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        土巖組合地層蓋挖法車(chē)站“吊腳樁”基坑設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

        2015-03-28 12:43:50田海光
        隧道建設(shè)(中英文) 2015年7期
        關(guān)鍵詞:吊腳彎矩寬度

        田海光

        (中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)

        0 引言

        不同于上海、北京地區(qū),青島地區(qū)的地質(zhì)狀況為上覆層較薄,且多為覆沖積、洪積或填土層,向下不深即到達(dá)大規(guī)模的侵入嶗山花崗巖。這種獨(dú)特的沿海山地丘陵地形在國(guó)內(nèi)地鐵基坑建設(shè)中未有先例,可參考借鑒的經(jīng)驗(yàn)極少。對(duì)于青島“上軟下硬”的地質(zhì)狀況,即土巖組合地層,在該地層下施工較深的基坑要考慮經(jīng)濟(jì)性及方便施工等因素[1],所以,端承樁或支護(hù)樁嵌入中風(fēng)化甚至微風(fēng)化花崗巖巖石的深度不需要很大。在開(kāi)挖到基坑底部時(shí)向上看,支護(hù)樁的底部其實(shí)在基底以上數(shù)米,其樁腳好似吊在半空中,稱(chēng)這種樁為“吊腳樁”,其實(shí)質(zhì)是有1道樁腳錨索[2-3]來(lái)增加穩(wěn)定性的樁錨支護(hù)體系。

        目前,對(duì)“吊腳樁”的支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算一般是采用傳統(tǒng)方法與有限元相結(jié)合的方法。即采用傳統(tǒng)的樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)方法在開(kāi)挖到土巖交界面時(shí)確定樁的嵌巖深度,再采用有限元法模擬變形和內(nèi)力,在滿(mǎn)足基坑變形要求的前提下,調(diào)整相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù),滿(mǎn)足樁錨支護(hù)體系的變形穩(wěn)定,之后進(jìn)行下層巖體的開(kāi)挖。另外,對(duì)受豎向力狀態(tài)下的“吊腳樁”穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究,以期形成設(shè)計(jì)計(jì)算理論,使該類(lèi)“吊腳樁”的設(shè)計(jì)有理可依,從而促進(jìn)“吊腳樁”的發(fā)展和使用。

        王明龍等[4]采用FLAC3D軟件對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同工況下的受力特性進(jìn)行了模擬與研究,討論了樁的受力變化規(guī)律;徐凡力等[5]介紹了正確選擇桿系有限元法的計(jì)算方法,指出了設(shè)計(jì)人員通常存在和易產(chǎn)生的一些錯(cuò)誤;劉紅軍等[6]使用有限元數(shù)值軟件模擬了土巖組合地層下“吊腳樁”的施工過(guò)程,選取一些影響因素進(jìn)行具體分析,并對(duì)其設(shè)計(jì)方法和穩(wěn)定性進(jìn)行研究;陳芳[7]推導(dǎo)了考慮巖體穩(wěn)定性的深基坑支護(hù)樁嵌巖深度計(jì)算公式,認(rèn)為支護(hù)樁嵌巖深度與巖體性質(zhì)密切相關(guān);徐濤等[8]結(jié)合廣州地鐵沙河站—天平架站盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)井工程實(shí)例,對(duì)“上軟下硬”地質(zhì)背景的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“吊腳樁”圍護(hù)方案,將“吊腳樁”組合圍護(hù)體系分別采用彈性增量法計(jì)算分析,通過(guò)施工過(guò)程中位移和內(nèi)力的監(jiān)測(cè),證明方法是可行的;陳福全等[9]對(duì)黏性土預(yù)留土堤進(jìn)行了不排水有限元分析;包旭范等[10]對(duì)大型軟土基坑中心島法施工中土臺(tái)預(yù)留寬度進(jìn)行了研究。另外,趙文強(qiáng)[11]以青島地鐵某長(zhǎng)條形基坑為載體,結(jié)合支護(hù)方案采用彈性抗力法和等效被動(dòng)土壓力法分別對(duì)上部樁撐(錨)體系和下部巖石邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究;朱丹暉[12]采用吊腳樁+超前微型鋼管樁支護(hù)體系,經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的反饋,使支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi);鄧春海等[13]根據(jù)青島市特殊的地層及基坑案例,對(duì)長(zhǎng)螺旋吊腳樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算和應(yīng)用進(jìn)行了介紹和分析,表明該支護(hù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)有嵌固支護(hù)樁一樣能有效控制基坑變形;李寧寧等[14]研究了吊腳樁2個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)(樁體嵌巖深度和鎖腳錨索預(yù)加力)對(duì)支護(hù)體系的影響規(guī)律,可為今后的工程實(shí)踐提供參考。

        對(duì)于土巖組合地層的樁錨支護(hù)設(shè)計(jì),國(guó)內(nèi)已有學(xué)者做了大量的研究,但對(duì)于蓋挖法施工工法下的“吊腳樁”支護(hù)體系設(shè)計(jì)卻鮮有先例。針對(duì)青島地區(qū)土巖組合地層條件,有必要對(duì)其相關(guān)的“吊腳樁”支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究,即對(duì)吊腳樁的2個(gè)重要參數(shù)(嵌巖深度和巖肩寬度)進(jìn)行研究,以期達(dá)到節(jié)省成本并保證安全的目的。目前,“吊腳樁”的設(shè)計(jì)和計(jì)算理論還不成熟,有待對(duì)半理論半經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入論證,以提出更合理的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,從而使后續(xù)同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)分析有據(jù)可依。

        1 有限元模擬

        1.1 幾何模型

        本研究中選取青島地鐵五四廣場(chǎng)站典型剖面SS進(jìn)行分析(見(jiàn)圖1),其中,S-S剖面在基坑中的位置如圖2所示,使用PLAXIS[14-16]建立模型。

        圖1 S-S剖面圖Fig.1 S-S profile

        圖2 S-S剖面在五四廣場(chǎng)站的位置平面圖Fig.2 Location of S-S profile in May Fourth Square station

        有限元軟件PLAXIS(由Delft Technical University研制)功能強(qiáng)大、界面友好、建模簡(jiǎn)單。該軟件可以很好地模擬較為復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,進(jìn)行全自動(dòng)和局部加強(qiáng)的網(wǎng)格剖分;同時(shí),它還可以參照固結(jié)理論,計(jì)算土層在固結(jié)過(guò)程中的水平位移、超孔隙水壓力、有效應(yīng)力及沉降等。PLAXIS軟件常用于的2種實(shí)際工程計(jì)算問(wèn)題一般是軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題或平面應(yīng)變問(wèn)題。通過(guò)設(shè)置合理的模型和正確的地層參數(shù),結(jié)合該軟件對(duì)板單元、土體、梁?jiǎn)卧?、錨桿、樁土接觸面、土工織物的模擬,可以對(duì)具體到某一工程的“吊腳樁”支護(hù)體系模擬分部開(kāi)挖和施工過(guò)程,分析各個(gè)結(jié)構(gòu)、因素對(duì)變形和支護(hù)效果的影響。

        1.2 有限元模型

        1.2.1 平面尺寸

        根據(jù)基坑平面尺寸大小及工程地質(zhì)條件,選擇吊腳樁典型支護(hù)結(jié)構(gòu)S-S剖面建立平面有限元模型。S-S剖面基坑的開(kāi)挖深度為20.0 m,初步模擬取離開(kāi)挖面邊界外50 m為外側(cè)水平向影響范圍,基坑在X方向上的長(zhǎng)度選取為75.00 m,在Y方向上選取50.00 m,所建立的計(jì)算域取75.00 m×50.00 m。

        1.2.2 邊界條件

        模型的邊界約束條件為:模型底面對(duì)所有節(jié)點(diǎn)施加約束X、Y方向自由度的支承;模型左側(cè)及右側(cè)對(duì)所有節(jié)點(diǎn)施加約束X方向自由度的支承。

        1.2.3 網(wǎng)格劃分

        PLAIXS中的網(wǎng)格單元基本類(lèi)型包括15節(jié)點(diǎn)三角形單元、6節(jié)點(diǎn)三角形單元及模擬結(jié)構(gòu)物的特殊單元。其中,對(duì)錨桿錨固段以及巖石錨桿等可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方進(jìn)行加密網(wǎng)格,共劃分1 668個(gè)單元,14 171個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型見(jiàn)圖3。

        1.3 材料參數(shù)的選取

        根據(jù)工程勘察報(bào)告,為了便于計(jì)算,對(duì)土層進(jìn)行一定簡(jiǎn)化后的巖土體模型參數(shù)取值見(jiàn)表1。

        圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

        1.4 計(jì)算分析工況

        采用彈塑性計(jì)算,分步施工。實(shí)際施工時(shí),為開(kāi)挖一層土或巖石(2 m左右),支護(hù)一層,因此,按照實(shí)際施工工況,開(kāi)挖一步,支護(hù)一步,在模型中進(jìn)行相應(yīng)的工況定義。施工步序如表2所示。

        表1 各層巖土體模型計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of different strata

        表2 分步施工工況Table 2 Construction steps

        2 “吊腳樁”支護(hù)體系變形與內(nèi)力分析

        2.1 “吊腳樁”支護(hù)體系變形分析

        圖4為不同工況下吊腳樁的樁身水平位移曲線(xiàn)。由圖4可以看出:在開(kāi)挖至2 m深度時(shí),吊腳樁為明顯的懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu),樁頂水平位移最大,為2.05 mm,而基巖面以下水平位移非常小,幾乎為0;第1道錨桿YMG1施工后,由于施加了較大的預(yù)應(yīng)力,樁體水平位移發(fā)生了較大改變,樁頂由原來(lái)向坑內(nèi)的水平位移變?yōu)橄蚩油獾乃轿灰?,且變化量較大;隨著開(kāi)挖深度的增大,開(kāi)挖至5 m時(shí),由于墻后的主動(dòng)土壓力作用,樁體水平位移重新變?yōu)橄蚩油?當(dāng)開(kāi)挖至基巖面以下8 m后,隨著開(kāi)挖深度的加大,樁身位移的變化主要發(fā)生在基巖面以下,而其上的水平位移基本不變,分析可能是由于預(yù)留巖肩寬度較小,提供的嵌固力有限;當(dāng)開(kāi)挖至20 m深度,即基坑底部時(shí),樁腳水平位移達(dá)到最大值的1.97 mm。另外,隨著開(kāi)挖深度的增加,吊腳樁樁底的水平位移也在不斷增加,當(dāng)鎖腳錨桿YMG3施工后,樁腳位移比開(kāi)挖8 m時(shí)明顯縮小,證明有預(yù)應(yīng)力的鎖腳錨桿對(duì)控制吊腳樁樁底水平位移起到了較大作用。從開(kāi)挖至基巖面附近到開(kāi)挖至基坑底,期間吊腳樁樁底水平位移增加較小,只有1 mm左右,說(shuō)明盡管吊腳樁嵌入中風(fēng)化巖中的深度只有2.0 m,但嵌入深度以下部分也對(duì)吊腳樁樁底起到了一定的約束作用。

        圖4 吊腳樁樁身水平位移隨施工工況變化曲線(xiàn)Fig.4 Curves of horizontal displacement of end-suspended pile Vs construction steps

        2.2 “吊腳樁”內(nèi)力分析

        樁身彎矩和剪力在不同工況下的變化規(guī)律如圖5和圖6所示。

        圖5 吊腳樁樁身彎矩隨工況變化曲線(xiàn)Fig.5 Curves of bending moment of end-suspended pile Vs construction steps

        圖6 吊腳樁樁身剪力隨工況變化曲線(xiàn)Fig.6 Curves of shear force of end-suspended pile Vs construction steps

        由圖5和圖6可知:隨著開(kāi)挖深度的增加,施工預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)于吊腳樁上部2 m范圍內(nèi)的彎矩及剪力幾乎沒(méi)有影響,這是由于樁頂?shù)?排預(yù)應(yīng)力錨桿數(shù)值較大,控制了樁體的變形;彎矩最大值發(fā)生在第1道錨桿和臨時(shí)支撐之間4 m左右的位置,故下部錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)最大彎矩的影響較小;施工樁腳錨桿以后,彎矩及剪力在嵌巖部分都瞬間由正值變?yōu)樨?fù)值;從開(kāi)挖樁腳以下直至開(kāi)挖到基坑底,彎矩值整體呈減小趨勢(shì),而嵌巖面處的剪力也隨著開(kāi)挖深度的增大而不斷減小;隨著基坑開(kāi)挖深度的增加,吊腳樁樁身最大彎矩的位置不斷下移,說(shuō)明樁腳錨桿發(fā)揮了一定作用。

        3 “吊腳樁”嵌巖深度與預(yù)留巖肩寬度的研究

        3.1 嵌巖深度對(duì)吊腳樁變形及受力的影響

        爆破施工時(shí)可能會(huì)破壞預(yù)留巖肩,從而影響到樁體的嵌巖深度,所以在設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)增大吊腳樁的嵌巖深度。該工程選擇吊腳樁的嵌巖深度分別為1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 m,保持其他因素不變,不斷變化吊腳樁嵌入中風(fēng)化花崗巖中的深度,討論嵌巖深度對(duì)吊腳樁變形和受力的影響。圖7和圖8為吊腳樁水平位移和樁身彎矩隨嵌巖深度變化曲線(xiàn)。

        由圖7和圖8可知:基巖面以上的樁身彎矩隨嵌巖深度變化不大;基巖面以下,在嵌巖深度2.0 m范圍內(nèi)負(fù)彎矩逐漸增大,而當(dāng)嵌巖深度為2.5 m時(shí)變?yōu)檎龔澗?隨著吊腳樁嵌巖深度的增加,吊腳樁樁頂水平位移逐漸減小,當(dāng)嵌巖深度大于2.0 m時(shí),樁頂水平位移隨嵌巖深度加大的變化不再明顯。說(shuō)明該地層條件下,吊腳樁最優(yōu)嵌巖深度為2.0 m,由于巖層開(kāi)挖功效低,成本高,再加大嵌巖深度,只能增加工期和施工費(fèi)用,對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形幫助不大。

        圖7 吊腳樁水平位移隨嵌巖深度變化曲線(xiàn)Fig.7 Curves of horizontal displacement of end-suspended pile Vs rock-socketed depth

        圖8 吊腳樁樁身彎矩隨嵌巖深度變化曲線(xiàn)Fig.8 Curves of bending moment of end-suspended pile Vs rocksocketed depth

        3.2 巖肩寬度對(duì)吊腳樁變形及受力的影響

        預(yù)留巖肩寬度對(duì)吊腳樁穩(wěn)定性至關(guān)重要。本工程選取巖肩寬度分別為0.5,1.0,1.5,2.0 m,保持其他因素不變,分析巖肩寬度對(duì)吊腳樁樁身最大正水平位移和樁身正彎矩的影響。圖9和圖10為吊腳樁水平位移和樁身彎矩隨巖肩寬度變化曲線(xiàn)。

        分析圖9和圖10可以看出:隨著巖肩寬度的增加,吊腳樁樁身水平位移整體減小,樁腳水平位移呈現(xiàn)近似于線(xiàn)性減小的趨勢(shì),在2.0 m的寬度范圍內(nèi),尚未出現(xiàn)不穩(wěn)定的趨勢(shì);吊腳樁樁身最大正彎矩呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),樁身最大正彎矩出現(xiàn)在第1排預(yù)應(yīng)力錨桿YMG1和臨時(shí)支撐之間;吊腳樁嵌巖處負(fù)彎矩隨著巖肩寬度的增加而逐漸增加,且最大負(fù)彎矩出現(xiàn)的位置不斷向嵌巖處靠近。

        圖9 吊腳樁水平位移隨巖肩寬度變化曲線(xiàn)Fig.9 Curves of horizontal displacement of end-suspended pile Vs rock shoulder width

        圖10 吊腳樁樁身彎矩隨巖肩寬度變化曲線(xiàn)Fig.10 Curves of bending moment of end-suspended pile Vs rock shoulder width

        4 有豎向荷載的“吊腳樁”研究

        土巖組合地區(qū)吊腳樁往往扮演圍護(hù)結(jié)構(gòu)的角色,而地鐵蓋挖法車(chē)站施工對(duì)其功能提出了新的要求:在恢復(fù)路面后,承受一部分由鋼蓋板、車(chē)流所帶來(lái)的豎向荷載。故本文依托五四廣場(chǎng)車(chē)站,模擬研究吊腳樁在豎向荷載下的受力和變形情況。

        PLAXIS軟件中對(duì)豎向荷載的添加有2種方式:施加1個(gè)地面的分布荷載或者在樁頂施加1個(gè)集中荷載。本文選取后一種方式,根據(jù)分析,將車(chē)流及鋼蓋板在樁頂?shù)牡刃Ш奢d設(shè)定為60 kPa。

        圖11和圖12為吊腳樁水平位移和樁身彎矩在有無(wú)豎向荷載情況下的對(duì)比圖。

        圖11 樁身水平位移在有無(wú)荷載下的對(duì)比圖Fig.11 Horizontal displacement of end-suspended pile with vertical load Vs that without vertical load

        圖12 樁身彎矩在有無(wú)荷載下的對(duì)比圖Fig.12 Bending moment of end-suspended pile with vertical load Vs that without vertical load

        分析圖11和圖12可知:由于樁腳嵌入中風(fēng)化花崗巖,嵌巖面以下的部分無(wú)論有無(wú)豎向荷載都變化不大;樁頂位移同無(wú)豎向荷載一樣,都隨開(kāi)挖深度的增加而加大,但相較于無(wú)豎向荷載,其數(shù)值明顯增大;有荷載情況下,樁身彎矩稍有增大,但變化值極小。

        圖13為樁頂沉降隨開(kāi)挖深度變化圖。從圖13中可以看出:隨著開(kāi)挖深度的加大,樁頂沉降不斷增加。開(kāi)挖基巖面之前,樁頂沉降較小;開(kāi)挖至基巖面9~12 m期間,樁頂沉降變化幅度最大;而后一直到開(kāi)挖至基坑底,樁頂沉降增加不明顯。整體而言,有豎向荷載情況下樁頂位移較無(wú)荷載增加顯著,且主要表現(xiàn)在開(kāi)挖基巖面之后,但最大沉降也僅有1.4 mm,這與該地層土層很薄、基巖面較淺不無(wú)關(guān)系。

        圖13 樁頂沉降隨開(kāi)挖深度變化圖Fig.13 Curves of pile top settlement Vs cutting depth

        5 結(jié)論與討論

        本文選取青島地鐵3號(hào)線(xiàn)五四廣場(chǎng)站具有代表性的地層為背景,考慮基坑分步開(kāi)挖過(guò)程,利用有限元方法的優(yōu)勢(shì),計(jì)算分析了嵌巖深度和巖肩寬度對(duì)吊腳樁變形和內(nèi)力的影響規(guī)律。主要結(jié)論為:

        1)隨著開(kāi)挖深度的增加及錨桿的施工,吊腳樁樁底的水平位移在不斷增加,說(shuō)明吊腳樁預(yù)應(yīng)力鎖腳錨桿對(duì)控制樁底水平位移起到了較大作用。

        2)隨著嵌巖深度的增加,吊腳樁最大位移有所減小,但變化值很小。從計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)看,巖肩寬度取1.0 m已足夠,實(shí)際施工中一般巖肩寬度按照1.5 m控制,采取控制措施(如松動(dòng)爆破方法、嚴(yán)格限制一次單段最大起爆藥量、采用微差爆破技術(shù)減震、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爆破振動(dòng)對(duì)周邊支護(hù)體系的影響等),保證爆破對(duì)巖肩造成松動(dòng)后仍然有1 m的有效寬度。

        3)由于樁腳嵌入中風(fēng)化花崗巖,嵌巖面以下部分無(wú)論有無(wú)豎向荷載都變化不大。樁頂位移同無(wú)豎向荷載一樣,都隨開(kāi)挖深度的增加而加大,但相較于無(wú)豎向荷載,其數(shù)值明顯增大。有荷載情況下,樁身彎矩稍有增大,但變化值極小。

        本文針對(duì)青島地區(qū)土巖組合地層條件下地鐵車(chē)站“吊腳樁”支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究,對(duì)類(lèi)似地層條件下基坑支護(hù)設(shè)計(jì)有一定的參考意義。但文章暫未深入研究鎖腳錨桿預(yù)應(yīng)力大小對(duì)“吊腳樁”支護(hù)體系的影響,這將是下一步的研究重點(diǎn),并將跟蹤工程施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)該優(yōu)化方法進(jìn)行完善。

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