緊鄰既有線路基深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素分析

梁 棟，白 皓，劉 寶，徐海銘，王武斌

(1. 四川高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)總公司，四川成都610041；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

隨著我國(guó)公路、鐵路路網(wǎng)密度的提高，在路線的設(shè)計(jì)中不可避免地出現(xiàn)許多跨線橋基礎(chǔ)承臺(tái)必須緊鄰或侵入相鄰鐵路、公路的路基邊坡。承臺(tái)基坑的開(kāi)挖將會(huì)導(dǎo)致原有路基的穩(wěn)定狀態(tài)[1]。使路基的平衡狀態(tài)遭到破壞，產(chǎn)生側(cè)向滑移的可能性[2-3]。特別是在既有鐵路路基旁進(jìn)行承臺(tái)基坑的開(kāi)挖，由于列車荷載較大，可能會(huì)產(chǎn)生路基失穩(wěn)和較大的變形[4-7]，甚至造成嚴(yán)重的交通事故。因此有必要對(duì)既有路基旁或侵入路基邊坡處基坑開(kāi)挖時(shí)基坑和路基整體的穩(wěn)定性與變形規(guī)律進(jìn)行分析[8]。結(jié)合某高速公路特大連續(xù)梁橋基礎(chǔ)施工中承臺(tái)基坑的開(kāi)挖，利用MIDAS/GTS軟件[9]建立平面分析模型，針對(duì)不同的基坑開(kāi)挖深度、基坑距既有路基坡腳的距離變化、基坑開(kāi)挖的尺寸大小、支護(hù)樁的嵌固深度、支護(hù)樁的剛度進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示基坑開(kāi)挖變形的機(jī)理和主要影響因素，提出的變形規(guī)律可以為類似的工程設(shè)計(jì)支護(hù)提供參考。

1 模型建立和參數(shù)選取

1.1 數(shù)值模型的建立

將模型簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型，在模型中假定模型縱向?yàn)閱挝婚L(zhǎng)度，具體尺寸如圖1所示。土體的本構(gòu)關(guān)系采用莫爾—庫(kù)倫模型，支護(hù)樁單元采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。鐵路為單線路基，路基面寬7.8 m，列車豎向活荷載采用我國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)荷載，將軌道靜載和列車活載一起換算成為與路基土重度相同的矩形土體。查表得換算荷載強(qiáng)度59.7 kN/m，分布寬度為3.7 m。計(jì)算模型如圖2所示。

圖1 計(jì)算模型示意 (單位：m)

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

(1)根據(jù)已有研究，基坑開(kāi)挖的影響范圍大致為基坑深度的2～3倍。為了消除邊界效應(yīng)，模型尺寸不宜過(guò)小，但同時(shí)為了提高計(jì)算效率，模型單元數(shù)又不宜過(guò)多。因此，在Y軸方向上模型邊緣距基坑的短邊方向?yàn)?倍左右的開(kāi)挖深度；在X方向上模型邊緣距基坑為3倍左右的開(kāi)挖深度。

(2)邊界的設(shè)置：在求解之前，需要對(duì)模型中土體的邊界進(jìn)行約束。在邊界條件處理的問(wèn)題上，本文在自重和增加列車荷載解析時(shí)，采用了在底部邊界X方向和Y方向的兩側(cè)邊界為固定邊界，即位移為0，左右邊界為水平固定約束，其余為自由邊界。

(3)基坑的開(kāi)挖模擬采用MIDAS/GTS中的施工階段分析工況進(jìn)行求解，通過(guò)開(kāi)始階段的位移清零、單元的激活和鈍化進(jìn)行開(kāi)挖階段的模擬。土的抗剪強(qiáng)度采用固結(jié)快剪指標(biāo)。

1.2 模型的參數(shù)

模型參數(shù)包括土體模型參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別如表1和表2所示。

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素分析

影響基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的因素很多，如路基高度、列車荷載、基坑距路基坡腳的距離、開(kāi)挖深度、基坑平面尺寸大小、支護(hù)樁的嵌固深度、剛度等。總體而言，本工點(diǎn)影響支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的因素主要可以分為三大類：路基自身與列車荷載、基坑與路基的相對(duì)位置、基坑尺寸與支護(hù)情況。

表1 土體模型計(jì)算參數(shù)

注：采挖范圍內(nèi)無(wú)地下水。

表2 支護(hù)樁的計(jì)算參數(shù)

2.1 路基高度的影響

以基坑距離路基坡腳的距離為3 m、開(kāi)挖深度為4 m為例，分析路基填筑高度對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響，其變化規(guī)律如圖3所示。

從圖中可以看出，路基高度的增加使基坑上部荷載增大，基坑支擋結(jié)構(gòu)水平位移變量增長(zhǎng)較為明顯的線性變化規(guī)律。因此，在緊鄰高填方路堤基坑開(kāi)挖方案設(shè)計(jì)時(shí)，要準(zhǔn)確計(jì)算路基高度的影響；在進(jìn)行高填方路堤旁基坑開(kāi)挖時(shí)，一方面應(yīng)該選擇強(qiáng)度和剛度足夠大的支護(hù)體系，另一方面要進(jìn)行全過(guò)程變形監(jiān)控與預(yù)警，以保證高路基的變形在可控制的范圍內(nèi)。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布圖3 水平位移隨路基高度的分布與變化

2.2 列車荷載的影響

基坑開(kāi)挖后，將造成土體的卸載，土體向基坑內(nèi)移動(dòng)，引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。列車荷載的出現(xiàn)相當(dāng)于增加了基坑旁載，將加劇支擋結(jié)構(gòu)橫向變形，甚至引起垮塌事故。以基坑距離路基坡腳的距離為3 m、開(kāi)挖深度為4 m為例，分析有無(wú)列車荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響，其變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 有無(wú)列車荷載時(shí)的水平位移對(duì)比

從圖4中水平位移的沿樁身的分布情況可以看出列車荷載對(duì)變形的影響十分明顯，使支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量約增大了1倍。所以在鄰近路基處進(jìn)行基坑開(kāi)挖，必須準(zhǔn)確計(jì)入列車荷載的影響，在設(shè)計(jì)工況中要計(jì)算列車荷載引起的附加土壓力，從而保證支護(hù)體系的設(shè)計(jì)合理性、路基與基坑的安全性。

2.3 基坑開(kāi)挖深度的影響

基坑開(kāi)挖使路基旁出現(xiàn)臨空面，影響路基的穩(wěn)定性和變形分布，確定開(kāi)挖深度的影響規(guī)律可為支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。以基坑距路基坡腳為3 m為例，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律如圖5所示。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布圖5 不同開(kāi)挖深度時(shí)的水平位移

從圖5可以看出隨著開(kāi)挖深度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形不斷增加，兩者近似呈二次方關(guān)系。當(dāng)基坑的開(kāi)挖深度超過(guò)4 m時(shí)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形速率急劇增加，對(duì)基坑的變形產(chǎn)生了極大的影響。因此，在基坑開(kāi)挖深度超過(guò)4 m時(shí)，可選擇雙排樁、錨索樁、橫向支撐等合理的支護(hù)體系，以控制基路基變形。

2.4 基坑平面開(kāi)挖尺寸的影響

基坑平面開(kāi)挖尺寸是指基坑的橫向?qū)挾龋从沉嘶拥耐潦介_(kāi)挖量，主要影響支護(hù)樁錨固段樁前的抗力大小與分布。以開(kāi)挖深度為5 m、水平間距相同為例，不同基坑尺寸(即寬度)時(shí)的結(jié)構(gòu)變形分布與變化規(guī)律如圖6所示。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布圖6 不同開(kāi)挖尺寸時(shí)的水平位移

從圖6可以看出，基坑開(kāi)挖寬度越大，基坑的變形位移越大，兩者基本上呈線性變化規(guī)律。因此，在實(shí)際工程中，基坑的幾何形狀和尺寸將由建筑物的整體規(guī)劃而確定，因此該影響因素對(duì)基坑變形的影響在施工圖設(shè)計(jì)與施工工作開(kāi)展前要判定，選擇合理的基坑開(kāi)挖尺寸及幾何形狀。

2.5 不同水平間距的影響

當(dāng)基坑與既有路基保持足夠距離時(shí)可忽略兩者的相互影響，隨著間距減小兩者的影響不斷加劇。以基坑開(kāi)挖深度為6 m為例，不同水平間距時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分布與變化規(guī)律如圖7所示。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布圖7 不同水平間距時(shí)的水平位移

由圖7可知，基坑距既有路基坡腳的距離越大，基坑的水平位移就越小，兩者基本呈二次方規(guī)律遞減。可以預(yù)測(cè)本工況下水平距離超過(guò)10 m后基坑開(kāi)挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響可以忽略。

2.6 支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的影響

支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度與支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、支護(hù)樁樁徑、樁身材料強(qiáng)度等級(jí)等有關(guān)。本節(jié)主要分析單排支護(hù)樁剛度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，在樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)一定時(shí)，支護(hù)樁直徑越大，其橫向抗變形剛度就越大。支護(hù)樁水平位移隨樁徑的變化與變化率如圖8所示。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布圖8 支護(hù)樁樁徑與樁頂位移的關(guān)系

從圖8可以看出樁頂水平位移隨支護(hù)樁樁徑增加呈二次方規(guī)律遞減，且當(dāng)樁徑大于1 m后這種趨勢(shì)就不再明顯。增大支護(hù)樁剛度可以有效地減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，但其作用效果隨著剛度的增大逐漸減弱，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要合理選擇支護(hù)類型。

2.7 支護(hù)結(jié)構(gòu)埋深的影響

支護(hù)結(jié)構(gòu)埋深反應(yīng)了支護(hù)樁的錨固深度，其影響支護(hù)樁樁前的抗力作用范圍。在同一計(jì)算工況下，分別計(jì)算不同樁基長(zhǎng)度下支護(hù)樁樁頂?shù)淖冃危鐖D9所示。

(a)水平位移分布圖 (b)水平位移分布圖圖9 樁埋深對(duì)基坑位移影響分析

從圖9可以看出在錨固深度較淺時(shí)，支護(hù)樁樁頂位移極大，隨著深度的增加樁頂位移呈二次方規(guī)律減小，當(dāng)錨固深度達(dá)到8 m時(shí)樁長(zhǎng)因素導(dǎo)致抗變形能力不再明顯。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該結(jié)合安全和經(jīng)濟(jì)兩方面的因素，合理選擇樁基長(zhǎng)度。

3 結(jié)論

(1)路基及列車荷載增大了基坑旁載，路基高度與基坑支擋結(jié)構(gòu)水平位移呈線性關(guān)系，列車荷載使支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量約增大了1倍，因此在鄰近路基處進(jìn)行基坑開(kāi)挖時(shí)，必須準(zhǔn)確計(jì)入路基高度和列車荷載的影響。

(2)基坑的開(kāi)挖深度和寬度可改變支護(hù)樁樁前抗力的大小與分布，從而影響支護(hù)樁的變形，基坑的開(kāi)挖深度超過(guò)4 m時(shí)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形速率急劇增加，根據(jù)基坑尺寸合理選擇支護(hù)方式以保證路基穩(wěn)定性。

(3)基坑與路基坡腳的水平間距與支護(hù)樁水平位移呈二次方規(guī)律遞減，當(dāng)水平距離超過(guò)10 m后基坑開(kāi)挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響可以忽略。

(4)支護(hù)樁樁頂位移同樁徑與錨固深度均呈二次方規(guī)律遞減，當(dāng)樁徑大于1 m或錨固深度達(dá)到8 m以后，支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)其變形影響可以不再考慮，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該結(jié)合安全和經(jīng)濟(jì)兩方面的因素，合理選擇支護(hù)類型與樁基長(zhǎng)度。

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