邊坡排樁支護(hù)變形規(guī)律探討

楊 健

(重慶市高新巖土工程勘察設(shè)計(jì)院,重慶 400042)

0 引言

由于重慶地處丘陵山區(qū),在工程建設(shè)的過程中,勢(shì)必導(dǎo)致大挖大填,形成許多填方邊坡,填土粗粒一般為砂巖或泥巖,粒徑5～1 000mm,細(xì)粒為粉質(zhì)粘土,土石比一般為6∶4,多為新近無碾壓回填,均一性和密實(shí)度差,在沒有放坡條件下,常采用用衡重式(＜10m)或排樁擋墻。道路工程邊坡一般用衡重式擋墻,基坑及無放坡條件的邊坡用排樁。排樁一般采用鉆孔灌注樁,其抗彎性能差,配筋多,撓度大,因此,必須對(duì)樁頂變位進(jìn)行控制,避免發(fā)生塑性撓曲破壞。因此,在完成這類工程后,必須進(jìn)行監(jiān)測(cè),并對(duì)其變形進(jìn)行預(yù)測(cè),確保變形收斂,并在預(yù)測(cè)的安全變形之內(nèi)。本文通過對(duì)重慶某邊坡支護(hù)工程的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)的全過程分析,探討了樁身為人工填土的排樁的變形規(guī)律、變形特點(diǎn),提出了該類樁變形的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型和控制方法,并為類似工程積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

人工填土:粉質(zhì)粘土和塊石土組成,粗粒一般為砂巖或泥巖,粒徑5～1 000mm,細(xì)粒為粉質(zhì)粘土,土石比一般為6∶4,為新近無碾壓回填,支擋處厚度8.0～13.0m。

基巖:為不等厚砂泥巖互層,均為泥質(zhì)膠結(jié),泥巖為軟巖,砂巖為較軟巖。

切坡后,在地下車庫形成的切坡高度為9.40～12.80m,均為填土邊坡,邊坡呈L形,總長(zhǎng)121 m。

設(shè)計(jì)中采用參數(shù)如表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2 邊坡工程支護(hù)方案及監(jiān)測(cè)布置

根據(jù)該工程現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)以及甲方要求,即沒有放坡距離,要求不能影響其他工地和工序施工,施工期短,經(jīng)濟(jì)節(jié)省等要求。鑒于此,通過經(jīng)濟(jì)和技術(shù)對(duì)比,最終決定采用鉆孔灌注排樁進(jìn)行支護(hù)。樁徑φ400 mm和φ500mm,樁間距1m,共120根樁。設(shè)計(jì)平面布置示意圖及排樁設(shè)計(jì)典型剖面圖分見圖1、圖2。

在最后一根施工完成14 d后,開始邊坡開挖,同時(shí)對(duì)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè),為JC 1#～JC 7#,采用視準(zhǔn)線法進(jìn)行觀測(cè)。

圖1 邊坡支護(hù)工程平面布置圖

圖2 排樁設(shè)計(jì)典型剖面圖

根據(jù)樁的受力特點(diǎn),采用懸臂梁撓度計(jì)算方法對(duì)不同的樁分別進(jìn)行了樁頂變位預(yù)測(cè),為監(jiān)測(cè)控制提供依據(jù)。這里主要分析JC1#、JC4#、JC5#、JC6#為代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn),懸臂段基本為土層的邊坡段。

采用懸臂梁等效計(jì)算方法,將其等效為矩形梁后進(jìn)行撓度計(jì)算。

撓度計(jì)算公式推導(dǎo)(見圖3)如下:

撓曲微分方程為:

將上式連續(xù)積分2次,分別得到:

引入邊界條件,固定端轉(zhuǎn)角和撓度都等于0,解得:C=0,D=0自由端轉(zhuǎn)角和撓度最大,即:

圖3 撓度計(jì)算公式推導(dǎo)簡(jiǎn)圖

監(jiān)測(cè)代表樁撓度計(jì)算成果見表2。

表2 監(jiān)測(cè)代表樁撓度計(jì)算成果

3 監(jiān)測(cè)成果及變形規(guī)律分析

對(duì)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè),獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并作圖(見圖4)。監(jiān)測(cè)時(shí)間從2005—01—11 17:0 0到2005—02—02 09:00,歷時(shí)22 d。根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)曲線的觀測(cè)分析,可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:

1)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的樁在切坡完成的初期,變形大,樁頂變位快,在后期逐漸趨于平緩,曲線呈收斂趨勢(shì),在22 d后變化已經(jīng)很微小。

2)根據(jù)樁徑不同、土層厚度不同,樁頂變位的收斂值(變位終值)不同,土層厚度越大,土壓力越大,收斂值越大。

3)該收斂曲線特征與指數(shù)函數(shù)吻合較好,可采用指數(shù)函數(shù)模擬。

4)監(jiān)測(cè)過程中,樁頂變位具有間歇性。即樁頂達(dá)到某一變位值時(shí),會(huì)在這一值附近有短暫停滯,然后再繼續(xù)增長(zhǎng)。這一停滯隨變形增大而有逐漸延長(zhǎng)趨勢(shì),直到變形收斂后期,而趨于不明顯。

圖4 7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移監(jiān)測(cè)

根據(jù)對(duì)土體特性分析,該特征主要由土體的蠕變特性引起,當(dāng)邊坡開挖后,樁一側(cè)的抗力失去,在另一側(cè)土體土壓力作用下,樁開始發(fā)生變形、撓曲,樁頂變位增大;當(dāng)變位到某一值時(shí),樁后土體會(huì)產(chǎn)生較大的裂縫,樁身上部一定范圍,樁土分離,土壓力不能作用到樁上段,作用點(diǎn)降低,力臂縮短,彎矩減小,變形相對(duì)停滯;但由于土體具有不同于混凝土的散體特征,呈明顯的蠕變特性,從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看,往往24～72 h后,大部分暫時(shí)分離的土體就會(huì)蠕動(dòng)變形而與樁接觸,并逐漸將土壓力施加到樁上段,作用點(diǎn)上移,當(dāng)力矩達(dá)到一定限值,會(huì)再次致樁變形,樁頂變位繼續(xù)擴(kuò)大,然后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán),如此周而復(fù)始,臺(tái)階式的樁頂變位跳躍逐漸減小,停滯期逐漸增長(zhǎng),最終趨于平衡而變形終止。顯然停滯期的長(zhǎng)短與土體的蠕變變形特性直接相關(guān)。見圖5。

圖5 1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)跳躍式位移示意圖

4 變形收斂曲線函數(shù)模擬

4.1 因子分析

影響樁頂變位的因數(shù)主要有樁徑大小、樁長(zhǎng)、混凝土強(qiáng)度、配筋率、土體物理力學(xué)強(qiáng)度、土體蠕變性能等。其中排樁的樁徑、樁長(zhǎng)、混凝土強(qiáng)度、配筋率、土體物理力學(xué)強(qiáng)度等,可以用一個(gè)指標(biāo)來綜合反映,因?yàn)榕艠稙閼冶蹣?可以看作在側(cè)向土壓力下的懸臂梁進(jìn)行撓度計(jì)算,即懸臂樁的最大變位或者最終撓度來反映,用λ表示,它顯然與樁頂變位的正相關(guān);土體的土體蠕變性能是與時(shí)間因素(t)相關(guān)的因子,土體蠕變性能好,速度快,則樁頂變位快,顯然也是呈正相關(guān),用b表示。

4.2 函數(shù)形式選擇

通過觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間變形曲線,該收斂曲線服從形如y=λ×eb?ta的指數(shù)函數(shù)。A為不因樁或土體特征變化的常數(shù),通過模擬曲線對(duì)比,取a=-0.48,因此公式為y=λ×eb?t(-0.48)。

4.3 參數(shù)確定

將JC1#、JC4#、JC5#、JC6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。擬合方法:采用矩陣分析方法,對(duì)函數(shù)y=λ×eb?ta解析,以便通過簡(jiǎn)單的矩陣運(yùn)算解出需要的常參數(shù)λ和b,從而達(dá)到擬合目的。解析過程如下:

采用matlab軟件編程并進(jìn)行擬合,得到參數(shù)(表3)及模擬曲線。

數(shù)據(jù)模擬曲線見圖6。

表3 擬合獲得參數(shù)

圖6 JC 1#、JC 5#、JC 6#、JC 4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)擬和曲線

可見通過等效計(jì)算撓度值與實(shí)際監(jiān)測(cè)位移值差距在4～25 mm,鑒于參數(shù)選取和計(jì)算方法的限制,撓度估算值往往偏大,可見等效方法計(jì)算撓度時(shí)略為保守,但可以通過監(jiān)測(cè)過程中的擬合不斷修正,位移值差距是允許的,不影響模型建立和預(yù)測(cè)控制。樁頂變位收斂的預(yù)測(cè)模型如y=λ×eb?ta的指數(shù)函數(shù)。

5 結(jié)論

通過排樁支護(hù)工程的監(jiān)測(cè)和模型分析,得到以下結(jié)論:

1)正常條件下的排樁在變坡開挖,也就是樁開始發(fā)生作用后,必然會(huì)發(fā)生較明顯的變位,且變位隨時(shí)間增大而增大,并逐漸趨于穩(wěn)定,曲線上表現(xiàn)為收斂,在一個(gè)最大的變位幅內(nèi),這一變位幅就是樁變形的最大撓度。

2)樁變形并非是沿預(yù)測(cè)曲線連續(xù)不斷的變化,而是表現(xiàn)為在每一次急劇變形后,總會(huì)有一定的停頓,即“臺(tái)階”或“跳躍式”變化,這一停頓是土體通過蠕變進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整的應(yīng)力調(diào)整期,不能在判斷上誤判為變形開始收斂或有收斂趨勢(shì)。

3)樁頂變位收斂的預(yù)測(cè)模型為y=λ×eb?ta的指數(shù)函數(shù),其中影響預(yù)測(cè)模型函數(shù)的因子或參數(shù)撓度因子λ和蠕變因子b,都與變位y呈正相關(guān)。

[1]鄭穎人.巖質(zhì)建筑邊坡巖石壓力計(jì)算與邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)[Z].1997.

[2]GB 50330—2002,建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

[3]JGJ94—94,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].