徐傳堡 周沛棟 李卓勛 張文雨 李志云

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510635；3.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510640）

0 引言

為降低重要供水工程周邊項(xiàng)目建設(shè)對(duì)供水水質(zhì)及輸水結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)，往往需要設(shè)置管理及保護(hù)范圍。對(duì)無(wú)法避免位于供水箱涵或隧洞保護(hù)范圍內(nèi)的新建項(xiàng)目，需評(píng)估項(xiàng)目建設(shè)對(duì)供水箱涵結(jié)構(gòu)的影響。

對(duì)于新建道路或高層建筑等項(xiàng)目，由于新建場(chǎng)地地坪較高，道路邊坡或基坑開(kāi)挖需設(shè)置垂直支護(hù)，此時(shí)較多采用樁基–擋墻組合式支擋結(jié)構(gòu)以降低施工期對(duì)供水箱涵的影響，同時(shí)支擋結(jié)構(gòu)將作為項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期永久結(jié)構(gòu)的一部分。

樁基–擋墻組合式支擋結(jié)構(gòu)作為一種新型支擋結(jié)構(gòu)，其計(jì)算方法仍不完善?，F(xiàn)有方法主要包括樁基–擋墻分離式計(jì)算法、平面或空間剛架法、數(shù)值分析方法等。

分離式計(jì)算方法需滿足一定的計(jì)算條件，且由于未考慮樁基與擋墻變形協(xié)調(diào)，具有一定局限性。平面或空間剛架法屬于地下結(jié)構(gòu)分析最常采用的“荷載–結(jié)構(gòu)”分析方法，其荷載及邊界條件明確，計(jì)算分析穩(wěn)定，是目前最常用的計(jì)算方法[1?3]。當(dāng)需要考慮復(fù)雜邊界條件，如特殊性巖土、或流–固、熱–力耦合時(shí)，則需要采用數(shù)值分析方法[4?5]。

本文針對(duì)既有箱涵周邊新建的樁基–擋墻組合式支擋結(jié)構(gòu)，提出采用“整體剛架”及“支護(hù)開(kāi)挖”兩種計(jì)算模型分析支擋結(jié)構(gòu)自身的受力及變形。同時(shí)在確保支擋結(jié)構(gòu)自身安全的前提下，采用數(shù)值方法分析項(xiàng)目建設(shè)對(duì)周邊供水箱涵的影響。

1 工程實(shí)例分析

以某工程中采用的樁基–“Z”型懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)為例，設(shè)計(jì)采用灌注樁–懸臂式擋墻支護(hù)方案，灌注樁樁徑1.2 m，樁間距為2 m。由于擋墻上部填土較厚，方案于擋墻底板施作直徑600 mm、間距1.2 m 旋噴樁，旋噴樁長(zhǎng)度13 m，頂部超出卸荷板面0.5 m。旋噴樁頂部插入φ48×3.5 鋼管，間距1.2 m，鋼管長(zhǎng)度3 m，頂部超出卸荷板面0.5 m，同時(shí)對(duì)標(biāo)高36.4 m 以上的旋噴樁水泥漿液摻入微膨脹劑。

設(shè)計(jì)采用三排旋噴樁加固，樁排距為1.2 m，支擋結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖1、圖2。

圖2 樁基–懸臂式擋墻組合式支擋結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)圖

為降低新建項(xiàng)目對(duì)既有箱涵的影響，首先需要對(duì)樁基–擋墻結(jié)構(gòu)自身的受力變形進(jìn)行分析。針對(duì)此工程樁基–擋墻組合式支擋結(jié)構(gòu)，提出兩種計(jì)算模型，模型建立要點(diǎn)分述如下：

1.1 模型一

由于“Z 型”懸臂式擋墻與灌注樁由剛性帽梁連接，且懸臂式擋墻底板土體部分脫空，擋墻不能采用常規(guī)懸臂式擋墻方法進(jìn)行計(jì)算。故此計(jì)算模型考慮將上部“Z 型”懸臂式擋墻與下部灌注樁剛性連接進(jìn)行整體計(jì)算，稱之為“整體剛架模型”，計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 模型一：整體剛架模型

對(duì)于整體剛架模型中各構(gòu)件的截面特性：上部“Z 型”懸臂式擋墻的縱向截面寬度取為單寬，截面高度取設(shè)計(jì)截面墻厚。下部灌注樁可由剛度等效原則，將圓形樁截面換算為單寬且具有相應(yīng)截面高度的矩形截面墻板進(jìn)行計(jì)算。剛度等效原則見(jiàn)圖4，截面高度等效計(jì)算公式見(jiàn)式（1）、式（2）。

圖4 剛度等效計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中：D為基樁直徑，m；t為基樁沿?fù)鯄v向凈距，m；h0為等效為連續(xù)墻板的截面高度，m。

對(duì)于荷載條件：對(duì)上部懸挑梁取相應(yīng)填土及道路超載。懸臂式擋墻立板及底板受相應(yīng)回填土土壓力，由于懸臂式擋墻底板的卸荷作用，灌注樁后土壓力考慮卸荷板的土壓力折減[6]進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于邊界條件：考慮擋墻底板下設(shè)置的旋噴樁單樁承載力特征值滿足要求且設(shè)置了鋼管及微膨脹劑，擋墻底板下旋噴樁加固考慮為彈性支座，同時(shí)灌注樁樁底支承按鉸支考慮。灌注樁嵌固段長(zhǎng)度9 m，豎向每隔單位距離設(shè)置彈性支承，其側(cè)向剛度系數(shù)根據(jù)式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中，k為嵌固段彈性支座的側(cè)向剛度系數(shù)，kN/m3；m為地基水平或豎向抗力系數(shù)的比例系數(shù)，kN/m4，取值可參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330?2013）[7]附錄G；h為嵌固段支座處上覆土層厚度，m。

1.2 模型二

由于整體剛架模型中對(duì)擋墻下部旋噴樁加固采用彈性(彈簧)支座進(jìn)行模擬，支座的剛度系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，故模型二擬采用考慮更不利工況的支護(hù)開(kāi)挖模型，計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖5 模型二：支護(hù)開(kāi)挖模型

采用模型二計(jì)算時(shí)，計(jì)算中不考慮擋墻底板的強(qiáng)度驗(yàn)算，由于底板受力將對(duì)灌注樁樁頂產(chǎn)生有利彎矩，將底板的作用作為計(jì)算中的安全儲(chǔ)備。即在樁頂位置施加一個(gè)向坑外的水平集中力P進(jìn)行模擬，集中力大小由擋墻底板加腋處配筋截面所能承受的最大彎矩控制。

由于不考慮底板的強(qiáng)度驗(yàn)算，底板不作為卸荷板使用，下部土體土壓力不折減；將上部擋墻由剛度等效作為灌注樁考慮，連同下部灌注樁剛性連接，按支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)挖計(jì)算支擋結(jié)構(gòu)受力及變形，計(jì)算開(kāi)挖深度為擋墻頂至箱涵地面。

1.3 計(jì)算結(jié)果及分析

采用以上兩種計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 樁基–擋墻組合式支擋結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果（模型一）

表2 樁基–擋墻組合式支擋結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果（模型二）

通過(guò)改變模型一底板下旋噴樁形成彈性支座提供的剛度系數(shù)k，分析彈性支座參數(shù)取值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算樁頂與擋墻連接節(jié)點(diǎn)處位移x1及底板加腋處彎矩M1位置示意圖見(jiàn)圖6，不同剛度系數(shù)k對(duì)x1及M1影響結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖6 分析節(jié)點(diǎn)位移及彎矩位置示意圖

圖7 模型一中彈性支座參數(shù)對(duì)底板內(nèi)力及變形的影響

由圖7 可知：采用模型一計(jì)算時(shí)，在不考慮底板下土體豎向土反力的情況下，當(dāng)旋噴樁彈性支座剛度系數(shù)k=10000 kN/m 時(shí)，樁頂水平位移為13.1 mm，底板加腋處彎矩為690 kN·m；當(dāng)旋噴樁彈性支座剛度系數(shù)k=50000 kN/m 時(shí)，計(jì)算結(jié)果接近于鏈桿支座，此時(shí)樁頂水平位移為17.2 mm，底板加腋處彎矩為568 kN·m。以上計(jì)算結(jié)果表明：擋墻底板下旋噴樁的支承效果越好，對(duì)底板強(qiáng)度控制越有利，但相應(yīng)樁頂位移增大。

根據(jù)此工程擋墻實(shí)際配筋進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核發(fā)現(xiàn)，在不考慮擋墻底板下土反力作用時(shí)，此工程懸臂擋墻底板強(qiáng)度難以滿足要求，故采用模型二中不考慮底板強(qiáng)度驗(yàn)算的處理方式。

模型二計(jì)算結(jié)果表明：不考慮底板強(qiáng)度驗(yàn)算，僅將其作為抗力安全儲(chǔ)備，按最不利工況進(jìn)行計(jì)算，灌注樁強(qiáng)度及變形可滿足要求，且變形對(duì)供水箱涵影響較小。

模型二計(jì)算變形較模型一更大，原因是模型二未考慮原毛石擋墻的抗力作用，支護(hù)開(kāi)挖深度為擋墻頂至箱涵地面。采用模型二計(jì)算驗(yàn)證了在最不利工況下，灌注樁的強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足要求，地面變形對(duì)箱涵影響有限。實(shí)際工程中可參考以上兩種計(jì)算模型，取最不利結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2 擋墻施工及項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期對(duì)供水箱涵的影響分析

2.1 相互位置關(guān)系

既有供水箱涵與新建支擋結(jié)構(gòu)的剖面位置關(guān)系見(jiàn)圖8。

圖8 既有供水箱涵與新建支擋結(jié)構(gòu)的剖面位置關(guān)系（單位：mm）

項(xiàng)目新建擋墻處現(xiàn)存一毛石擋墻，需將其拆除后進(jìn)行樁基–擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)的施工及土方回填。施工工序?yàn)椋孩倨秸麍?chǎng)地，施工混凝土灌注樁；②土方開(kāi)挖并拆除高于設(shè)計(jì)標(biāo)高40.40 m 的原毛石擋墻；③施工混凝土擋墻；④進(jìn)行土方回填；⑤項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期(道路超載)。

其中，既有供水箱涵邊線距樁基中心線為18.9 m，已建負(fù)一層地下室底板標(biāo)高40.00 m，新建擋墻底板標(biāo)高40.40 m，供水箱涵路面標(biāo)高36.40 m，擋墻完成后回填土標(biāo)高45.70 m。整體及支擋結(jié)構(gòu)數(shù)值模型見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 整體模型

圖10 樁基–擋墻支擋結(jié)構(gòu)模型

2.2 地質(zhì)資料及土層參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料，場(chǎng)地土層分布從上至下分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r及中等風(fēng)化凝灰?guī)r。

利用Midas NX 數(shù)值分析軟件進(jìn)行新建擋墻加固工程的分析，主要分析灌注樁施工、原毛石擋墻開(kāi)挖、新建擋墻等過(guò)程引起周圍土體位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化情況及對(duì)供水箱涵的影響。單元屬性及材料參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

表3 單元屬性及材料名稱

表4 材料參數(shù)表

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

為表達(dá)方便，對(duì)各施工步代號(hào)及工序定義見(jiàn)表5。

表5 各施工步代號(hào)及工序

施工過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注箱涵的變形、應(yīng)力及內(nèi)力情況，由計(jì)算可得各施工步下的最大變形及節(jié)點(diǎn)處內(nèi)力變化，結(jié)果見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 各施工步下箱涵總變形

圖12 各施工步下箱涵節(jié)點(diǎn)最大彎矩

由以上計(jì)算結(jié)果可知，箱涵最大變形及內(nèi)力發(fā)生在施工步6(運(yùn)營(yíng)期)時(shí)，最大箱涵總變形為1.21 mm，項(xiàng)目建設(shè)對(duì)箱涵變形影響有限。已知箱涵在施工步6(運(yùn)營(yíng)期)彎矩值187.1 kN·m，軸力值?395.9 kN 作用下，按 20@400 對(duì)稱配筋偏壓構(gòu)件計(jì)算其截面最大裂縫寬度ωmax=0.186 mm。

依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191?2008）[8]規(guī)定最大裂縫寬度限值為0.30 mm，且此項(xiàng)目供水箱涵要求最大裂縫寬度不大于0.25 mm。故裂縫寬度驗(yàn)算可滿足要求。

對(duì)于重要供水工程中的箱涵結(jié)構(gòu)，需關(guān)注新建支擋結(jié)構(gòu)施工對(duì)其接縫止水的影響，根據(jù)項(xiàng)目箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，箱涵結(jié)構(gòu)縱向分縫，縫寬20 mm，設(shè)銅片止水，縫內(nèi)填聚乙烯嵌縫板，兩端用聚硫密封膠(SGJ-8511 型)封口。提取箱涵在X(水平)、Z(豎向)位移見(jiàn)圖13。

圖13 箱涵X(水平)、Z(豎向)位移圖

由圖13 可知，箱涵在X(水平)、Z(豎向)兩個(gè)方向上變形差均小于0.1 mm（箱涵兩端截面位移偏大的原因是模型邊界影響，實(shí)際差值僅為0.01 mm，可忽略不計(jì)），箱涵變形均勻，縱向滿足分縫止水要求。

數(shù)值分析中，樁基–擋墻支擋結(jié)構(gòu)最大豎向位移發(fā)生在施工步6(運(yùn)營(yíng)期)時(shí)，變形為29.5 mm(全量值)，位于擋墻卸荷板處；最大拉應(yīng)力0.373 MPa。

墻下灌注樁最大水平位移發(fā)生在施工步6(運(yùn)營(yíng)期)時(shí)，變形為18.4 mm，位于樁頂處；最大彎矩598.31 kN·m，位移及彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖14。

圖14 灌注樁位移及彎矩計(jì)算結(jié)果

對(duì)樁基–擋墻組合式支擋結(jié)構(gòu)，采用前述模型一、模型二、數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 樁基–擋墻支擋結(jié)構(gòu)不同計(jì)算方法結(jié)果對(duì)比

對(duì)比可知，對(duì)樁基–擋墻組合式支擋結(jié)構(gòu)，采用兩種模型及數(shù)值方法計(jì)算位移結(jié)果接近，樁頂位移小于20 mm，滿足廣東省《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T 15?20?2016）[9]要求，且計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果符合較好。

3 結(jié)論

（1）樁基–擋墻組合式支擋結(jié)構(gòu)由于擋墻底板土體易脫空，往往不能采用傳統(tǒng)擋墻、樁基分離的模式進(jìn)行計(jì)算，本文提出了兩種計(jì)算模型，可根據(jù)設(shè)計(jì)條件設(shè)置荷載及邊界條件進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，模型計(jì)算吻合度較好。

（2）為考慮支擋結(jié)構(gòu)項(xiàng)目建設(shè)對(duì)重要供水箱涵的影響，在確保支擋結(jié)構(gòu)自身安全性的前提下，需考慮項(xiàng)目施工及運(yùn)營(yíng)全過(guò)程的動(dòng)態(tài)分析，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目建設(shè)對(duì)供水箱涵的內(nèi)力變形、裂縫開(kāi)展及接縫止水的影響。

（3）結(jié)合具體工程實(shí)例，根據(jù)組合式支擋結(jié)構(gòu)計(jì)算及對(duì)既有箱涵的數(shù)值影響分析，本工程對(duì)供水箱涵的安全影響可控，計(jì)算分析方法可為類似工程提供參考。