近接鐵路軟土深基坑變形控制分析

賈一全

(杭州鐵路設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310006)

近接鐵路軟土深基坑變形控制分析

賈一全

(杭州鐵路設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310006)

雙排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑中的應(yīng)用頗為廣泛?，F(xiàn)針對雙排樁在近接鐵路軟土地區(qū),土質(zhì)性質(zhì)為差—極差的基坑工程中的應(yīng)用展開分析,并利用啟明星深基坑軟件對臨近鐵路線路側(cè)的雙排樁進(jìn)行單元計(jì)算。當(dāng)基坑開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí),雙排樁的樁頂位移約4.9 mm,當(dāng)基坑開挖面上的土方施工時(shí),下部雙排樁有明顯的位移變化,尤其是后排樁的位移達(dá)到最大值16.6 mm。故采取雙排樁結(jié)合“時(shí)空效應(yīng)法”進(jìn)行基坑開挖,可以有效控制雙排樁的側(cè)向變形,甚至可以緩解基坑變形的速率,從而保證了基坑開挖的安全性及穩(wěn)定性。

軟土地區(qū)；雙排樁；位移；基坑開挖

1 工程概述

雙排樁作為一種新型的支護(hù)結(jié)構(gòu),常用作深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是一種由冠梁、連梁(連板)以及排樁組成的空間結(jié)構(gòu)體系,類似于門式剛架結(jié)構(gòu)。前后排樁通過連梁或連板使之成為整體結(jié)構(gòu),不僅各自分擔(dān)了土壓力作用,樁身內(nèi)力也因此得到改善,同時(shí),加深了支護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度[1]。

該工程為涉鐵道路工程,道路等級為城市主干道。設(shè)計(jì)范圍內(nèi)道路為框架暗埋形式,并下穿鐵路金溫貨線,平、縱斷面圖見圖1、圖2。

圖1 項(xiàng)目總體布置圖

設(shè)計(jì)采用6孔分離式框架下穿金溫貨線,頂進(jìn)法施工,將工作坑設(shè)置在鐵路南側(cè)。工作坑南北兩側(cè)為市政基坑,其基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與工作坑順接,基坑總長約308 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度約51.5 m,基坑開挖深度約7～11 m不等。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及要求,基坑等級均按一級考慮?；悠矫鎴D見圖3,工作坑縱斷面圖見圖4。

圖2 縱斷面布置圖

圖3 基坑整體平面圖

圖4 工作坑縱斷面圖

該工程位于溫州,處于浙東沿海地區(qū),全年雨水充沛,年平均降水量為1 695 mm,其雨水量主要取決于臺(tái)風(fēng)活動(dòng)、 梅雨季節(jié)。 該道路范圍內(nèi)主要巖土地質(zhì)特征為淤泥層,工程地質(zhì)性質(zhì)為差—極差,屬于軟土路基。其天然重度約為16.1 kN/m3,地基承載力特征值僅為40 kPa。綜合考慮如施工工藝、施工方法及工程造價(jià)等影響因素,經(jīng)過方案比選,結(jié)合雙排樁自身優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)選用雙排樁作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。本文針對該工程所處地質(zhì)條件的獨(dú)特性以及周邊場地環(huán)境的局限性,利用理論依據(jù)及相關(guān)軟件并結(jié)合工程實(shí)際情況對其雙排樁在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行計(jì)算分析,研究雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在近接鐵路軟土地區(qū)的應(yīng)用及受力特點(diǎn)。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析及設(shè)計(jì)參數(shù)

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),除了應(yīng)保證基坑周邊建筑物、周邊道路以及地下管線的安全和正常使用之外,還應(yīng)充分結(jié)合工程實(shí)際的周邊環(huán)境、地質(zhì)條件、基坑深度、基坑等級等相關(guān)影響因素,在保證足夠的地下結(jié)構(gòu)施工空間的前提下,確?；娱_挖過程中以及地下結(jié)構(gòu)施工過程中基坑的穩(wěn)定性及安全性。

雙排樁支護(hù)形式可簡化為平面剛架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算,結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖見圖5。

結(jié)構(gòu)分析模型采用彈性支點(diǎn)法計(jì)算,將被動(dòng)區(qū)的土壓力以彈性支座傳遞到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。而樁間土以土的側(cè)限約束為假定,其對前后排樁的土反力與土的壓縮變形有關(guān),將樁間土看作水平向單向壓縮體,按土的壓縮模量確定水平剛度系數(shù)[2]。

圖5 雙排樁計(jì)算簡圖

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

作用在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水平荷載主要有基坑內(nèi)外土體自重、基坑周邊建筑物荷載、作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力、水壓力以及基坑周邊施工荷載、溫度變化等其他因素。其中土壓力按朗肯土壓力計(jì)算,支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)主動(dòng)土壓力和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力應(yīng)按相關(guān)規(guī)范規(guī)定分地下水位以上、地下水位以下水土分算或合算進(jìn)行計(jì)算。前、后排樁間土對樁側(cè)的壓力按下式計(jì)算[2]：

pc=kcΔν+pc0

式中：pc為前、后排樁間土對樁側(cè)的壓力,kPa；kc為樁間土的水平剛度系數(shù)，kN/m3; Δν為前、后排樁水平位移的差值,m；pc0為前、后排樁間土對樁側(cè)的初始壓力，kPa。

2.2 涉鐵段支護(hù)結(jié)構(gòu)的鐵路荷載

靠近線路側(cè)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)除了受土壓力、水壓力等恒載外,還有列車豎向靜活載、列車豎向動(dòng)力作用等產(chǎn)生的側(cè)向土壓力。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定,列車荷載以軌枕兩端1∶0.5坡線在土層中分布,其中列車荷載為中至活載,按65 kPa考慮。

2.3 基坑概況

該工作坑尺寸為65.5 m×24.5 m,基坑挖深為8.61 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用雙排φ1 000 mm鉆孔灌注樁,1∶2放坡卸載部分荷載。前、后排樁間設(shè)置φ850 mm三軸水泥攪拌樁止水帷幕,工作坑四角增設(shè)2道鋼筋混凝土水平角撐。

2.4 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)采用啟明星深基坑軟件計(jì)算分析,該軟件內(nèi)力計(jì)算方法采用增量法。以靠近鐵路線路側(cè)的基坑支護(hù)雙排樁作為研究對象。土層信息見表1。

表1 土層信息

3 雙排樁單元計(jì)算分析

文獻(xiàn)[1,3-4]中分別通過實(shí)際工程實(shí)例,利用有限元分析雙排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能,得出雙排樁的排距、連梁、冠梁等因素對雙排樁的影響。經(jīng)多次方案設(shè)計(jì)優(yōu)化,最終取雙排樁排距為2.5 m,樁間距為1.2 m,冠梁尺寸為1.4 m×0.8 m,連梁尺寸為1.1 m×0.8 m,計(jì)算結(jié)果如下。

3.1 位移、內(nèi)力

各工況位移、內(nèi)力結(jié)果見圖6：

圖6 位移、內(nèi)力圖

由位移變化圖可以看出,在整個(gè)基坑開挖過程中,最大位移出現(xiàn)在后排樁,為16.6 mm。前后排樁的樁頂位移基本保持一致,約為4.9 mm,滿足相關(guān)規(guī)范對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移限值要求。隨著基坑開挖深度的增加,前后排樁變化曲線線形基本一致,但是后排樁的位移變化幅度明顯大于前排樁,尤其是在25～30 m深度范圍內(nèi)的后排樁位移變化達(dá)到了最大值16.6 mm。

由圖6可以看出,前后排樁的內(nèi)力變化曲線在保持一致的同時(shí),后排樁的變化值稍大于前排樁的變化值。

在開挖基坑上部土方時(shí),基坑開挖面下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)已發(fā)生一定的變形,并且隨開挖的不斷加深,變形也不斷疊加增長,并具有不可逆性。開挖深基坑上部土方時(shí)就需要控制深基坑開挖面下的變形發(fā)展。

3.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算

在雙排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元計(jì)算分析中,其整體穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆驗(yàn)算、抗隆起驗(yàn)算以及雙排樁嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土壓力驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

4 控制基坑變形分析

在啟明星深基坑軟件計(jì)算過程中,雙排樁的最大位移雖然滿足規(guī)范規(guī)定的2‰h(h為基坑開挖深度),但綜合分析整個(gè)基坑的規(guī)模及復(fù)雜性,為了將基坑開挖過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)降為最小,故采取雙排樁支護(hù)與基坑開挖施工相結(jié)合,盡可能地發(fā)揮雙排樁在支護(hù)結(jié)構(gòu)中的受力特點(diǎn)。

對于頂進(jìn)工作坑外的市政基坑,基坑深度有的達(dá)到11 m,為了更加有效地控制基坑變形,保護(hù)基坑周邊環(huán)境的安全,結(jié)合坑內(nèi)土體加固可以有效地改善其土質(zhì)特性,提高被動(dòng)區(qū)土體的抗力,故坑內(nèi)采用裙邊式抽條加固結(jié)合“時(shí)空效應(yīng)法”[5]開挖施工。

所謂“時(shí)空效應(yīng)法”,即將土方分段、分層、分塊開挖,達(dá)到坑內(nèi)土體分步卸載,不僅減少了每步開挖時(shí)雙排樁的暴露時(shí)間,控制土體的流變變形,而且還減緩了基坑側(cè)向變形以及基坑總變形的增長速率。再結(jié)合坑內(nèi)土體加固措施,抑制土體變形發(fā)展的同時(shí)減小了基坑周邊地表沉降量。

該工程應(yīng)用“時(shí)空效應(yīng)法”指導(dǎo)施工,全斷面基坑以15 m為標(biāo)準(zhǔn)分段,每段土方以2.5 m分層開挖,每層再分塊開挖,每塊開挖應(yīng)在24 h內(nèi)完成,整層開挖后對基坑周邊土方進(jìn)行修整,嚴(yán)格遵循“分段、分層、分塊”原則?；娱_挖示意圖見圖7。

圖7 基坑開挖示意圖

5 結(jié) 語

雙排樁側(cè)向剛度大,可有效控制基坑的側(cè)向變形,其施工工藝相對排樁+內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)簡便,尤其是在深基坑中的應(yīng)用更為廣泛。

在啟明星深基坑軟件對雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析中,改變基坑開挖面下的部分土體參數(shù),即間接地模擬被動(dòng)區(qū)土體加固效應(yīng),從得出的數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn),通過對基坑開挖面下的土體進(jìn)行加固處理后,能有效地減小基坑側(cè)向變形及增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

在基坑上部土方開挖時(shí),下部圍護(hù)結(jié)構(gòu)已發(fā)生較大的位移變形,軟件模擬分析結(jié)果顯示雙排樁最大位移出現(xiàn)在基坑25～30 m范圍內(nèi),位移值為16.6 mm,主要為后排樁變形引起的。前、后排樁頂位移基本一致,說明冠梁、連梁在雙排樁結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要影響因素,其剛度值的大小對整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的影響。

軟土地區(qū)屬于施工中比較差的地質(zhì),在選用雙排樁作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的同時(shí),結(jié)合“時(shí)空效應(yīng)法”開挖基坑,減小了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移,從而控制了基坑變形。

鑒于道路主、輔道坡度不同的類似工程,設(shè)計(jì)建議基坑開挖、出土方向的施工順序應(yīng)由深到淺,以減少對已施工的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

[1] 林鵬,王艷峰,范志雄，等.雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土基坑工程中的應(yīng)用分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(2):331- 334.

[2] 中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012．

[3] 崔宏環(huán),張立群,趙國景.深基坑開挖中雙排樁支護(hù)的三維有限元模擬[J].巖土力學(xué),2006,27(4):662- 666．[4] 王星華,謝李釗,章敏.深基坑開挖中雙排樁支護(hù)的數(shù)值模擬及性狀[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,45(2):596- 602．[5] 賈堅(jiān).逆作開挖深基坑控制卸載變形的方法與實(shí)踐[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007,29(2):304- 308．[6] 蔡袁強(qiáng),阮連法,吳世明，等.軟黏土地基基坑開挖中雙排樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析及應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1999,20(4):65- 71．

Analysis of the Deformation Control for the Deep Foundation Pit of Soft Soil Approaching Railway

JIAYiquan

2017- 03- 07

賈一全(1986—),女,甘肅蘭州人,助理工程師,研究方向?yàn)闃蛄汗こ獭?/p>

TU473.2

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1008- 3707(2017)04- 0016- 04