1、软土地段铁路高路基对桥梁结构影响及措施摘要:软土地区铁路路基边坡已进入桥墩及其基础结构范围，由于路基、轨道自重引起的静载和客（货）运列车动载对相邻桥梁产生一定影响，本文通过理论分析和数值分析方法对桥梁结构安全问题进行分析，得出荷载影响程度，并据此优化了工程设计及施工措施方案。 关键词: 软土高路基、桥墩、结构安全 中图分类号：K928.78 文献标识码：A 1 引言 近年来铁路、公路建设发展较快，立体交叉大量出现，加之宁波地区软土厚度达 30m 以上，导致临近高路基的桥墩基础受侧压较大。因此，软土地区临近高路基地段桥墩基础抗侧压能力就成为工程建设关注的焦点，如何保持其桥墩的良好工作状态就成为一
2、项重要的研究课题。 本文以宁波北站上行疏解线、牵出线及改建萧甬下行线高路基下穿宁波机场路北延工程高架桥 T16T17#墩为背景，以理论分析为手段进行课题研究。由路基、轨道引起的静载和客（货）运列车引起的动载必然会对桥墩产生一定影响，因此必须对桥梁结构安全问题进行分析。 2、概况 宁波北站上行疏解线，牵出线及改建萧甬下行线路基下穿宁波机场路北延工程高架桥 T16T17#墩，T17#墩及其基础结构位于铁路路基边坡范围内。 图 1 机场路高架桥与铁路路基横断面图 宁波机场路北延工程高架桥 T17#墩承台尺寸为 7m9.5m（顺桥向横桥向） ；双立柱接盖梁结构，立柱尺寸为 2.5m2m（顺桥向横桥向）
3、 ，双立柱净间距 4.5m，盖梁尺寸为 2.7m23.5m（顺桥向横桥向） ；桥墩上部结构为跨径 45m 先简支后连续预应力小箱梁；T17#墩下部基础结构为 12 根直径 1.0m 钻孔灌注桩，桩长 61.7m。 图 2T17#墩桥梁结构断面图 地层编号 土类名称 h（m） （kN/m3 ） Es（MPa） （） c（kPa） (1) 粘土 3.0 17.2 3.89 11.8 23.3 (2)1/(2)2 淤泥/淤泥质粉质粘土 7.9 16.9 2.32 8.0 14.0 (3)2 粉质粘土夹粉砂 10.5 18.5 4.2 22.6 13.0 (4)1 淤泥质粉质粘土 15.5 17.4
4、2.42 9.0 16.0 (4)2 粉质粘土夹粉土 6.5 18.2 7.0 10.3 17.0 (6)2 含粘性土中砂 3.6 19.2 8.23 29.0 8.0 (6)3 粉质粘土夹粉砂 3.1 18.8 7.0 13.0 18.0 (8)1 含粘性土中砂 7.8 19.3 10.0 29.0 7.0 (8)2 砾砂 9.5 20.3 15.0 31.0 2.0 表 1 机场路高架桥跨越铁路工段土层的地质参数 路基范围内广泛分布有滨海相沉积的淤泥、淤泥质（粉质）粘性土及粘性土等软土层，具有强度低、压缩性高、渗透性低等特点，工程地质条件较差。T17#墩断面桩长范围内的土层从上到下依次为(
5、1)粘土、(2)1淤泥/(2)2 淤泥质粉质粘土、(3)2 粉质粘土夹粉砂、(4)1 淤泥质粉质粘土、(4)2 粉质粘土夹粉土、(6)2 含粘性土中砂、(6)3 粉质粘土夹粉砂、(8)1 含粘性土中砂和(8)2 砾砂。 3、路基填筑对桥梁桩基偏移及抗裂性检算 外力作用下基桩的长期使用性能，和基桩钢筋混凝土的裂缝张开度密切相关，而基桩混凝土构件的裂缝与构件承受的最大拉应力（弯矩）及构件自身的特性（强度、配筋情况等）密切相关。对宁波机场路北延工程 T17#桥墩基桩的偏移及抗裂性进行检算，并研究分析邻近铁路路基填土堆载和列车及轨道结构荷载对桥墩的影响，以确定基桩的安全性。 Ac Sc Ic （kN/
6、m） （kNm/m） （kNm/rad） 5156 4296 5371 3.5105 -1.1106 3.75107 铁路交通荷载是轨道上部结构和路基结构物设计的主要荷载之一。行车时，轮轨动力相互作用产生的竖向、横向和纵向荷载通过轨道上部结构传入基床和地基，由轨道结构和路基结构共同承担。 3.1 线弹性地基反力法检算 采用公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)推荐的线弹性地基反力法（m 法）对桥墩在水平外力作用下的桩基内力和变形进行理论分析，以确定基桩的安全性。 （1）计算群桩刚度系数、 、 群桩刚度系数 、 是指由于承台板绕中心产生单位转角时，所有桩顶产生的竖向反力之和、水平
7、反力之和以及它们对承台中心的反弯矩之和，分别以 kN/rad、kN/rad 和 kNm/rad 计。计算公式如下： 式中，Ac，Sc，Ic承台板侧面地基系数 C 图形面积和对底面的面积矩、惯性矩，Ac=Cnhn/2、Sc=Cnhn2/6，Ic=Cnhn3/12，这里 Cn 和 hn为承台板底面处的地基系数和承台板埋置深度。 x桩顶中心的坐标距（m） 。 b0基础侧面土抗力的计算宽度（m） ，同前。 群桩刚度系数计算结果见表 2。 表 2 计算群桩刚度系数 、 （2）计算承台底部中心的位移 和转角 通过给出承台底部中心的外力（P、M）计算承台中心的水平位移 及转角 ，计算公式如下： 由计算结果可
8、知，P=497.8kN，M=896kNm。联立上述方程可计算得到承台的水平位移及转角，见表 3。 表 3 计算承台底部中心的位移 和转角 P（kN） M（kNm） （m） （rad） 497.8 896 0.0016 7.3510-5 （3）计算承台底部桩身截面的内力（Qi、Mi） 求出承台底部中心变位 、 以后，承台底部桩身截面的内力可按下式求得： 计算得到 Qi=40.53（kN） ，Mi=-119.4（kNm） 。 （4）计算桩身的内力及变位 采用公路桥涵设计规范推荐的 m 法检算得到机场路北延工程高架桥T17#墩在受侧向土压力作用下桩基的弯矩和水平位移情况，桩身的最大弯矩和水平位移的绝
9、对值分别为 119.4kNm 和 1.7mm。 桩身的弯矩和位移如图 3，图 4 所示。 图 3 T17#墩的桩身弯矩 My 图 4T17#墩的桩身位移 xy 3.2 桥梁桩基的抗裂性检算 桥梁的桩基属于钢筋混凝土构件，因此在检验桥梁桩基的安全性时，主要的检算指标是桩身的裂缝宽度。 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （JTG D62-2004）规定钢筋混凝土构件的裂缝宽度容许值f见表 4: 钢筋混凝土构件 所处环境条件 构件裂缝宽度容许值 f（mm） 类和类环境 0.20 类和类环境 0.15 桥规 （JTG D62-2004）还规定圆形截面钢筋混凝土构件构件特征裂缝宽度计算结果如下：
10、 表 5T17#墩桩身的计算裂缝宽度 桩身最大弯矩Mmax（kNm） 桩身计算裂缝宽度（mm） 按受弯构件计算 按偏心受压构件计算（规范法） 119.4 0.05 0 宁波机场路北延工程高架桥所处地质环境对应的钢筋混凝土构件的裂缝宽度容许值f=0.20mm。从表 5 给出的桩身裂缝计算宽度可知，按偏心受压构件计算时未出现裂缝；按受弯构件计算时，T17#墩的桩身在侧向土压力作用下产生了裂缝，但裂缝宽度远小于规范的限值，不会对结构的耐久性产生不利影响。 3.3 桥梁桩基结构数值分析检算 由于库仑主动土压力理论采用规范推荐的 m 法对机场路高架桥 T17#墩桩基偏移及抗裂性进行了检算，但上述方法存在
11、一定的局限性：（1）库仑主动土压力理论无法反映实际工况中既有路基和新建路基的区别；（2）砂性土产生主动极限平衡状态所需的位移量为 0.001H（H 为墙高） ，理论计算低估了土压力的实际强度；（3）m 法只能计算桩顶作用集中荷载的简单工况下桩身的弯矩及位移情况，无法计算分析桥墩一侧路基填土堆载和列车及轨道荷载对桥梁桩基的影响。故采用数值模拟的方法再对桥梁桩基结构的偏移及抗裂性进行检算，以确定基桩的安全性。 采用有限元软件 PLAXIS 建立数值分析模型，模拟机场路高架桥 T17#墩一侧铁路路基填土和列车及轨道荷载的实际工况，计算桩身的内力及变形情况，以分析铁路施工和运营对桥梁桩基的影响。桩-承
12、台基础深度范围内土层的地质参数见表 1.1，有限元模型如图 5 所示， 数值计算得到的 T17#墩承台底部（桩顶处）的水平位移达 12.8mm，桥墩一侧的水平向土压力强度最大可达 132.9kPa。T17#墩桩身的水平位移和弯矩见图 6 和 7。其中 1#3#桩从左向右依次排列，即 3#桩与铁路路基距离最近。 图 6 T17#墩的桩身位移 xy 图 7T17#墩的桩身弯矩 My 3.4 桩基水平承载力检算 在水平外力作用下基桩的安全性与桩基水平承载力密切相关。由于缺乏桩基水平承载力资料，本检算采用建筑桩基技术规范 （JGJ 94-2008）的方法计算单桩基础以及群桩基础中基桩的水平承载力特征值
13、，与水平外力进行校核，以确定基桩的安全性。 采用 m 法进行桩基结构检算时，换算得到作用在桩基础顶面的水平力为 P= 497.8kN，均分得到基桩顶处的水平力为 Hik=P/12=41.5kN；数值计算得到桥墩一侧所受的水平向土压力强度最大为 132.9kPa，按最不利原则考虑，即以承台整个侧面积计算，则作用在承台底部（桩基础顶面）的水平力为 132.923.75=3156.38kN，均分得到基桩顶处的水平力为 Hik=3156.38/12=263kN。 综上，机场路 T17#墩承台以下结构为群桩基础，由计算结果可知，T17#墩的基桩水平承载力特征值 Rh=241.3kN，数值计算的得到的Hi
14、k=263kNRh，不满足基桩水平承载力的要求，故应采取措施减小作用在桩-承台基础上的水平向土压力，以确保桥梁基础的安全。 4、挡土墙设计及效果分析 在铁路路基工程中，通常设置挡土墙支承路堤填土防止土体变形失稳。因此，为减小路基填土堆载和列车及轨道荷载对机场路高架桥 T17#墩的影响，在桥墩一侧的铁路路基断面上设计一个承受侧向土压力的挡土墙，如图 8 所示。 采用数值分析方法计算得到增设挡土墙后机场路北延工程高架桥T17#墩桥墩在路基填土堆载和列车及轨道荷载作用下桩基的弯矩和水平位移情况，其中桩身的最大弯矩和最大水平位移的绝对值分别为195.7kNm 和 6.7mm，相比不设挡土墙的情况分别减
15、少了 37.4%和47.7%。 数值计算得到增设挡土墙后桥墩一侧所受的水平向土压力强度最大为 70.3kPa，按最不利原则考虑，即以承台整个侧面积计算，则作用在承台底部（桩基础顶面）的水平力为 70.323.75=1669.625kN，均分得到基桩顶处的水平力为 Hik=139.135kN。 由计算结果可知，机场路高架桥 T17#墩的基桩水平承载力特征值Rh=241.3kNHik，满足基桩水平承载力的要求。 5、结论 按照数值分析计算桥墩侧向土压力时，得到作用于基桩桩顶处的水平力 Hk=263kN，大于群桩基础的基桩水平承载力特征值 241.3KN，T17#墩基桩水平承载力不满足相关规程要求。基于库伦主动土压力的计算假定条件苛刻，且难于再现既有路基和新建路基的区别，分析认同数值分析的结果。 通过增设挡土墙,大大减少了路基填土对桥墩的水平侧压力,达到了预期效果。 参考文献 1、 公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007) 2、 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （JTG D62-2004） 3、 建筑桩基技术规范 （JGJ 94-2008） 附：作者简介 序号 作者姓名 性别 学历 职称 联系方式 专业技术领域或研究方向 1 陈恒刚 男 毕业学校：西南交通大学 毕业时间：1995 年 7 月 所学专业：地下工程及隧道工程 工程师 道路桥梁
