基于剛度矩陣的軟土地基支護(hù)墻體水平位移測量

竇成

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司 河北 唐山 063000)

軟土層的變形與穩(wěn)定問題是公路改建工程中的難題,也是軟土地基處理的主體。為了確保軟土地基支護(hù)墻體施工時的安全穩(wěn)定,有必要對支護(hù)墻體出現(xiàn)的位移進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。通過定量分析,能夠確定路基應(yīng)力和應(yīng)變系數(shù),實現(xiàn)動態(tài)控制加載速率,并對軟土地基支護(hù)墻體進(jìn)行實時監(jiān)控。謝濤等[1]提出了一種基于地基路堤變形演化特性的位移測量方法,以基礎(chǔ)路堤的變形演化特性為基本特征量,以土體側(cè)應(yīng)變?yōu)楹诵?以樁位移為表征,作為監(jiān)測地基支護(hù)墻位移的基本特征量;卜康正等[2]提出了一種基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的測量技術(shù),在Mindlin位移解和Winkler基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上,采用基坑開挖復(fù)合隧道位移計算方法,導(dǎo)出了復(fù)合地基中樁側(cè)摩阻力。對公路改建工程中的軟土地基進(jìn)行了分析,采用“雙孔效應(yīng)”的迭代疊加,實現(xiàn)隧道豎向與水平位移的疊加,完成地基支承墻的位移測量。以上兩種方法在軟土環(huán)境下模擬數(shù)據(jù)采集較差,單元節(jié)點和支護(hù)墻節(jié)點受力剛度計算誤差較大,導(dǎo)致測量精準(zhǔn)度較低。而在實際施工過程中,對各種變形數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測是十分必要的,因為其復(fù)雜性和工況模型的假設(shè)不能充分反映整體工況。因此,本文在公路復(fù)建工程中,對軟土地基支護(hù)墻體水平位移測量技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

以某市某區(qū)公路復(fù)建工程為例,道路總長度約8.229 km,某段路基寬度25.5 m、28.5 m,平均填筑高度約20 m,路線主要經(jīng)過耕地、旱地和沙地。金沙江沿岸,云南省昆明市、昭通市和四川省交匯地段的土層多為松散砂層沉積層,砂層較厚,砂層在線路上廣泛分布,一般分布在1～2層,局部分布3層[3]。大體上從南向北。砂質(zhì)指數(shù)差,可塑性差,水分含量低。軟土地基支護(hù)墻體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 軟土地基支護(hù)墻體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示,PHC單排管樁與多排根樁相結(jié)合的軟土地基支護(hù)結(jié)構(gòu)不能滿足軟土開挖的需要,因此將支撐樁頂筋與走廊鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體連接,形成桁架受力模式[4]。在基層風(fēng)化過程中,地下水是孔隙水的重要來源,其對混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕程度較小,對鋼筋腐蝕程度較大。

2 軟土地基支護(hù)墻體水平位移測量

軟土地基支護(hù)墻體所選擇的填筑路基位置條件惡劣、地形變化明顯,對于該位置的位移測量,應(yīng)設(shè)置觀測點埋設(shè)坐標(biāo)。

2.1 軟土觀測點埋設(shè)坐標(biāo)

1)支護(hù)墻體穩(wěn)定性觀測點位置。支護(hù)墻穩(wěn)定觀測,主要觀察支護(hù)墻充填過程中地面是否發(fā)生位移和抬升。同一段相同的觀測項目,需在每隔100～200 m斷面處設(shè)置一個觀測斷面,在橋頭設(shè)置2～3個觀測斷面。在橋梁的縱坡、填土、開挖交界處等特殊路段,根據(jù)實際情況增加1～2個觀測點[5]。同一段不同的觀測項目,應(yīng)在同一斷面布置測點。

2)支護(hù)墻體位移觀測點布設(shè)位置。選取路堤兩側(cè)足尖處及距溝外10 m處的地面位移觀測點,為了預(yù)測可能的滑面位置及地表斷面,通常在路堤外設(shè)置3～4個位移側(cè)樁,同一觀測段的側(cè)樁埋設(shè)在同一條水平軸線上[6]。

3)沉降觀測點布設(shè)位置。沉降點的沉降觀測一般埋入沉降板中,并埋設(shè)在基礎(chǔ)支撐墻中央、肩部和坡腳處。

2.2 儀器與測量基準(zhǔn)

2)工作基準(zhǔn)樁。將50 cm上部混凝土樁固定在無縫鋼管或混凝土預(yù)制樁上,并澆筑1 m×1 m×0.2 m的觀測平臺。樁頂距平臺15 cm,在樁的頂部有探頭。

3)校準(zhǔn)基點樁?？梢杂脧U棄的無縫鋼管或預(yù)制混凝土樁接觸巖石或某種深度的硬土,對樁周采取永久性保護(hù)措施,定期檢查工作樁[8]。

4)沉降板。沉降板是由底板、測量桿和外殼組成的,觀測板中心焊一根直徑25 mm的鋼管,每個管段長度為300 mm[9]。該鋼管的外延部分通過外環(huán)箍螺紋連接,管身由50 mm鍍鋅圓管保護(hù),每300 mm鍍鋅圓管由螺栓連接,禁止用鋼管連接[10]。沉積板埋設(shè)后找平砂石,并水平安裝,管道與垂直方向平行[11]。沉降板及位移樁設(shè)置如圖2所示,沉降板由水準(zhǔn)點、位移樁、沉降板和中心線組成,共包括7個觀測點。

圖2 沉降板及位移樁設(shè)置圖

5)分層沉降儀。分層沉降儀由沉降管、磁環(huán)、波紋管組成,其中磁環(huán)位于路基的中心,承載層上的每層設(shè)有磁環(huán)。對于軟土厚度較大的區(qū)域設(shè)置兩個磁環(huán),并根據(jù)周圍環(huán)境,埋設(shè)觀測點,由此確定磁環(huán)深度[12]。根據(jù)地質(zhì)條件,在路基中鉆入承重層,并在相應(yīng)位置和深度安裝磁環(huán)。放下沉淀管,使用膨脹土填封孔隙,保證磁環(huán)與支護(hù)墻體同步沉降。使用分層沉降儀測量各個磁環(huán)位置,并計算各個層次的沉降量[13]。

6)深層土體位移計。深層土體位移計是一種設(shè)置在土體中的位移計,用位移計測量土體的水平位移,其埋設(shè)深度取決于地質(zhì)條件。埋置時在坡腳打孔,將測斜管插入孔內(nèi),用沙子填充[14]。利用位移計測量任意深度的管道傾角,再計算出管道的位移和方向。

7)孔隙水壓力計。用頻率計確定路基中心孔,根據(jù)中心孔設(shè)定導(dǎo)體深度并用膨脹土封裝孔隙,以保護(hù)軟土支撐墻體的坡腳。利用孔隙水壓力計測量同一深度孔隙的水壓,保證每個觀測點保持3～5個不同深度的孔隙。

2.3 地基支護(hù)墻體水平位移測量方案

2.3.1基于共同作用方程的墻體支承剛度計算

式(7)和式(8)中：Bj(x)為城市j的投資收益。由于在第2.1節(jié)中已確定港口投資與固定成本(D)與變動成本(V)之間的關(guān)系，因此下面將確定港口投資與勞動者報酬(Lj(xj))之間的關(guān)系。

數(shù)值模擬中,假設(shè)兩側(cè)墻的上壓隨開挖過程而變化,在挖方和頂面的墻體上設(shè)置上體彈簧。壁面變形到基坑側(cè),其側(cè)壓力水平下降,但不能小于主動上壓,該方法能較好地反映支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化[15]。支護(hù)墻體的上升壓力主要由基礎(chǔ)剛度和支座剛度決定,一般而言,上壓為初始的軸力和橫撐,由支座(或上錨桿)施加,受主動上壓力和被動上壓力變化。此外,在滿足其使用要求的情況下,應(yīng)盡量采用較為經(jīng)濟的施工方法。

作用于壁面的上壓力包括靜壓力和形變壓力,可用下式表示:

F=F0+Fd

(1)

式(1)中,F表示墻體壓力總強度;F0表示墻體受到靜態(tài)壓力強度;Fd表示墻體受到動態(tài)壓力強度,該強度隨墻體位移變化而改變,其計算公式為:

Fd=±λ·x

(2)

式(2)中,λ表示地基反力系數(shù);x表示水平位移。

采用力學(xué)計算模型,將地基視為Winkler地基,將地基支護(hù)墻體單元節(jié)點與板節(jié)點相重疊,忽略地基支護(hù)墻體橫截面尺寸,得到共同作用方程:

W=[Zr+ZB+ZZ+Zus+Zβs]·x

(3)

式(3)中,Zr表示冠梁支承剛度矩陣;ZB表示支撐懸臂式墻體支承剛度矩陣;ZZ表示未開挖側(cè)的地基支護(hù)墻體彈性支承剛度矩陣;Zus表示開挖側(cè)的地基支護(hù)墻體土支承剛度矩陣;Zβs表示未開挖側(cè)的地基支護(hù)墻體土支承剛度矩陣。

2.3.2墻體單元節(jié)點位移測量

根據(jù)支護(hù)墻體壓力計算結(jié)果,測量墻體位移變化情況,ZQTl點、ZQT2點和ZQT4點水平位移測量詳細(xì)內(nèi)容如下。

1)ZQTl點水平位移。ZQTl監(jiān)測點位于基坑中心點處,選取監(jiān)測斷面不同土體開挖深度的水平位移測量數(shù)據(jù),如表1所示。由表1可知,支護(hù)墻體挖深3 m,可等效為懸臂梁,將支撐墻頂水平向基坑內(nèi)移動。在基坑深度為-0.5 m和-1.0 m時,ZQTl點水平位移均達(dá)到最大為 2.1 mm,受鋼筋支撐作用的時空效應(yīng)。在20 m深度的情況下,支護(hù)墻體上端的水平位移近似為零。在連續(xù)開挖時,支護(hù)墻的頂部開始向外移動,位移和范圍逐漸增大,其中最大位移為1.1 mm。在挖方深度達(dá)到30 m時,基坑上部連續(xù)墻全部移出,位移最大為5.1 mm。

表1 ZQTl點水平位移測量數(shù)據(jù) 單位:mm

2)ZQT2點水平位移。ZQT2監(jiān)測點位于距離地基支護(hù)墻體南側(cè)約5m處,選取監(jiān)測斷面不同土體開挖深度的水平位移測量數(shù)據(jù),如表2所示。由表2可知,當(dāng)開挖深度為3 m時,ZQT2點水平最大位移為0.9 mm;當(dāng)開挖深度為10 m時,ZQT2點水平最大位移為3.0 mm;當(dāng)開挖深度達(dá)到30 m時,最大位移為13.0 mm。

表2 ZQT2點水平位移測量數(shù)據(jù) 單位:mm

3)ZQT4點水平位移。ZQT4監(jiān)測點位于距離地基支護(hù)墻體南側(cè)約15 m處,選取監(jiān)測斷面不同土體開挖深度的水平位移測量數(shù)據(jù),如表3所示。由表3可知,支護(hù)墻體挖深在10 m以下時,將向坑外移,在基坑深度為-4.0 m時,最大位移為1.6 mm;當(dāng)開挖深度為20 m時,最大位移為5.0 mm;當(dāng)開挖深度為30 m時,最大位移為8.0 mm。

3 實驗結(jié)果與分析

由墻體水平位移測量數(shù)據(jù)分析可知,當(dāng)開挖深度為30 m時,地基支護(hù)墻體開始向坑外位移,以此為研究對象,分別使用基于地基路堤變形演化特性的測量技術(shù),基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的測量技術(shù),以及所提方法(基于剛度矩陣的位移測量技術(shù)),對比分析ZQTl點、ZQT2點和ZQT4點水平位移,對比結(jié)果如圖3所示。

(a)ZQTl點水平位移

由圖3a可知,使用基于地基路堤變形演化特性的測量技術(shù),在基坑深度為-0.5 mm時,與實際位移一致。在基坑深度為-3.0 mm、-3.5 mm、-4.0 mm時,與實際位移相差較大,最大相差2.5mm;使用基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的測量技術(shù),在基坑深度為-0.5 mm時,與實際位移一致。在基坑深度為-3.5 mm時,與實際位移相差較大,最大相差2.1 mm;使用基于剛度矩陣的位移測量技術(shù),只有在基坑深度為-3.5 mm時,與實際位移不一致,相差0.02 mm。

由圖3b可知,使用地基路堤變形演化特性的測量技術(shù),在基坑深度為-0.5 mm、-4.0 mm時,與實際位移一致。在基坑深度為-2.5 mm時,與實際位移相差較大,最大相差8.0 mm;使用基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的測量技術(shù),在基坑深度為-0.5 mm、-3.0 mm時,與實際位移一致。在基坑深度為-1.0 mm、-2.5 mm、-4.0 mm時,與實際位移相差較大,最大相差2.0 mm;使用基于剛度矩陣的位移測量技術(shù),在基坑深度為-2.5 mm時,與實際位移相差最大為1.0 mm。

由圖3c可知,使用地基路堤變形演化特性的測量技術(shù),在基坑深度為-0.5 mm時,與實際位移一致。在基坑深度為-2.0 mm時,與實際位移相差較大,最大相差3.0 mm;使用基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的測量技術(shù),在基坑深度為-0.5 mm時,與實際位移一致。在基坑深度為-2.5 mm時,與實際位移相差較大,最大相差3.0 mm;使用基于剛度矩陣的位移測量技術(shù),在基坑深度為-2.0 mm時,與實際位移相差最大為0.1 mm。

通過上述分析,使用基于剛度矩陣的位移測量技術(shù)對ZQTl點、ZQT2點和ZQT4點水平位移測量精準(zhǔn)度較高。

4 結(jié)束語

在工程實踐中,公路復(fù)建工程軟土地基有多種處理方法,應(yīng)根據(jù)實際情況應(yīng)用軟土地基支護(hù)墻體的位移測量技術(shù)。本文提出了基于剛度矩陣的軟土地基支護(hù)墻體水平位移測量技術(shù),以剛度矩陣為基礎(chǔ),對支護(hù)墻體進(jìn)行壓力計算,發(fā)現(xiàn)在公路復(fù)建工程中,軟土地基支護(hù)墻體的變形規(guī)律明顯,墻壁的頂部首先移入坑內(nèi)。由于開挖過程中軟土地基支護(hù)墻體位移較大,墻體中部明顯向內(nèi)凹陷。