車(chē)輛荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)影響分析

灌 千 元

(成都四海巖土工程有限公司，四川 成都 610041)

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，市政道路及地鐵建設(shè)工程越來(lái)越多，越來(lái)越多的基坑將面臨周邊車(chē)輛荷載的影響。在該類(lèi)基坑進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，勢(shì)必要根據(jù)車(chē)輛荷載的大小而加以考慮。在以往的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，很少考慮車(chē)輛荷載的影響，只是在道路工程設(shè)計(jì)中，考慮車(chē)輛荷載對(duì)道路沉降的影響，且一般以等效靜荷載加以考慮。文獻(xiàn)[1]采用振動(dòng)方程描述火車(chē)動(dòng)荷載，然后等效為靜荷載進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]將汽車(chē)荷載簡(jiǎn)化為移動(dòng)荷載和動(dòng)荷載，以沖擊系數(shù)表征動(dòng)荷載，分析汽車(chē)荷載對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響。文獻(xiàn)[3]將車(chē)輛荷載轉(zhuǎn)化為等效荷載并考慮車(chē)輛動(dòng)荷載對(duì)基坑支護(hù)形式的影響。關(guān)于如何考慮車(chē)輛荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程并沒(méi)有明確給出是否考慮且如何考慮。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員也是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行考慮。本文在參考總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將車(chē)輛荷載簡(jiǎn)化為移動(dòng)恒載+動(dòng)力荷載，并與將車(chē)輛荷載簡(jiǎn)化為等效靜荷載進(jìn)行對(duì)比分析，并以具體工程實(shí)例加以計(jì)算分析。

1 汽車(chē)荷載的取值

本文主要采用兩種方法計(jì)算汽車(chē)荷載，即：將汽車(chē)荷載簡(jiǎn)化為移動(dòng)恒載+沖擊荷載；將汽車(chē)荷載簡(jiǎn)化為等效靜荷載。

1.1 移動(dòng)恒載及沖擊荷載的計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，公路路面及橋梁設(shè)計(jì)中對(duì)車(chē)輛荷載的處理方法，通常有以下三種：1)動(dòng)力荷載：即通過(guò)建立車(chē)輛振動(dòng)模型，計(jì)算得到車(chē)輛附加動(dòng)荷載，然后將動(dòng)荷載通過(guò)動(dòng)荷載系數(shù)反映出動(dòng)荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)等的影響。2)移動(dòng)恒載：將車(chē)輛荷載簡(jiǎn)化為沿行駛方向的大小等于車(chē)輛自重的常荷載。該種處理方式用于目前的鐵路和公路橋梁汽車(chē)荷載計(jì)算中，其沖擊力以沖擊系數(shù)表征。3)移動(dòng)隨機(jī)荷載：因路面的平整程度是個(gè)典型的隨機(jī)過(guò)程，故車(chē)輛作用于路面的附加動(dòng)荷載也具有隨機(jī)性。

在實(shí)際工程中，可根據(jù)具體情況及精度的要求靈活的選擇處理方式[2]。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，盡管動(dòng)荷載系數(shù)，即沖擊系數(shù)隨車(chē)速、路面平整度有所變化，但其取值始終介于0.1～0.4之間，這與文獻(xiàn)[6]所采用的瞬態(tài)附加動(dòng)荷載系數(shù)基本相符。結(jié)合我國(guó)及歐美各國(guó)對(duì)沖擊系數(shù)的界定，最大沖擊系數(shù)介于0.3～0.4。

由于基坑支護(hù)設(shè)計(jì)課題本身對(duì)精度的要求，以及車(chē)輛荷載本身的無(wú)規(guī)則的周期性，在考慮車(chē)輛荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響方面，可以移動(dòng)荷載，并適當(dāng)考慮沖擊系數(shù)來(lái)處理[2]，即考慮車(chē)輛自重并考慮附加動(dòng)力荷載[2]。

1.2 車(chē)輛等效荷載的計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，目前考慮車(chē)輛動(dòng)荷載常用的方法有集中荷載法和等效均厚土層法。

1.2.1車(chē)輛等效荷載的計(jì)算

基坑支護(hù)中，通常將基坑支護(hù)的影響區(qū)域作為一個(gè)大的擋土墻，把基坑周?chē)馏w破裂面范圍內(nèi)的車(chē)輛荷載用一均布等效荷載來(lái)代替[8,9]，即把基坑周?chē)馏w上作用的車(chē)輛荷載換算成土層厚度，再按照該土層厚度最支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力進(jìn)行計(jì)算。具體的，根據(jù)極限平衡法得出不考慮車(chē)輛荷載作用時(shí)基坑的破裂角，再根據(jù)破裂角計(jì)算出破裂棱體的寬度及車(chē)輛的擴(kuò)散長(zhǎng)度，最后求出等效的土層厚度。該法即認(rèn)為基坑上承受均布荷載，再將該均布荷載作為基坑周邊的超載來(lái)計(jì)算對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

1.2.2集中荷載法的計(jì)算

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定[10]，對(duì)于公路—Ⅰ級(jí)和公路—Ⅱ級(jí)，汽車(chē)荷載采用相同的汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于550 kN的汽車(chē)，輪距為1.8 m，軸距為3 m+1.4 m+7 m+1.4 m，前軸重力標(biāo)準(zhǔn)值為30 kN，中軸重力標(biāo)準(zhǔn)值為2×120 kN，后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值為2×140 kN，前輪著地面積及寬度為0.3 m×0.2 m，中輪及后輪的著地面積及寬度為0.6 m×0.2 m，汽車(chē)外形尺寸為15 m×2.5 m。計(jì)算時(shí)，具體的：先確定車(chē)輛的類(lèi)型，以便確定車(chē)輛重量及輪距等，再將車(chē)輛荷載簡(jiǎn)化為靜荷載，最后將車(chē)輛荷載進(jìn)行分配。

2 工程實(shí)例

成都某基坑項(xiàng)目位于成都市高新區(qū)紅牌樓附近，基坑深度約9.3 m。場(chǎng)地地貌單元屬岷江水系一級(jí)階地。據(jù)鉆探揭示，場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由第四系人工堆積雜填土，層厚1.60 m～2.60 m，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，于場(chǎng)地內(nèi)局部地段分布，層厚0.70 m～1.10 m，第四系全新統(tǒng)沖積的粉質(zhì)粘土，該層在場(chǎng)地內(nèi)局部分布，層厚1.00 m～2.70 m；粉土,該層在場(chǎng)地內(nèi)分布較普遍，層厚0.50 m～5.20 m。細(xì)砂該層在場(chǎng)地內(nèi)普遍分布，層厚0.50 m～3.20 m；松散卵石，層厚0.50 m～2.20 m；稍密卵石，層厚0.50 m～2.90 m。中密卵石，層厚0.50 m～3.40 m。密實(shí)卵石，層厚0.60 m～3.40 m。

場(chǎng)地地下水主要為賦存于第四系砂卵石層中的孔隙型潛水及少量人工填土層中的上層滯水，受地下徑流、大氣降水補(bǔ)給；排泄方式以地面蒸發(fā)、地下徑流為主。各層土的參數(shù)如表1所示。

基坑的東側(cè)因需作為場(chǎng)地渣土車(chē)通道，故必須考慮車(chē)輛荷載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 按照移動(dòng)恒載及沖擊荷載計(jì)算

如前述，車(chē)輛荷載包括車(chē)輛自重及車(chē)輛動(dòng)力荷載，車(chē)輛自重以移動(dòng)恒載表示，車(chē)輛沖擊荷載以沖擊系數(shù)量化。以公路—Ⅱ級(jí)汽車(chē)荷載為例(見(jiàn)圖1)。

表1 土層參數(shù)

假設(shè)計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)度剛好可通過(guò)一輛重車(chē)，則汽車(chē)移動(dòng)恒載為：

其中，P為汽車(chē)移動(dòng)恒載,kPa；m為車(chē)道數(shù)目；B為道路寬度，m；L為計(jì)算長(zhǎng)度，m。

因?yàn)樵诨舆吷希僭O(shè)道路寬度為5 m，計(jì)算長(zhǎng)度為15 m，道路可供兩輛車(chē)同時(shí)通過(guò)，則汽車(chē)移動(dòng)恒載約為15 kPa。

汽車(chē)動(dòng)荷載可表示為[2]：

ΔP=μP。

其中，ΔP為汽車(chē)移動(dòng)恒載,kPa；μ為車(chē)沖擊系數(shù)，取0.3～0.4。

2.2 按照車(chē)輛等效荷載計(jì)算

根據(jù)地勘報(bào)告給出的土層參數(shù)，計(jì)算破壞棱體的長(zhǎng)度L0，忽略車(chē)輛荷載對(duì)滑動(dòng)面位置的影響[9]，有：

L0=Hcotα。

其中，H為基坑深度，m；α為滑動(dòng)面傾角，(°)；δ為墻背與土體之間的摩擦角，(°)。

作用在破壞棱體范圍內(nèi)的車(chē)輛荷載，可換算成厚度為he的等代均布土層，詳見(jiàn)下式：

其中，γ為土層重度，kN/m3；B為計(jì)算寬度，m；L0為破壞棱體長(zhǎng)度，m；∑G為車(chē)輛輪的重力，kN。

計(jì)算寬度B可按下式計(jì)算：

B=13+Htan30°。

計(jì)算寬度不應(yīng)超過(guò)分段寬度，當(dāng)分段長(zhǎng)度小于13 m時(shí)，按照實(shí)際分段長(zhǎng)度計(jì)算。

當(dāng)計(jì)算出等代均布土層厚度he之后，即可計(jì)算作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力，詳見(jiàn)下式：

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

針對(duì)本段基坑采用的護(hù)壁樁支護(hù)形式，表2將上述兩種計(jì)算車(chē)輛荷載的方式進(jìn)行比較分析，其中正常情況是指未考慮車(chē)輛荷載的情況，方法1表示按照移動(dòng)恒載及沖擊荷載考慮車(chē)輛荷載的情況，方法2是指按照車(chē)輛等效荷載計(jì)算車(chē)輛荷載的情況。

表2 計(jì)算結(jié)果

從表2可以看出：1)考慮車(chē)輛荷載的影響與不考慮車(chē)輛荷載作用的影響對(duì)基坑的安全性影響比較大；2)將車(chē)輛荷載轉(zhuǎn)換為等效靜荷載后對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響比將車(chē)輛荷載簡(jiǎn)化為移動(dòng)恒載+沖擊荷載后對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響小；3)目前的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范并未明確說(shuō)明是否考慮基坑周邊的車(chē)輛荷載以及如何考慮車(chē)輛荷載。

3 結(jié)語(yǔ)

目前的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范并未明確說(shuō)明是否考慮基坑周邊的車(chē)輛荷載以及如何考慮車(chē)輛荷載，本文通過(guò)總結(jié)常用的兩種考慮車(chē)輛荷載的方法并結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例，得出如下結(jié)論：

1)車(chē)輛荷載的作用對(duì)基坑的安全性有一定的影響，具體的影響視車(chē)輛荷載的情況而定；2)是否考慮及如何考慮車(chē)輛荷載，應(yīng)視具體的項(xiàng)目情況而定。

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