譚生永

(中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司,濟(jì)南 250001)

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展,鐵路線與公路線交叉穿越的情況愈來愈多,這給鄰近既有鐵路施工帶來極大困難。 穿越鐵路主要有上跨和下穿2 種施工方案,上跨方案可以避免對鐵路路基直接擾動(dòng),有利于維護(hù)鐵路安全。 其中,上跨方案中的轉(zhuǎn)體施工法可以有效避免橋梁施工對既有鐵路正常運(yùn)營的影響,成為現(xiàn)階段備受推崇的施工方法[1]。 然而,轉(zhuǎn)體橋梁主墩下部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,承臺(tái)、球鉸系統(tǒng)和上轉(zhuǎn)盤3 個(gè)主要組合結(jié)構(gòu)體積龐大,導(dǎo)致基礎(chǔ)施工時(shí)基坑范圍廣、深度大。 深基坑施工必然導(dǎo)致鄰近土體產(chǎn)生水平位移和豎向變形,若影響范圍延伸至鐵路附近,會(huì)引起路基的附加受力和變形,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致路基沉降破壞。

一般情況下,對于有外傾結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡以及土質(zhì)邊坡,邊坡開挖后,不應(yīng)使構(gòu)筑物基礎(chǔ)置于有臨空且外傾軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體上和穩(wěn)定性極差的土質(zhì)邊坡滑塌區(qū)。 任彥華等借助三維有限元軟件,研究空間效應(yīng)對深基坑支護(hù)擋墻內(nèi)力的影響,為支護(hù)設(shè)計(jì)工作提出了優(yōu)化建議[2];禚一等基于實(shí)體數(shù)值模型分析框構(gòu)橋施工對高鐵的影響,并為高鐵工程建設(shè)提供一定的理論依據(jù)[3];張季如通過試驗(yàn)確定用于邊坡開挖穩(wěn)定分析的計(jì)算參數(shù)并結(jié)合Janbu 普遍條分法對邊坡開挖的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)[4];劉國彬等通過試驗(yàn)研究,得出開挖卸載下土體的強(qiáng)度變化以及對被動(dòng)區(qū)土壓力的影響[5]。 而對于基坑邊坡滑塌區(qū)的范圍并未有明確的分析,故有必要對主墩基坑施工引起的邊坡滑塌區(qū)位置及土體變形規(guī)律進(jìn)行深入研究。

主墩深基坑開挖卸荷會(huì)引起坑底土體產(chǎn)生向上位移,若基坑底處于不良地質(zhì)層,易產(chǎn)生嚴(yán)重隆起,進(jìn)而導(dǎo)致附近土體發(fā)生較大位移。 由于橋梁跨徑控制,鐵路路基通常處于基坑施工影響范圍內(nèi),基坑底土體位移對鐵路路基的擾動(dòng)不容忽視。 胡琦等將樁、土勻質(zhì)化后,得到一種復(fù)合地基模型參數(shù)的求解方法,并以此方法研究地下結(jié)構(gòu)中的樁土作用[6];楊進(jìn)等通過群樁模擬實(shí)驗(yàn),研究群樁條件下的樁-土作用問題,得出群樁作用對土應(yīng)力場的影響關(guān)系[7];王成華闡述樁土之間的受力關(guān)系[8]。

利用有限元分析軟件MIDAS-GTS NX,建立包含鐵路路基、防護(hù)樁、工程樁等構(gòu)件的基坑開挖三維有限元模型,研究基坑施工時(shí)周邊土體豎向位移隨其與基坑邊緣距離的變化規(guī)律,分析主墩處樁身承載狀況及樁對基坑底部土體隆起的抑制作用。

1 工程簡介

某城市公路轉(zhuǎn)體橋上跨京滬上下行線、泰肥線等6 條鐵路線,左右兩幅橋梁轉(zhuǎn)體墩基坑邊緣與鐵路中心線最近距離分別為7.34 m 和8.94 m,開挖深度為12 m,平行鐵路方向長20.75 m,垂直鐵路方向長14.75 m。 基坑四周設(shè)置鉆孔防護(hù)樁,φ1.25 m,間距1.5 m,樁頂設(shè)1.25 m×0.8 m 冠梁,防護(hù)樁內(nèi)側(cè)掛網(wǎng)錨噴C20 混凝土,防護(hù)樁由上至下共設(shè)置2 排內(nèi)撐。 轉(zhuǎn)體主墩承臺(tái)底部設(shè)置20 根鉆孔灌注工程樁,φ1 m,長20 m,基坑防護(hù)構(gòu)造及其與既有鐵路線位置關(guān)系見圖1。

根據(jù)地質(zhì)鉆探報(bào)告,轉(zhuǎn)體基坑處主要地層結(jié)構(gòu)組成描述如下。

雜填土:主要由磚頭、碎石、建筑垃圾以及黏性土等組成,松散。 該層分布不連續(xù),層厚1.30～9.80 m,層底高程 28.81～39.91 m。

粗砂:黃褐色,石英-長石質(zhì),亞角形,混粒結(jié)構(gòu),級(jí)配一般,充填少量黏性土,稍濕-濕,中密。 該層分布連續(xù), 層厚1.20 ～ 9.00 m, 層底高程24.74 ～32.30 m。

礫砂:石英-長石質(zhì),亞棱角形,混粒結(jié)構(gòu),級(jí)配良好,含少量圓礫,局部有粗砂、圓礫夾層,充填 15%左右的黏性土,濕-飽和,密實(shí)。 該層分布連續(xù),層厚3.30～11.00 m,層底高程19.29～26.55 m。

細(xì)砂:黃褐色,石英-長石質(zhì),均粒結(jié)構(gòu),級(jí)配差,充填 20%左右的黏性土,飽和,密實(shí)。 該層分布基本連續(xù),層厚0.80～8.40 m,層底高程10.26～21.49 m。

2 有限元模型及參數(shù)

2.1 模擬假定

利用有限元軟件MIDAS-GTS NX 進(jìn)行模擬,在算例中,進(jìn)行以下假定[9]。

(1)土體具有連續(xù)、均質(zhì)、各向同性。

(2)主墩、內(nèi)支撐、樁體(包括工程樁和基坑防護(hù)樁)按照線彈性本構(gòu)計(jì)算,土體為Mohr-Coulomb 本構(gòu)。

(3)樁-土之間采用軟件提供的樁界面單元模擬。

(4)不考慮地下水影響,按總應(yīng)力法進(jìn)行分析。

2.2 計(jì)算模型

采用Midas GTS NX 建立三維模型,為便于描述,首先給出計(jì)算模型中擬采用的坐標(biāo)系:垂直于既有鐵路線方向?yàn)閄軸,順既有鐵路線方向?yàn)閅軸,豎直方向?yàn)閆軸。 為消除計(jì)算邊界效應(yīng)的影響,考慮施工過程中的空間效應(yīng),模型沿X方向取100 m,沿Y方向取100 m,土層總深度為50 m,土體模型見圖2。

圖2 土體模型

根據(jù)地質(zhì)資料,將地面以下劃分為4 層,土層參數(shù)見表1[10],樁基以及內(nèi)支撐等構(gòu)件參數(shù)見表2。 模型建模思路:首先建立各土層、既有鐵路線及軌道,將荷載加在軌道上,以此作為初始階段;然后建立基坑防護(hù)樁、轉(zhuǎn)體樁、基坑開挖土體、內(nèi)支撐、混凝土噴漿掛網(wǎng)等模塊,并根據(jù)施工階段激活或鈍化相應(yīng)單元及荷載,計(jì)算快速路基坑開挖對既有鐵路基礎(chǔ)的影響。 模型中模擬形式如下[11-12]。

表1 土層參數(shù)(Mohr-Coulomb 本構(gòu))

表2 樁基、內(nèi)支撐等構(gòu)件參數(shù)(彈性本構(gòu))

(1)三維實(shí)體單元

土體、鐵路路基選用三維實(shí)體單元,選用6 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的四面體單元,此建模方法產(chǎn)生的位移和應(yīng)力結(jié)果與實(shí)際情況較為接近。 實(shí)體單元僅有3 個(gè)平移自由度,沒有旋轉(zhuǎn)自由度。

(2)樁單元

樁選用的單元類型是MIDAS-GTS NX 中的梁單元,在三維實(shí)體模型中建立梁單元時(shí),應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)共享。 樁單元使用了嵌入式梁單元的方式,該單元由2 個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,屬于“棱柱狀三維梁單元”。

(3)二維單元

基坑內(nèi)側(cè)C20 混凝土掛網(wǎng)采用2D 板單元模擬。

(4)邊界條件

土體模型邊界選用地面支承邊界[13],即在左右邊界約束X方向的自由度,在前后邊界約束Y方向的自由度,在底面邊界約束Z方向的自由度,地面不約束自由度。 樁、冠梁、內(nèi)支撐等構(gòu)件的網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 基坑防護(hù)結(jié)構(gòu)模型

3 有限元分析

有限元分析過程與實(shí)際施工過程一致,具體劃分情況見表3。

表3 有限元分析

4 主要計(jì)算結(jié)果分析

4.1 基坑開挖階段地表沉降分析

工況5 下,轉(zhuǎn)體基坑開挖第二層土體時(shí)土體的豎向變形見圖4。 基坑中心線剖面(與鐵路線垂直方向)地表沉降計(jì)算值與實(shí)測值對比見圖5。

圖4 基坑開挖階段豎向變形(單位:m)

圖5 沉降計(jì)算值與實(shí)測值對比

由計(jì)算結(jié)果可知,工況4 和工況5 下,隨著與基坑邊緣距離的增大,地表沉降先逐漸增大,在約15 m 處達(dá)到峰值后逐漸減小,整體沉降形態(tài)呈明顯的拋物線形變化規(guī)律,計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好。

為確保鐵路線安全,降低基坑施工對鐵路線的影響,應(yīng)盡量避免將鐵路線置于基坑開挖引起的土體沉降拋物線峰值區(qū)域內(nèi)。 因此,在進(jìn)行轉(zhuǎn)體橋設(shè)計(jì)時(shí),建議進(jìn)行相應(yīng)地表沉降計(jì)算,若鐵路線位于土體變形峰值區(qū)域內(nèi),可通過加強(qiáng)基坑開挖支護(hù)、調(diào)整橋梁孔跨等方式優(yōu)化主墩基坑位置,以減少不均勻沉降對路基的影響。

4.2 主墩工程樁對基坑開挖的影響

圖6、圖7 分別為設(shè)置工程樁和無工程樁工況下坑底豎向位移沿基坑中心剖面發(fā)展形態(tài)的計(jì)算結(jié)果。在有支護(hù)的情況下,基坑側(cè)壁土體向坑內(nèi)偏移,偏中下位置偏移量大。 設(shè)置工程樁時(shí),坑底土體無明顯隆起,最大隆起位移為8 mm,結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定;未設(shè)置工程樁時(shí),坑底土體發(fā)生剪切破壞,產(chǎn)生明顯隆起,最大隆起位移為91 mm,且土體位移沿中心位置呈放射狀分布并逐漸減小。 設(shè)置工程樁工況下,坑底最大隆起位移較無工程樁工況降低91.3%。

圖6 有工程樁工況基坑坑底豎向位移(單位:m)

圖7 無工程樁工況基坑坑底豎向位移(單位:m)

2 種工況下,坑底隆起位移計(jì)算結(jié)果和設(shè)置工程樁工況實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對比見圖8。 由圖8 可知,監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型的可靠性。 同時(shí),可認(rèn)為無工程樁工況的模型和計(jì)算結(jié)果均具有較好可信度[14-15]。

圖8 基坑隆起位移對比

工程樁位于基坑底部,工況5 中,其豎向位移及豎向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別見圖9、圖10。 由計(jì)算結(jié)果可知,基坑開挖時(shí),工程樁整體發(fā)生向上位移,且由基坑中心向邊緣方向樁基的豎向位移量呈遞減趨勢,基坑中心位置樁豎向最大位移為4.2 mm,基坑邊緣位置樁的最大位移為0.35 mm;樁身整體承受拉應(yīng)力,隨著埋深的增大拉應(yīng)力逐漸增大,樁頂承受最大拉力為99.85 kN,約為樁底承受最大拉力1 196.66 kN 的1/12。

圖9 工程樁豎向位移(單位:m)

圖10 工程樁豎向應(yīng)力(單位:kN)

綜上,基坑開挖過程中,土體卸荷引起坑底土體向上位移,工程樁的擠密作用對基底土體隆起有明顯的抑制效應(yīng),使得臨近土體的位移減小,有效控制了基坑開挖對周邊土體的影響,進(jìn)而降低土體波動(dòng)范圍內(nèi)鐵路路基沉降破壞的風(fēng)險(xiǎn)。 由此針對轉(zhuǎn)體主墩基坑施工提出以下建議。

(1)在跨鐵路轉(zhuǎn)體橋主墩基坑施工過程中,應(yīng)盡量優(yōu)先施工工程樁,再開挖基坑,如果因開挖空間受限等因素導(dǎo)致無法先施工工程樁,應(yīng)加強(qiáng)基坑防護(hù)并對基坑及周圍土體位移實(shí)施嚴(yán)密監(jiān)測,若有異常變形及時(shí)采取應(yīng)對措施。

(2)基坑開挖過程中,由于樁身軸向拉力隨著埋深的增大逐漸增加,工程樁底部鋼筋不能過少,素混凝土段長度應(yīng)滿足規(guī)范要求,以避免樁體在承受軸向拉力時(shí)出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。

5 結(jié)語

(1)基坑施工時(shí),周邊土體豎向位移隨其與基坑邊緣距離的增加呈現(xiàn)拋物線變化,故應(yīng)盡可能避免既有鐵路位于拋物線頂點(diǎn)附近,可通過加強(qiáng)基坑開挖支護(hù)、調(diào)整橋梁孔跨等方式優(yōu)化主墩基坑位置,以減少不均勻沉降對路基的影響。

(2)設(shè)置主墩工程樁時(shí),樁底處土體豎向位移均勻,結(jié)構(gòu)形式安全穩(wěn)定;未設(shè)置工程樁時(shí),樁底土體位移沿中心位置呈放射狀分布并逐漸減小,土體易發(fā)生剪切破壞、產(chǎn)生隆起。 因此,主墩工程樁對基坑底部隆起有顯著抑制作用,應(yīng)盡量完成工程樁施工后再開挖基坑,或加強(qiáng)監(jiān)測或基坑防護(hù),防止變形異常。

(3)基坑開挖時(shí),工程樁整體發(fā)生向上位移,由基坑中心向邊緣方向上樁基的豎向位移量呈遞減趨勢;樁身整體承受拉應(yīng)力,隨著埋深的增大,拉應(yīng)力逐漸增加。 因此,工程樁底部鋼筋不宜過少,素混凝土段長度應(yīng)滿足規(guī)范要求,以避免樁體在承受軸向拉力時(shí)出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。