列車荷載作用下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形研究

王秀鵬 嚴(yán)戰(zhàn)友

摘 要：為了研究基坑開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中列車荷載對(duì)基坑的影響。文章依托北京市廣渠路東延下穿通東機(jī)場(chǎng)專用線鐵路立交橋工程，分別通過(guò)UM、ANSYS和ABAQUS軟件建立鐵路車輛、臨時(shí)鋼便橋和基坑開(kāi)挖支護(hù)模型，根據(jù)車輛、橋梁和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸關(guān)系，實(shí)現(xiàn)車-橋-基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)耦合，進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。研究結(jié)果表明：在列車靜載作用下，基坑支護(hù)樁變形量隨著樁深增加，呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，在基坑開(kāi)挖面附近是最大值;在列車動(dòng)載作用下，樁身變形量都是隨列車速度的增加而逐漸增大;支護(hù)樁在5 m深度處，樁身變形量隨列車速度變化幅度最大，隨著支護(hù)樁深度的增加，樁身變形量隨列車速度逐漸減小;支護(hù)樁25 m深度處，樁身變形量幾乎不隨列車速度變化而變化。

關(guān)鍵詞：列車荷載;基坑工程;樁錨支護(hù);聯(lián)合仿真;變形分析

中圖分類號(hào)：TU473.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2022）04-0007-03

0 引言

隨著城市土地資源受限，基坑工程逐漸向著“深、大、緊、近”方向發(fā)展，因此基坑工程周圍環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。基坑工程經(jīng)常會(huì)遇到周圍道路有運(yùn)行車輛或者存在地鐵運(yùn)行線路，在車輛行駛過(guò)程中，由于道路不平順或者軌道不平順會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這類振源具有時(shí)變性、處于長(zhǎng)期穩(wěn)定的一種循環(huán)荷載，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。因此，有必要考慮基坑工程周圍交通荷載，在交通荷載作用下，研究基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及變形特征。

M.A.Lak等[1]通過(guò)考慮道路與土壤間相互作用，對(duì)路面不平度、車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及地面振動(dòng)三者之間關(guān)系進(jìn)行了研究。張航等[2]通過(guò)對(duì)車站基坑工程進(jìn)行建模，分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在周圍車輛荷載作用下的變形。顏濤[3]將車輛荷載簡(jiǎn)化為半波正弦形式的移動(dòng)荷載施加于基坑周圍，分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。邱洪志[4]不僅將基坑周圍車輛荷載簡(jiǎn)化為半波正弦荷載，還與車輛等效靜載進(jìn)行對(duì)比，得出基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形情況。在車輛動(dòng)荷載作用下，趙桐德等[5]研究了基坑中樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。張金誠(chéng)[6]研究了不同車輛荷載作用下懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。朱冬宇[7]通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬方式，研究雙排支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形特性。丁森林[8]模擬鄰近建筑物的基坑工程，分析在車輛荷載作用下，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)以及變形規(guī)律。上述文獻(xiàn)主要研究了交通荷載引起支護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，而目前深基坑設(shè)計(jì)理念已經(jīng)從強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂?，因此，更?yīng)該關(guān)注交通荷載作用下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征。前人對(duì)交通荷載的研究多為基坑周圍道路上車輛荷載/附近地鐵運(yùn)營(yíng)線路，對(duì)基坑開(kāi)挖支護(hù)工程上運(yùn)營(yíng)鐵路，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受其列車荷載影響的研究很少。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

北京市通州區(qū)廣渠路是連接北京城市核心區(qū)與城市副中心的主要道路，道路起自東二環(huán)終至通柴東路，全長(zhǎng)28 km，在北京交通運(yùn)輸系統(tǒng)中占有重要地位，因此對(duì)廣渠路進(jìn)行改擴(kuò)建來(lái)滿足城市快速發(fā)展的需求。其中，廣渠路東延路段起自怡樂(lè)西路高架橋，終至東六環(huán)，路線沿現(xiàn)況通朝大街，運(yùn)河?xùn)|、西大街布線，全長(zhǎng)約7.6 km，該段道路分為地面道路和地下道路兩種形式，伴隨地下道路系統(tǒng)同步進(jìn)行市政綜合管廊建設(shè)。根據(jù)實(shí)際情況，地下道路部分需要以下穿形式通過(guò)專用線鐵路。

1.2 工程地質(zhì)

經(jīng)過(guò)地質(zhì)勘查與室內(nèi)試驗(yàn)，該場(chǎng)地工程地質(zhì)特征如下：主要有第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）雜填土、素填土，沖洪積層（Q4al+pl）粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、中砂，第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）粉質(zhì)黏土、粉砂、中砂，各巖土地層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。同時(shí)，勘探結(jié)果表明土層的承載能力較強(qiáng)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)情況。

1.3 線路加固體系結(jié)構(gòu)

運(yùn)營(yíng)鐵路線路在基坑開(kāi)挖前需要加固處理，采用箱型縱梁、鋼枕橫梁、支撐樁等結(jié)構(gòu)體系共同組成鐵路加固系統(tǒng)（圖1）。鐵路加固起點(diǎn)K0+659.13，鐵路加固終點(diǎn)：K0+729.07，鐵路加固長(zhǎng)度69.94 m。線路加固時(shí)縱梁安裝與拆除軌束梁在封鎖點(diǎn)內(nèi)施工，施工期間滿足列車慢行45 km/h要求。

1.4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

按照鐵路產(chǎn)權(quán)部門(mén)要求，在施工期間，通東機(jī)場(chǎng)專用線鐵路保持正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，為了縮短工期，該路段須進(jìn)行基坑開(kāi)挖。由于該基坑施工場(chǎng)地周圍環(huán)境復(fù)雜，無(wú)放坡條件，根據(jù)實(shí)際勘查情況，結(jié)合框架橋施工要求和基坑施作條件，按照一級(jí)基坑設(shè)計(jì)等級(jí)。該地下路段基坑支護(hù)工程全長(zhǎng)271 m，采用明挖法施工，基坑開(kāi)挖深度在19～23 m范圍內(nèi)，采用3種不同基坑圍護(hù)形式，分5段對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行圍護(hù)，以期最大程度保證基坑開(kāi)挖安全。支護(hù)形式分別為地下連續(xù)墻支護(hù)、雙排防護(hù)樁加內(nèi)側(cè)施作預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)及雙排防護(hù)樁加樁間施作預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)。該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)布置（圖1）。

由于該基坑工程規(guī)模大、開(kāi)挖深、距離長(zhǎng)，需模擬運(yùn)營(yíng)鐵路線之下鄰近部分基坑開(kāi)挖支護(hù)，而距離鐵路運(yùn)營(yíng)線較遠(yuǎn)部分受列車動(dòng)荷載影響很小，可以不予考慮。該部分基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為雙排防護(hù)樁加樁間施作預(yù)應(yīng)力錨索形式。其中，雙排灌注樁樁長(zhǎng)47.8 m、樁徑1.5 m、樁間距1.8 m、排間距6 m。為施工后排樁錨索，在雙排樁間開(kāi)挖21 m深的長(zhǎng)條形基坑，邊開(kāi)挖邊施工預(yù)應(yīng)力錨索。錨索豎向間距3.5 m，設(shè)置兩樁之間。雙排樁采用C35混凝土澆筑，預(yù)應(yīng)力錨索采用3SΦ15.2 mm普通鋼絞線，入射角為25°，錨固體直徑為150 mm。

2 模型構(gòu)建

2.1 車輛模型構(gòu)建

鐵路車輛由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)等主要部件構(gòu)成，車體與轉(zhuǎn)向架間通過(guò)二系懸掛裝置相連、轉(zhuǎn)向架與輪對(duì)間通過(guò)一系懸掛裝置相連，懸掛裝置為彈簧-阻尼器，所以列車為多自由度的振動(dòng)體系。車體、轉(zhuǎn)向架與輪對(duì)均有沿X、Y、Z向的平動(dòng)自由度及繞X、Y、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，共計(jì)6個(gè)自由度，分別對(duì)應(yīng)伸縮、橫移、沉浮、搖頭、側(cè)滾、點(diǎn)頭6種基本振動(dòng)形式，每節(jié)車有一個(gè)車體、兩個(gè)轉(zhuǎn)向架、四個(gè)輪對(duì)，共計(jì)7個(gè)剛體，42個(gè)自由度。

車輛模型按照C70型貨車參數(shù)建立，由三節(jié)貨車車輛組成，車輛模型見(jiàn)圖2。

2.2 橋梁模型構(gòu)建

臨時(shí)鋼便梁應(yīng)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模，橋梁全長(zhǎng)40.7 m，采用solid185單元，單元數(shù)共計(jì)846 465個(gè)，橋梁有限元模型如圖3所示。

3 計(jì)算結(jié)果

列車動(dòng)載作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形為了研究列車動(dòng)荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)影響。選取5組列車速度，在UM與ANSYS軟件聯(lián)合仿真，車輛分別以20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h速度通過(guò)鋼便梁，求解橋梁支座5種支座反力;然后施加于ABAQUS軟件構(gòu)建基坑開(kāi)挖支護(hù)模型，實(shí)現(xiàn)車-橋與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)耦合，聯(lián)立基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與車輛行駛速度，求解出基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)隨列車速度變化規(guī)律見(jiàn)圖（4—8）。

從圖4～8可以看出：支護(hù)樁深度在5 m、10 m、15 m、20 m、25 m處，樁身變形量隨列車速度增加而增加，表明列車在運(yùn)行過(guò)程中，列車的動(dòng)荷載會(huì)隨著車輛速度的增加而增大，在基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中，對(duì)列車限速措施十分重要。

在樁身5 m深度處，樁身變形量隨列車速度變化幅度最大，變化幅度為0.1 mm;隨著支護(hù)樁深度增加，樁身變形量隨列車速度增加而逐漸減小;支護(hù)樁25m深度處，樁身變形量隨列車速度的增加幾乎不發(fā)生變化，變化幅度為0.007 mm。表明列車動(dòng)荷載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響大概在基坑開(kāi)挖面附近，基坑開(kāi)挖面以下的支護(hù)結(jié)構(gòu)幾乎不受列車動(dòng)荷載影響。

4 結(jié)論

通過(guò)UM、ANSYS和ABAQUS三個(gè)軟件對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行建模，在列車靜荷載和動(dòng)荷載作用下，研究支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，結(jié)論如下：

（1）在列車靜載作用下，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量隨著支護(hù)樁深度的增加先增加后減少趨勢(shì)，在開(kāi)挖面附近增至最大值，在35 m之后緩慢減小。

（2）在列車動(dòng)載作用下，在支護(hù)樁5 m、10 m、15 m、20 m、25 m深度處，樁身變形量隨列車速度增加而逐漸增大，變化趨勢(shì)相似。

（3）在列車動(dòng)載作用下，支護(hù)樁結(jié)構(gòu)在5 m深度處，樁身變形量隨列車速度變化幅度最大;隨著支護(hù)樁深度增加，樁身變形量隨列車速度變化幅度逐漸減小。

（4）在列車動(dòng)載作用下，支護(hù)樁25 m深度處，樁身變形量隨列車速度增加變化很小，列車動(dòng)荷載對(duì)樁體幾乎不產(chǎn)生影響。

參考文獻(xiàn)

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