桩基础的安全性产生一定影响。如何较准确地评估此危害成为了非常关键的难题。若影响危及桥梁安全，则需铁路改线绕行，从而无法实现高铁车站和机场站点“零换乘”之理念。目前国内外对深厚软土段高铁桥梁附近堆载的相关报道较少，该文引入Midas GTS实体岩土软件进行三维仿真分析。通过确定合理的位移限值，并结合桥址附近情况，模拟桥墩范围施工便道及运营阶段存在的仓储堆载情况，从理论上判断上述工况对高铁桥墩及桩基安全稳定性的影响，为实际工程提供参考。

高速铁路设计速度为350 km/h,桥梁位于0.3g高烈度地震区，且桥址位于地震活动断裂带影响范围内，因此，该桥梁上部轨道采用有砟轨道设计。该桥长达1 km桥址范围地质较差，存在深厚软土，27#桥墩前、后侧均为1×32 m预应力混凝土简支梁，其桥墩断面软土厚度达73 m(中间夹16 m厚膨胀土及细圆砾土)。

由于堆载情况的存在，土体原有的受力平衡被打破，土体将产生应力重分布现象，将在原有桥墩基础范围产生附加水平力及附加竖向力作用，受力状态见图1。深厚软土地区，桩基相对较长，水平力将使桩基产生较大的侧向转动变形甚至发生折断的可能。同时，桩基侧向变形将带动桥墩向一侧偏移，墩顶位移过大将严重影响高速列车的行驶安全性；另一方面，堆载作用将使土体固结下沉，桩土相对滑移，桩基表面产生负摩阻力，进一步降低桩基承载力。

图1 两种工况作用下桥墩、桩基受力图示

1.1 合理的位移限值确定

桥墩顶位移限值基于轨道方向不平顺要求，主要是轨道的静力不平衡问题。目前，国内外规范对桥墩位移限值规定如表1所示。

表1 国内外规范对桥墩位移限值规定

图2 桥墩横桥向位移限值计算示意图

1.2 桩基承载力的计算

2 施工便道对桥墩桩基的影响

2.1 模型建立

桥址范围为多层厚度不同、性质各异的地层，根据工程地质勘探成果及现场实际情况，将研究区内地层划分为路基填土、软土、松软土、细圆粒土及膨胀土5个类型，共16个土层。地质参数详见表2。模型的空间范围取200 m×200 m×100 m(长×宽×高)，桩基础采用16根φ1.5 m摩擦桩。在数值计算过程中，采用软件自带修正莫尔-库仑本构模拟土层，建立桩界面单元模拟桩和土层之间的摩擦滑移。桩、桥墩、承台按弹性本构模拟。

表2 研究区地层物理力学参数

2.1.1 施加荷载

恒载：27#墩恒载工况作用下承台底外力为41 552 kN，反算至桥墩顶，以3D面单元方式施加。

施工便道荷载：考虑1 m高填方，路基宽度取7 m；便道上方考虑55 t重车荷载：按两个车道满载布置。

2.1.2 工况分析

考虑施工便道边缘距离承台边缘5、10 m两种工况对桥墩、桩基进行分析。

2.2 分析结果

在施工便道距承台边缘5、10 m两种工况下计算结果见表3、图3。

表3 施工便道距承台边缘5、10 m两种工况下桥墩墩顶位移及限值 mm

图3 桥墩、桩基础横桥向位移图

由表3、图3可得到如下结论：

(1) 横桥向位移数值呈递减趋势，桥墩、桩基础整体横向位移在桩身处为正值(远离施工便道侧偏)，墩顶、桩底为负值，桥墩及桩基横桥向整体弯曲弧度呈递减趋势。

(2) 桥墩最大沉降为20.5 mm小于有砟轨道规范限值30 mm；桥墩顶顺桥向最大位移为3.3 mm小于规范限值28 mm；桥墩顶横桥向最大位移为2.5 mm小于限值8.0 mm，满足要求。

(3) 27#墩桩基配筋在施工便道距承台边缘5、10 m两种工况下，桩长范围内无负摩阻力出现，桩基承载力未降低；桩基截面均处于受压状态，桩身未出现裂缝；桩基安全性满足规范要求。

综上，施工便道距承台边缘5、10 m两种工况下，桥墩墩顶位移及桩基安全性均满足有砟轨道规范限值要求。

3 填土堆载对桥墩桩基的影响

3.1 模型建立

模型参数同施工便道方案。

3.1.1 荷载

恒载：RBDS软件计算结果下27#墩主力+附加力工况作用承台底外力为46 477 kN。反算至桥墩顶，以3D面单元方式施加。

填土堆载：分别考虑3、5 m高填方两种堆载情况。

填土重度按19 kN/m3计算。

3.1.2 工况分析

(1) 分别考虑填土堆载高度为3、5 m两种情况对桥墩桩基进行计算分析。

(2) 分别考虑堆载边缘距桥墩边缘0 m(工况1)，距承台边缘0、5、10、30、50、70 m(工况2～7)共7种情况对桥墩桩基进行计算分析。

3.2 分析结果

限于篇幅，仅列出部分工况下位移数据(图4～6、表4～6)。

图4 桥墩顶Z向位移图

由表4～6、图4～6可得到如下结论：

(1) 墩顶竖向位移，由于土层压缩性低，形成墩顶位移大于桩底位移的情况。当堆载3 m时，距桥墩边缘0 m工况墩顶竖向位移为30.8 mm,已超过有砟轨道规范限值30.0 mm要求;堆载5 m时，距桥墩边缘0 m、承台边缘0 m工况墩顶竖向位移分别为37.1、32.7 mm，已超过有砟轨道规范限值30.0 mm要求。

图5 桥墩顶、桩身横桥向位移图

图6 桩最大轴力和桩基承载力图

表4 堆载3、5 m距离桥墩边0 m工况下桥墩墩顶位移及限值 mm

表5 堆载3、5 m距离承台边30 m工况下桥墩墩顶位移及限值 mm

表6 堆载3、5 m距离承台边70 m工况下桥墩墩顶位移及限值 mm

(2) 墩顶横桥向位移，为控制设计的一个最重要指标。桥墩、基础横向偏移量随着堆载距离递增从相反方向弯折转化为向同一个方向偏移。当堆载3 m时，距承台边缘30 m工况墩顶横桥向位移为6.72 mm,小于限值8.0 mm；堆载5 m时，距承台边缘70 m工况墩顶横桥向位移为6.98 mm,小于限值8.0 mm。故当填土堆载3 m时，应远离承台边缘30 m以外，当填土堆载5 m时，应远离承台边缘70 m以外。

(3) 墩顶顺桥向位移，研究为在横桥向侧堆载，此参数不控制设计。当堆载3 m时，最大墩顶顺桥向位移为4.05 mm,小于规范限值28.0 mm；堆载5 m时，最大墩顶顺桥向位移为4.7 mm,小于规范限值28.0 mm，满足规范要求。

(4) 填土堆载厚度为3 m时，堆载距桥墩边缘0 m、距承台边缘0 m两种工况下均在桩范围内产生负摩阻力，桩基承载力分别降低约6.9%和6.2%；填土堆载厚度为5 m时，桩基承载力分别降低约21.0%和20.0%，相应地，桥墩位移亦已超过规范限值。

(5) 填土堆载厚度为3 m时，桩基最大裂缝宽度为0.002 4 mm，小于规范限值0.2 mm；填土堆载厚度为5 m时，桩基最大裂缝宽度为0.03 mm，小于规范限值0.2 mm。满足规范要求。

综上，故当填土堆载厚度为3 m时，堆载边缘应远离承台边缘30 m以外；当填土堆载厚度为5 m时，堆载边缘应远离承台边缘70 m以外，才能满足桥墩墩顶位移限值要求，桩基安全性满足规范要求。

4 结论

依据现场实际情况，通过对位于深厚软土地段的高铁桥梁在施工便道和填土堆载两种工况下进行数值模拟研究，得到如下结论：

(1) 施工便道距承台边缘5、10 m两种工况下，桥墩墩顶位移及桩基安全性均满足有砟轨道规范限值要求;另外，由于大部分高铁桥梁采用无砟轨道设计，施工便道距承台边缘10 m工况下竖向位移为20.1 mm，略为超过规范限值20.0 mm，超过5‰工程可以接受。故建议软土地段高铁桥梁施工便道设置于承台边缘10 m以外。

(2) 根据《铁路安全管理条例》第二十七条，村镇居民区，高速铁路桥梁外侧安全保护区为15 m。该桥桥面宽12.6 m,软土段范围承台横向尺寸为11.5 m，故桥梁安全保护区为距承台边缘15.55 m。深厚软土地段，高铁桥梁安全保护区范围严禁仓储堆载，安全保护区范围以外进行仓储堆载则需进行安全论证。根据该文研究，当填土堆载厚度为3 m时，堆载边缘应远离承台边缘30 m以上；当填土堆载厚度为5 m时，堆载边缘应远离承台边缘70 m以上，才能满足桥墩墩顶位移限值要求。故建议该桥安全保护区范围考虑为桥梁外侧70 m。

(3) 该文仅按填土重量考虑堆载高度，但由于仓储货物的复杂性，实际仓储堆载时，应根据堆载货物重量等效换算其相应堆载高度。

(4) 由于国内外对深厚软土地段施工便道及堆载对高铁桥墩、桩基安全性研究较少，该文结论可为同类桥梁设计及施工提供参考。