徐耀燈

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

緊鄰鐵路既有線的基坑施工不可避免會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，在確?；臃€(wěn)定性的基礎(chǔ)上，如何方便施工的同時(shí)減少基坑位移和變形是必須考慮的重要因素。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有便于施工、控制變形能力強(qiáng)、前后排樁布置靈活的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種形式的基坑。以杭州火車東站新塘路地下通道基坑設(shè)計(jì)為例，對(duì)丁字式布置雙排樁的情況分別采用彈性法和有限元法計(jì)算，介紹雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用情況。

1 工程實(shí)例

新塘路地下通道下穿杭州火車東站東西廣場(chǎng)，根據(jù)施工進(jìn)度安排，需要在既有線附近開挖基坑?；游挥诩扔袌?chǎng)以西，場(chǎng)地整平地面高程7.5 m，站場(chǎng)路基面高程8.1 m，基坑深度11.5 m，寬32.4 m，順道路方向延伸。場(chǎng)地地貌屬錢塘江沖海積平原，表層為人工填土，其下為粉土和粉砂，再下為淤泥質(zhì)土，底層為細(xì)圓礫土，各土層物理力學(xué)指標(biāo)及計(jì)算參數(shù)取值見表1。

地基上部主要為粉土和粉砂，坑底位于粉砂層，地下水位距地表約0.5 m。地基下部的淤泥質(zhì)土層厚度較大，工程地質(zhì)條件較差，給基坑的設(shè)計(jì)帶來很大難度。在基坑開挖之前采用PHC500型管樁加固處理，樁位縱橫間距均為1.6 m，樁長(zhǎng)以進(jìn)入穿越淤泥質(zhì)土層進(jìn)入其下持力層深度0.5 m控制。管樁地基處理一方面提高了地基土承載力，也使得主體結(jié)構(gòu)的工后沉降得以控制，保證了地下通道上方杭州火車東站站場(chǎng)范圍路基的穩(wěn)定。

表1 土層物理參數(shù)

2 基坑支護(hù)方案

新塘路地下通道基坑工程臨近既有營運(yùn)鐵路線，且基坑深度較大，保證鐵路線路的安全，控制線路路基的位移是基坑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)?；映书L(zhǎng)條形，兩側(cè)采用鉆孔咬合樁加設(shè)橫向?qū)蔚膰o(hù)體系，整體穩(wěn)定性較強(qiáng)，而基坑端部無法設(shè)縱向內(nèi)撐，且基坑端部距鐵路既有線20 m，若設(shè)置拉錨對(duì)錨桿的長(zhǎng)度要求較大，則受制于鐵路路基與基坑的距離，故考慮其他懸臂支護(hù)方案。目前單排樁的計(jì)算目前已較為成熟，但其圍護(hù)屬于懸臂式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較小，計(jì)算顯示樁頂位移較大，對(duì)于基坑深度在10 m以上，其位移控制很難達(dá)到鐵路線路要求。雙排樁的前后排樁同時(shí)受力，且前后排樁與剛性冠梁之間形成一個(gè)門式剛架結(jié)構(gòu)，整體剛度較大，對(duì)位移控制效果明顯。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，本基坑的鐵路端圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用丁字式布置雙排樁，在控制結(jié)構(gòu)變形的基礎(chǔ)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)工程效益的最大化。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置情況如下:前后排樁均采用直徑1.0 m鉆孔灌注樁，前排樁間距為1.2 m，后排樁間距為2.4 m，排距為4.0 m，兩排樁間設(shè)雙排水泥攪拌樁止水帷幕，攪拌樁樁長(zhǎng)19 m，進(jìn)入坑底約7 m，冠梁截面為1.4 m×0.8 m，連梁截面為1.4 m×0.8 m，雙排樁冠梁端部與基坑兩側(cè)圍護(hù)樁的冠梁連為整體，見圖1、圖2。

圖1 基坑平面布置(單位:cm)

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面(單位:cm)

3 計(jì)算與分析

排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究主要有經(jīng)典法、彈性法和有限元法，有關(guān)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理，許多專家學(xué)者提出了不同的計(jì)算模型，各種模型在實(shí)際應(yīng)用中也各有優(yōu)缺點(diǎn)。雙排樁的前后排樁布置靈活，在《建筑基坑支護(hù)規(guī)程》(JGJ 120－2012)中給出了矩形布置雙排樁的計(jì)算方法，其他布置形式并未介紹，在工程應(yīng)用中需進(jìn)一步推導(dǎo)。對(duì)于丁字式排列雙排樁采用體積比例系數(shù)法的計(jì)算作如下考慮:基坑深H，雙排樁排距L，取L0=H tg(45°－φ/2)，前后排樁均有主動(dòng)土壓力σa，按滑動(dòng)體重量比例關(guān)系來確定樁間土在前后排樁的分擔(dān)系數(shù)α，樁間土對(duì)前后排樁產(chǎn)生土壓力α·σa，根據(jù)力的平衡，主動(dòng)土壓力計(jì)算公式為

后排樁Pab=(1－α)σa;前排樁 Paf=(1+α)σa;

對(duì)被動(dòng)土壓力同樣有:

后排樁 Pab=(1－α)σp;前排樁 Paf=(1+α)σp。

其中分擔(dān)系數(shù)α:

當(dāng)L/L0≤1時(shí)，α=2L/L0－(L/L0)^2;當(dāng) L/L0＞1時(shí)，α =1。

實(shí)際基坑支護(hù)為三維結(jié)構(gòu)，在平面計(jì)算軟件中對(duì)冠梁側(cè)向剛度K作如下考慮:

式中L為冠梁長(zhǎng)度，a為計(jì)算點(diǎn)至梁端的距離，EI為冠梁橫截面剛度。

由于前后排樁頂冠梁間的連梁剛度較大，可視為剛接，有關(guān)樁的內(nèi)力與變形可按結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算方法，在結(jié)構(gòu)所受的土壓力確定之后計(jì)算得出。

根據(jù)以上計(jì)算原則，利用理正深基坑軟件計(jì)算。由于地下水對(duì)基坑的影響很大，在計(jì)算過程中模擬工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮基坑外側(cè)降水在地面下6 m，坑內(nèi)降水在基坑底下1 m。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。在基坑開挖到底的工況中，前排樁變形較大，樁頂水平位移18 mm，最大水平變形在基坑以下7 m位置，約24 mm。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，現(xiàn)場(chǎng)沿樁頂冠梁長(zhǎng)度方向的1/3位置共布設(shè)兩個(gè)深層土體位移測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位于后排樁之后?；娱_挖到底之后土體的實(shí)測(cè)位移值如圖4所示。結(jié)果顯示樁頂附近地面下0.5 m的水平位移約25 mm，土體的最大水平位移在地面下5 m左右，約31 mm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)對(duì)比可知，對(duì)于基坑開挖面以上部分，計(jì)算的前排樁變形與實(shí)測(cè)土體水平位移較接近;而在地基的深層土體位移指標(biāo)上后排樁的變形與實(shí)測(cè)土體水平位移較接近，計(jì)算結(jié)果較能反映土體的整體情況。

平面計(jì)算軟件計(jì)算長(zhǎng)條形的基坑較為準(zhǔn)確，但對(duì)一些邊界條件較為復(fù)雜和特殊的情況，不能做到精確模擬整個(gè)體系的變形分布，往往只能通過增加剛度限制條件或設(shè)定折減系數(shù)對(duì)基坑的特定斷面進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。本基坑的邊界條件相對(duì)復(fù)雜，在已有平面模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步復(fù)核基坑的變形情況，采用midas/GTS有限元分析軟件對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模擬。在有限元計(jì)算過程中，對(duì)土體采用實(shí)體建模，屈服準(zhǔn)則采用常用的摩爾－庫倫本構(gòu)模型，圍護(hù)樁采用彈性體本構(gòu)模型，同時(shí)由于地基采用管樁加固，對(duì)被動(dòng)區(qū)土體強(qiáng)度提高很大，計(jì)算時(shí)對(duì)相應(yīng)土層的彈性模量進(jìn)行了提高。受節(jié)點(diǎn)限制，模型的邊界條件根據(jù)力學(xué)規(guī)則加以合理簡(jiǎn)化，對(duì)模型底部及外側(cè)設(shè)置固定邊界模擬無限遠(yuǎn)，在建模時(shí)利用對(duì)稱性取基坑的半結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，在對(duì)稱軸處加上相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，施工工況考慮一次開挖到底，其余參數(shù)取值同表1，計(jì)算模型如圖5所示。

圖3 理正雙排樁計(jì)算結(jié)果

圖4 實(shí)測(cè)土體水平位移

圖5 Midas/GTS計(jì)算模型

圖6 Midas/GTS水平位移計(jì)算結(jié)果

軟件分析控制主要考慮施工階段，計(jì)算結(jié)果見圖6。由圖6可知，離基坑邊越近土體的水平位移越大，較遠(yuǎn)處水平位移很小。本工程鐵路線位遠(yuǎn)離基坑邊約20 m，鐵路既有線位置位移約5 mm，滿足鐵路線路的監(jiān)測(cè)要求。顯示樁頂附近土體位移約10 mm，在基坑外后排樁位置底部土體的水平位移最大約30 mm，深層土體位移較大約20 mm。以上結(jié)果表明，三維模擬計(jì)算的基坑上部數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為符合，能反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的真實(shí)情況，基坑下部的土體位移則與實(shí)際情況相差較大，主要與第四層淤泥質(zhì)土的加固改善效果密切相關(guān)。整體來說，三維有限元分析對(duì)基坑的位移變形與應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律是符合客觀實(shí)際的。

4 結(jié)束語

雙排樁支護(hù)體系的前后排樁在頂部連梁作用下協(xié)同受力，其受力性狀較為復(fù)雜，而軟土地區(qū)的土層開挖時(shí)具有較強(qiáng)的時(shí)空效應(yīng)，在基坑設(shè)計(jì)時(shí)需考慮現(xiàn)場(chǎng)各種影響因素，采取相應(yīng)對(duì)策;在計(jì)算過程中需盡可能模擬工程實(shí)際情況，以達(dá)到計(jì)算結(jié)果能指導(dǎo)基坑作業(yè)全過程的目的。

從現(xiàn)場(chǎng)情況發(fā)現(xiàn)，冠梁出現(xiàn)豎向輕微裂縫，工程中應(yīng)加強(qiáng)樁頂與連梁的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，減少裂縫產(chǎn)生;結(jié)構(gòu)的整體位移和變形很小，滿足鐵路運(yùn)營線路的要求，本基坑支護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn)可供類似基坑工程借鑒。

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