王 飛

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，地鐵、明挖公路隧道及高層建筑的大規(guī)模興起，先后出現(xiàn)了越來越多的基坑工程[1]。由于基坑工程涉及巖土和結(jié)構(gòu)工程，基坑工程的安全性成為基坑設(shè)計、施工監(jiān)測中關(guān)注的重點。針對地鐵及高層建筑的深基坑，國內(nèi)已積累了豐富的工程設(shè)計經(jīng)驗和相對成熟的結(jié)構(gòu)計算方法，并將之應(yīng)用于明挖公路隧道深基坑工程的設(shè)計[2]。然而，明挖公路隧道基坑深度大多在13 m以下，較地鐵及高層建筑基坑淺得多，僅依靠以往工程設(shè)計經(jīng)驗是偏保守的，片面的。在基坑安全監(jiān)測過程中，需要掌握單排樁支護結(jié)構(gòu)變形、周邊地表沉降及支撐軸力等特性。為此，需對明挖公路隧道支護結(jié)構(gòu)進行受力分析，探明其最不利荷載工況、結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及基坑影響范圍周邊地表沉降量，以期能夠為基坑安全監(jiān)測提供有力的技術(shù)支撐。

1 排樁支護結(jié)構(gòu)分析原理

1.1 基本假設(shè)

a）單排樁水平荷載計算寬度取樁的中心距。

b）基坑外側(cè)水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值eaik參考規(guī)程[3]第3.4.1條規(guī)定。

c）考慮放坡對主動土壓力的影響，采用文獻[4]中的處理方法，即將放坡等效為荷載。

d）支護結(jié)構(gòu)剛度折減系數(shù)取0.85[3]。

1.2 計算原理

排樁支護結(jié)構(gòu)的計算方法采用彈性支點法，即把支撐作為一個彈性支點，對彈性地基梁的微分方程進行求解，地基土抗力按m法計算[5]。

抗傾覆安全系數(shù)按式（1）進行計算。

式中：Ks為抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)；Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩,對于內(nèi)支撐支點力由內(nèi)支撐抗壓力決定;對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

1.3 施工階段模擬

a）開挖過程 荷載增量為主動側(cè)土壓力的增量、被動側(cè)土體彈性作用由于開挖而造成的剛度損失以及主動側(cè)土體彈性作用卸載后的土反力[6]；支撐由支撐彈性作用和開挖面以下的土體彈性作用組成。

b）加撐過程 荷載增量為加在該支撐上的預(yù)加力，支承由其他支撐彈性作用、開挖面以下土體彈性作用以及主動側(cè)土體彈性作用組成。

2 工程概況

某明挖公路隧道基坑開挖深度12.95 m，開挖至3.4 m時設(shè)一道橫向支撐，考慮汽車荷載作用，在此取為20 kN/m，基坑橫斷面圖如圖1所示，巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)表

圖1 基坑橫斷面 （單位：m）

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 土壓力計算

土壓力采用經(jīng)典法土壓力模型，如圖2所示。

3.2 施工工況劃分

施工過程劃分為以下3個工況，如表2所示。

圖2 土壓力計算模型

表2 施工工況

3.3 結(jié)構(gòu)計算

對各施工工況內(nèi)力及變形進行求解，得到各工況下的單排樁支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形情況，具體如圖3～圖6所示。

圖3 工況1

圖4 工況2

圖5 工況3

圖6 地表沉降圖

由圖3～圖7可以看出，基坑在施工過程中最不利工況為工況3即設(shè)一道橫撐后基坑開挖至12.95 m的施工階段，排樁最大水平位移達到33 mm，橫向支撐最大軸力達到1 062 kN，有必要對該工況進行重點監(jiān)測。

3.4 穩(wěn)定性驗算

3.4.1 整體穩(wěn)定驗算

圖7 整體穩(wěn)定驗算 （單位：m）

計算方法采用瑞典條分法，應(yīng)力狀態(tài)按總應(yīng)力法計算，如圖7所示。其中，條分法中的土條寬度：1.00 m，整體穩(wěn)定安全系數(shù) Ks=1.053，圓弧半徑R=15.299 m，圓心坐標(biāo) X=-0.280 m，圓心坐標(biāo)Y=12.188 m。

3.4.2 抗傾覆穩(wěn)定性驗算

抗傾覆安全系數(shù)：

式中：Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩,對于內(nèi)支撐支點力由內(nèi)支撐抗壓力決定，對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

工況1：

Ks=10.690≥1.200,滿足規(guī)范要求。

工況2：

Ks=16.754≥1.200,滿足規(guī)范要求。

工況3：

Ks=1.786≥1.200,滿足規(guī)范要求。

安全系數(shù)最小的工況號：工況3。

最小安全系數(shù)Ks=1.786≥1.200，能夠滿足規(guī)范要求。

通過對單排樁支護結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、基坑影響范圍周邊地表沉降、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性進行分析，可得到支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力、支護頂水平位移、基坑影響范圍周邊地表沉降量，為基坑安全監(jiān)測提供了預(yù)警限值，為基坑施工過程安全監(jiān)控提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

a）基坑在施工過程中最不利工況為設(shè)一道橫撐后基坑開挖至12.95 m的施工階段，排樁最大水平位移達到33 mm，橫向支撐最大軸力達到1 062 kN。

b）單排樁支護結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、基坑影響范圍周邊地表沉降分析結(jié)果，可為基坑支護結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測提供預(yù)警限值。