鄰近市政橋梁深基坑隔離樁支護(hù)尺寸優(yōu)化研究

趙雨軍

(中鐵十五局集團(tuán)城市建設(shè)工程有限公司 河南洛陽 471000)

1 引言

伴隨地下軌道交通的迅速發(fā)展，城市地鐵車站施工往往需要解決深大基坑引發(fā)周圍敏感構(gòu)筑物不均勻沉降的問題[1-3]。地鐵深基坑施工，由于施工環(huán)境復(fù)雜，在支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)不合理情況下，極有可能造成周圍構(gòu)筑物開裂損壞甚至倒塌。因此，深基坑施工時(shí)，優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸具有重要理論和工程價(jià)值。

基坑開挖對鄰近構(gòu)筑物影響研究已有較多案例，大量學(xué)者針對基坑支護(hù)變形特征及相應(yīng)控制措施進(jìn)行了研究。韓愛民等[4]研究軟土地區(qū)基坑開挖對群樁的影響，結(jié)果表明，樁基內(nèi)力分布形式受土體及周圍樁基的影響。劉燕等[5]研究基坑周邊土體位移與開挖深度、排樁間距之間的關(guān)系，推導(dǎo)了支護(hù)結(jié)構(gòu)變形解析解。楊敏[6]通過建立數(shù)值模型，研究基坑開挖引發(fā)的樁基響應(yīng)，結(jié)果表明，隔離樁可有效減小墻后土體位移，從而減小附加彎矩。杜金龍等[7-9]以軟土地區(qū)基坑施工為研究對象，分析了其對鄰近構(gòu)筑物的影響，并提出相應(yīng)本構(gòu)計(jì)算模型。章榮軍[10]以武漢地鐵項(xiàng)目為依托，分析了降水對鄰近樁基的影響。

本文依托南京地鐵7號線鄰近深基坑開挖工程，提出深基坑隔離樁支護(hù)形式。采用數(shù)值模擬研究橋樁的力學(xué)響應(yīng)以對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，獲取最優(yōu)隔離樁樁徑尺寸及其力學(xué)特性，并采用數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測方法驗(yàn)證隔離樁支護(hù)效果。

2 工程概況

2.1 地質(zhì)概況

南京地鐵7號線深基坑處于長江階地地區(qū)，主要地層分布為素填土、粉質(zhì)黏土、風(fēng)化巖，地層分布及特征如表1所示。車站結(jié)構(gòu)底板處于強(qiáng)風(fēng)化砂巖，場區(qū)穩(wěn)定水位為2.3～4.2 m。

2.2 橋梁和深基坑概況

深基坑位于市政高架橋梁下方，基坑長210 m，寬度為20 m，設(shè)計(jì)深度22 m。市政橋梁為鋼箱梁橋，橋墩高9.5 m，承臺尺寸為5.5 m×5.5 m，橋梁基礎(chǔ)為4根直徑1.0 m、長34 m的樁基，混凝土設(shè)計(jì)等級為C30。基坑邊緣距橋梁下部結(jié)構(gòu)最近處為8.60 m，如圖1所示。

2.3 基坑支護(hù)形式

工程場地局部土體物理力學(xué)性質(zhì)較差，且場地范圍內(nèi)多有分布承壓水且水頭較高，基坑邊緣距離樁基最近處為8.60 m。由于高架橋處于要道，無法中斷交通，且對沉降控制要求較高。

為減小基坑開挖對鄰近橋梁的不利影響，采用在基坑與橋樁間施作隔離樁方案。隔離樁采用?1 000鉆孔樁，搭接長度300 mm，排樁穿過黏土層打入強(qiáng)風(fēng)化巖，發(fā)揮止水作用。深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選用連續(xù)墻＋內(nèi)支撐體系，地連墻厚度為1.0 m，基坑采用明挖法施工，分6次開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)材料及尺寸如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及尺寸

3 有限元模型

3.1 物理力學(xué)參數(shù)

為確定最優(yōu)隔離樁樁徑，采用數(shù)值分析方法研究隔離樁對橋樁力學(xué)特性的影響。根據(jù)地勘報(bào)告，土體物理力學(xué)參數(shù)如表3所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表3 土體物理力學(xué)參數(shù)

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

3.2 模型建立

圖2為基坑開挖三維數(shù)值模型，為考慮邊界效應(yīng)，場地長350 m、寬170 m，土層深度為70 m。基坑長210 m、寬度20 m，設(shè)計(jì)深度為22 m。隔離樁、地連墻等效厚度為1.0 m。模型底部設(shè)置豎向約束，側(cè)面設(shè)置水平約束，水壓力以節(jié)點(diǎn)水頭荷載施加?；又苓叞礋o超載考慮。為了較好模擬基坑土體開挖過程，考慮土體的雙硬化，采用修正摩爾-庫倫模型。土體采用混合單元網(wǎng)格，地連墻與隔離樁根據(jù)抗彎剛度等效原則，簡化為板單元，圍檁、混凝土支撐、鋼支撐采用梁單元模擬。

根據(jù)現(xiàn)場施工順序，擬定模型各施工階段對應(yīng)工況。開挖及支護(hù)施工采用生死單元模擬，具體施工工序見表5。

表5 開挖工況模擬

4 結(jié)果與討論

4.1 隔離樁樁徑對橋樁力學(xué)特性影響

圖3為不同隔離樁樁徑下橋樁水平位移和彎矩與深度關(guān)系?？紤]隔離樁樁徑分別為0.0 m、0.5 m和1.0 m工況，其中0.0 m表示不設(shè)置隔離樁。由圖3a可知，隨深度增加，橋樁水平位移先增加后減小，呈曲線分布；隨著隔離樁樁徑增加，橋樁樁身水平位移減??；隔離樁樁徑為0.0 m時(shí)，橋樁水平位移顯著增大，說明不設(shè)置隔離樁時(shí)橋樁水平位移會顯著增加，影響橋墩安全性；當(dāng)隔離樁樁徑大于0.5 m時(shí)，水平位移增加不顯著；橋樁最大水平位移位于-14.0 m標(biāo)高處。隔離樁樁徑分別為0.0 m、0.5 m和1.0 m時(shí)，橋樁最大水平位移分別為13.1 mm、8.6 mm和8.3 mm，施作隔離樁后，最大水平位移值減小約37%，說明施作隔離樁可有效降低鄰近橋樁水平位移。

由圖3b可知，隨著深度增加，橋樁彎矩呈S型分布；隨隔離樁樁徑增加，橋樁樁身彎矩減??；隔離樁樁徑為0.0 m時(shí)，橋樁彎矩顯著增大，說明不設(shè)置隔離樁橋樁彎矩會顯著增加，影響橋墩安全性；當(dāng)隔離樁樁徑大于0.5 m時(shí)，橋樁彎矩未有顯著改變；橋樁正負(fù)彎矩反彎點(diǎn)一致，位于-22.0 m標(biāo)高處。隔離樁樁徑分別為0.0 m、0.5 m和1.0 m時(shí)，橋樁最大正彎矩分別為211.3 kN·m、147.9 kN·m和140.9 kN·m，最大負(fù)彎矩分別為 389.5 kN·m、272.6 kN·m 和259.7 kN·m。施作隔離樁后，最大正、負(fù)彎矩值分別減小約33%，這是因?yàn)楦綦x樁可有效減少土體開挖引起的橫向水平推力，說明施作隔離樁可有效降低橋樁彎矩。

4.2 不同工況對橋樁力學(xué)特性影響

圖4為不同工況下橋樁水平位移和彎矩與深度關(guān)系。由于基坑開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)在土壓力作用下發(fā)生形變，導(dǎo)致鄰近樁基受力狀態(tài)改變。由圖4a可知，隨著深度增加，橋樁水平位移先增加后減小，呈曲線分布；隨基坑開挖，樁身水平位移先迅速后緩慢增加，這是因?yàn)檐浲翆娱_挖與降水共同作用，樁基對土體開挖更為敏感，導(dǎo)致工況3和4下橋樁的水平位移出現(xiàn)顯著增長。在工況8結(jié)束后，基坑開挖完成，鄰近橋樁水平位移相較于工況3顯著增長，橋樁最終水平位移為8.2 mm。

由圖4b可知，隨深度增加，橋樁彎矩呈S型分布；隨基坑開挖，橋樁樁身彎矩先迅速后緩慢增加，這是因?yàn)檐浲翆娱_挖與降水共同作用，樁基對土體開挖更為敏感，導(dǎo)致工況3和4下橋樁彎矩出現(xiàn)顯著增長；橋樁最大彎矩值接近樁身下部位置，說明基坑開挖對橋樁彎矩影響顯著，這是因?yàn)榛娱_挖引發(fā)土體水平位移使橋樁受彎效應(yīng)明顯；工況3～5，橋樁彎矩增長較快，為偏壓構(gòu)件；進(jìn)入工況6后，橋樁彎矩增長速率降低，這是因?yàn)榛娱_挖進(jìn)入風(fēng)化巖層后土體應(yīng)力釋放較小。

4.3 理論值和模擬結(jié)果對比

由于樁端入巖，橋樁可簡化為下端固定、上端鉸支、長度為l的受壓細(xì)長桿，且在鉸接端承受軸向壓力[11-12]，如圖5所示。

當(dāng)橋樁軸向壓力達(dá)到臨界力Fcr時(shí)，壓桿處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。考慮上端支撐處的水平反力Fy，壓桿上任意截面上彎矩為:

將橋樁彎矩代入撓曲方程，并令k2＝Fcr/EI，可得:

根據(jù)微分方程及邊界條件可得:

因橋樁在臨界狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)y≠0，可得kl≈4.49。

進(jìn)而可得橋樁撓曲線方程:

將橋梁荷載代入式(4)得到橋樁最大水平位移為10.2 mm。數(shù)值模擬中，橋樁最終水平位移為8.2 mm。理論計(jì)算值大于數(shù)值模擬值，這是因?yàn)閿?shù)值模擬中地連墻對橋樁水平位移具有阻礙作用。

4.4 墩頂實(shí)測水平位移

在鄰近基坑的4個(gè)墩柱頂部布設(shè)測點(diǎn)，從開挖到基坑開挖后半年內(nèi)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，測點(diǎn)布置如圖6所示。

由圖7可知，隨基坑開挖深度增加，墩頂水平位移迅速增加，這是因?yàn)榛觾?nèi)側(cè)土體對隔離樁支撐作用逐漸減弱，橋墩水平位移增加明顯；開挖完成后，隨著監(jiān)測天數(shù)增加，墩頂水平位移緩慢增加，當(dāng)監(jiān)測天數(shù)達(dá)到100 d后，墩頂水平位移迅速增加，然后緩慢增加趨于平穩(wěn)，這是因?yàn)榛娱_挖完成后，基坑周圍土體進(jìn)行內(nèi)力重分布，墩頂水平位移迅速增加，當(dāng)內(nèi)力重分布趨于穩(wěn)定后，墩頂水平位移逐漸收斂；測點(diǎn)3水平位移大于測點(diǎn)2，這是因?yàn)閮?nèi)支撐間距較大，支護(hù)剛度較弱，部分施工開挖引起橋墩側(cè)向位移；墩頂4個(gè)測點(diǎn)中最大水平位移為4.1 mm，說明隔離樁支護(hù)有效阻止了橋樁水平位移。

5 結(jié)論

鄰近橋梁地鐵深基坑施工，會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。本文提出采用深基坑隔離樁支護(hù)，采用數(shù)值模擬研究橋樁的力學(xué)響應(yīng)并對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，獲取最優(yōu)隔離樁樁徑尺寸及其力學(xué)特性，并以南京地鐵項(xiàng)目為依托，采用數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測進(jìn)行驗(yàn)證。

(1)隨隔離樁樁徑增加，橋樁水平位移和彎矩均減小，施作隔離樁后，水平位移和彎矩分別減小37%和33%。

(2)隔離樁樁徑大于0.5 m時(shí)，可有效阻止橋樁變形，滿足施工要求。

(3)現(xiàn)場監(jiān)測表明，隔離樁可有效阻止橋樁水平位移，是一種有效的鄰近橋梁深基坑支護(hù)方式。