1工程概述

京滬高速鐵路秦淮河特大橋位于南京市江寧區(qū)境內(nèi)，橋址處地勢平坦，上部土層為洪積層，地質(zhì)條件較差，下覆泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖。擬建寶善寺路為城市次干道，于京滬高鐵167號～169號墩之間分雙幅下穿，公路橋與鐵路橋夾角為65°，橋上凈空近9m，橋面與鐵路橋墩最近距離約2．1m。下穿處高鐵橋梁為32m+24m簡支箱梁，橋墩采用矩形雙柱實體墩，樁基為10-1．0m鉆孔樁，樁長19．5m～21．0m。工程平面布置如圖1所示，橋址區(qū)地層分布如圖2所示。擬采用簡支梁橋和樁板梁橋兩種公路橋梁方案下穿高鐵，本文通過有限元計算對比分析確定較優(yōu)方案。

2有限元計算模型

本文有限元計算通過商業(yè)有限元軟件Plaxis3D實現(xiàn)，該軟件已成功的應(yīng)用于許多巖土工程中［2，3］，軟件采用的土體硬化模型由Schanz和Vermeer［4］于20世紀90年代提出，是一個硬化塑性本構(gòu)模型，其應(yīng)力應(yīng)變曲線符合Duncan-Chang雙曲線關(guān)系，遵循Mohr-Coulomb破壞準則。

2．1有限元模型的建立

2．1．1簡支梁橋方案采用三跨20m+30m+20m預(yù)應(yīng)力簡支小箱梁，橋墩采用樁柱式，樁基為單排1．2m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)(面積等效為邊長1．06m的正方形樁)。根據(jù)設(shè)計尺寸建立有限元模型，采用10節(jié)點六面體等參單元劃分網(wǎng)格，整體網(wǎng)格模型如圖3所示(僅考慮了距高鐵橋梁30m內(nèi)的道路橋梁施工對高鐵的影響)。土體采用實體單元模擬，本構(gòu)模型為土體硬化模型(HardeningSoilModel);橋墩和承臺也用實體單元模擬，為線彈性本構(gòu)模型;高鐵樁基用嵌入樁單元模擬。將高鐵橋梁上部荷載換算成均布荷載后，作用在橋墩的墩頂。模型四周側(cè)面及底部均施加法向約束，模型頂面自由無約束，采用笛卡爾坐標(biāo)系，高鐵縱向為Y軸(指向大里程為正)，鉛直向上為Z軸正方向，X軸按右手定則確定。根據(jù)地質(zhì)勘查資料，巖土材料選取的有限元計算參數(shù)如表1所示，混凝土材料的彈性模量取31．5GPa，泊松比為0．2，重度為25．0kN/m3。2．1．2樁板梁橋方案采用六跨(2×10+2×12+2×10)m樁板連續(xù)梁，橋墩采用樁柱式，樁基采用1．0m鉆孔灌注樁(面積等效為邊長0．89m的正方形樁)。有限元模型參數(shù)設(shè)定與簡支梁橋相同，整體網(wǎng)格模型如圖4所示。

2．2計算方案

依據(jù)道路修建的施工工序，模擬計算的主要工況包括:鉆孔灌注樁鉆孔、鉆孔灌注樁澆筑、灌注樁全部施工完成、施加梁體及運營荷載。鉆孔灌注樁鉆孔模擬通過單元“生死”實現(xiàn)，把需要開挖的單元“殺死”，即把相應(yīng)單元的剛度矩陣設(shè)置為一很小數(shù)值，并在孔周施加與泥漿護壁壓力相當(dāng)?shù)姆植己奢d來維持孔壁穩(wěn)定。鉆孔灌注樁澆筑過程把“殺死”的樁體單元激活并賦予新的材料。模擬鉆孔灌注樁施工時，僅考慮了對高鐵橋墩橫向位移最不利的工況，即先把高鐵橋梁一側(cè)鉆孔灌注樁全部鉆孔完成，然后進行同時澆筑。梁體荷載根據(jù)實際梁體幾何尺寸計算得到，運營荷載考慮為均勻分布在橋面的靜荷載，大小為15kPa。

3結(jié)果與分析

以高鐵橋墩墩頂位移和樁基變形為研究對象，比較兩種公路橋梁方案對高鐵橋墩樁基的擾動程度，并進行結(jié)果分析和影響評估。簡支梁橋方案的計算結(jié)果如圖5和圖6所示(圖例中:ZK表示鉆孔灌注樁鉆孔、JZ表示鉆孔灌注澆筑、GZ表示灌注樁全部施工完成、LT表示施加梁體及運營荷載)，這里只給出了中間墩(168號墩)和距離道路橋梁較近的邊墩(169號墩)的變形情況。從圖6中可知，道路修建過程中高鐵樁基的最大橫橋向變形為0．38mm(168號墩)，最大順橋向變形為0．41mm(169號墩)。對于168號墩，道路橋梁施工過程中，對其橫橋向變形影響較大，造成影響最大的工況為一側(cè)鉆孔灌注樁鉆孔，后續(xù)工況會逐漸使這部分變形減小。因此，控制168號墩變形可從控制鉆孔灌注樁施工順序著手，盡量采取高鐵橋梁兩側(cè)對稱鉆孔的施工方法。而對于邊墩(169號墩)，道路橋梁施工工程中，其橫橋向變形變化不大，順橋向變形逐漸增大，但計算過程中沒有考慮高鐵橋梁梁體順橋向的支撐作用，計算結(jié)果偏保守。樁板梁橋方案道路橋梁施工過程中，高鐵樁基的變形規(guī)律與簡支梁方案基本類似，但道路修建過程中高鐵樁基的最大橫橋向變形為0．37mm(169號墩)，最大順橋向變形為0．64mm(169號墩)。樁板梁橋方案樁基的橫橋向變形與簡支梁橋方案相近，但順橋向變形為簡支梁橋方案的1．56倍;兩方案高鐵橋墩墩頂?shù)淖畲笞冃螌Ρ热鐖D7所示，可知，樁板梁橋方案高鐵橋墩墩頂變形均大于簡支梁橋;而且簡支梁橋可進行預(yù)制架設(shè)，而樁板梁橋需現(xiàn)場澆制，且高鐵橋下有鉆樁作業(yè)。因此，本工程采用簡支梁橋方案更有利于保障高鐵橋梁安全。

4結(jié)語

以寶善寺路下穿京滬高鐵工程為背景，應(yīng)用有限元法對比分析了簡支梁橋方案和樁板梁橋方案對高鐵橋梁的影響，結(jié)果表明:三維有限元全過程動態(tài)分析是評估新建道路下穿高鐵工程對高鐵橋梁影響大小的有效途徑;簡支梁橋方案和樁板梁橋方案中，高鐵橋墩樁基和墩頂?shù)淖冃�，均滿足TB10621—2009高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)中的規(guī)定［1］，但簡支梁橋方案高鐵橋墩變形相對較小，且不需在高鐵橋下進行鉆孔作業(yè)，更利于保障高鐵橋梁安全。