易瓊
(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司,廣州510507)
近距離、小凈空、大深度已成為現(xiàn)階段城市地下工程避不開(kāi)的施工關(guān)鍵詞。不斷涌現(xiàn)的高架橋下新建地下工程就是典型案例[1]。若是考慮合建形式將地下工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)用作之后的高架橋樁,不僅可以提高工程集約度,還可以減小后續(xù)施工難度。其中,地下連續(xù)墻豎向承載力大、整體性好,用以代替橋梁樁基具有較高的可行性和工程經(jīng)濟(jì)價(jià)值。蔣建平等[2]指出,單片地下連續(xù)墻可看成矩形混凝土樁,而相同體積下矩形樁的側(cè)面積比圓形樁大,受到的側(cè)摩阻力更大,豎向承載力也更大。
然而,地下連續(xù)墻在設(shè)計(jì)時(shí)并未從豎向承載力角度進(jìn)行考慮,要用作高架橋的樁基需要進(jìn)行另外的計(jì)算分析。雖然國(guó)際上有一些采用地下連續(xù)墻作為建構(gòu)筑物承重基礎(chǔ)的案例[3],但國(guó)內(nèi)將地下連續(xù)墻作為基礎(chǔ)的工程還比較少,且大多數(shù)研究多集中在數(shù)值模擬和試驗(yàn)方面,如張波等[4]和宋章等[5]采用數(shù)值方法研究了考慮土芯后的閉合型地下連續(xù)墻基礎(chǔ)豎向承載性能,而焦瑩[6]和霍少磊等[7]則結(jié)合試驗(yàn),探討了單片地下連續(xù)墻的豎向承載性狀及承載力。但目前仍缺乏對(duì)地下連續(xù)墻基礎(chǔ)承重模式和計(jì)算方法的研究,故有必要從理論角度分析地下連續(xù)墻作為高架橋樁時(shí)的受力特點(diǎn)及性能。
因此,本文提出一種計(jì)算地下連續(xù)墻豎向承載能力的方法,用以分析作為橋梁樁基的地下連續(xù)墻受力性能,從而為今后類似工程提供一定參考。
廣州某地鐵車(chē)站擬建于一交叉路口,該路口已有一跨線高架橋規(guī)劃中,同時(shí)高架橋一側(cè)地下已有建成的綜合管廊,在有限空間下地鐵車(chē)站布局難以展開(kāi)。為充分利用路口下方的地下空間,提出將地鐵車(chē)站圍護(hù)地連墻兼作高架橋樁基的合建方案。
本工程中高架橋樁均設(shè)計(jì)為端承樁,合建形式采用地下連續(xù)墻對(duì)單側(cè)橋樁的替換。圍護(hù)地連墻厚1 m,單幅長(zhǎng)6 m;高架橋單個(gè)承臺(tái)下設(shè)4 根樁,每側(cè)2 根,樁徑1.6 m。車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻和高架橋的相互關(guān)系見(jiàn)圖1。
圖1 地鐵車(chē)站及高架橋相對(duì)位置關(guān)系圖
替代地連墻及原高架橋樁設(shè)計(jì)長(zhǎng)約35 m,端承樁,樁端嵌入微風(fēng)化灰?guī)r。周邊地層自上而下分別為:<1-2> 素填土、<4N-2>粉質(zhì)黏土、<3-2>中粗砂、<5C-1B>粉質(zhì)黏土、<5C-2>粉質(zhì)黏土、<9C-2>微風(fēng)化灰?guī)r。各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 土層的主要物理力學(xué)參數(shù)
蔣建平等指出采用俞式增長(zhǎng)模型來(lái)近似地下連續(xù)墻的荷載-沉降曲線的效果較好。針對(duì)地下連續(xù)墻的荷載-沉降曲線(Q-s 曲線),俞式方程為:
式中,Q 為墻頂豎向荷載,kN;p1為墻頂漸近極限豎向荷載,kN,乘上折減系數(shù)0.8[5]可得豎向極限承載力;p2、p3為參數(shù);s 為墻頂沉降,mm。
JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.3.9 中規(guī)定嵌巖樁的單樁豎向極限承載力Quk如下:
式中,Qsk為土的總極限側(cè)阻力,kN;Qrk為嵌巖段總極限阻力,kN;u 為地連墻橫截面周長(zhǎng),m;qsik為樁周第i 層土極限側(cè)阻力,kPa;li為樁周第i 層土層高,m;frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,可用巖層樁端阻力qpk代替;ζr為嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù);Ap為地連墻端部面積,m2。
本工程<9C-2>微風(fēng)化灰?guī)rfrk為20~35 MPa,地連墻嵌巖深徑比hr/d 約為4.5,查表得ζr最高取為1.04。將單幅地連墻尺寸和土層參數(shù)代入式(2)得到豎向極限承載力為Quk=74 262 kN。則墻頂漸近極限豎向荷載為p1=Quk/0.8=74 262/0.8=92 827.5 kN。
而根據(jù)蔣建平等所總結(jié)的6 個(gè)工程案例,p2、p3加權(quán)平均后分別為1.09 275 和0.677 27,代入式(1)計(jì)算得到本工程地連墻的荷載-沉降曲線方程為:
得到本工程的地連墻荷載-沉降(Q-s)曲線如圖2 所示。
圖2 理論計(jì)算所得地下連續(xù)墻Q-s 曲線
一般來(lái)說(shuō),Q-s 曲線明顯向下彎曲的前一級(jí)荷載為極限荷載,即極限承載力。故從圖2 中可知,對(duì)于該地連墻,豎向極限承載力約為82 500 kN,對(duì)應(yīng)的豎向沉降約為30 mm,考慮折減系數(shù)K=2,可取41 250 kN 作為該地連墻的豎向承載力特征值。
通常對(duì)于嵌巖端承時(shí)的地連墻,可假定到達(dá)豎向承載力極限值時(shí)墻端正應(yīng)力相等。故考慮地連墻初始水平變形,按墻端正應(yīng)力σ 相等進(jìn)行替換,可得:
式中,Q 為標(biāo)準(zhǔn)情況下的地連墻頂豎向荷載,kN;Q1為考慮水平變形后的地連墻頂豎向荷載,kN;e 為地連墻發(fā)生的水平變形距中軸線的距離,m;Wp為地連墻截面抗彎模量,m3。
式中,L 為地連墻長(zhǎng)度,m;t 為地連墻厚度,m。
將式(5)代入式(3)得到:
本工程地連墻的厚度為1 m,分別取e=0、0.01 m、0.02 m、0.03 m、0.04 m、0.05 m,代入式(6)得到不同水平變形下的地連墻荷載-沉降曲線如圖3 所示。
從圖3 中可知,對(duì)于該地連墻,對(duì)應(yīng)初始水平變形e=0、0.01 m、0.02 m、0.03 m、0.04 m、0.05 m,豎向極限承載力分別約為82 500 kN、81 600 kN、80 800 kN、80 100 kN、79 300 kN、78 500 kN,考慮折減系數(shù)K=2 后,豎向承載力特征值分別為41 250 kN、40 800 kN、40 400 kN、40 050 kN、39 650 kN、39 250 kN。
圖3 理論計(jì)算所得不同初始水平變形時(shí)的地下連續(xù)墻Q-s 曲線
可見(jiàn),即使初始水平變形達(dá)到50 mm,豎向承載力特征值也僅減小了約4.8%,幾乎可忽略不計(jì)。
采用MIDAS/GTS 有限元軟件建立地下連續(xù)墻替換單側(cè)橋樁后的高架橋墩及樁基豎向加載的數(shù)值模型,如圖4 所示。地下連續(xù)墻和高架橋的相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖1。整個(gè)模型長(zhǎng)80 m、寬50 m、高70 m,其中地下連續(xù)墻和原橋樁的長(zhǎng)度均取為35 m。
圖4 地下連續(xù)墻豎向加載數(shù)值模型
采用位移法來(lái)模擬加載過(guò)程,即對(duì)地下連續(xù)墻施加位移邊界條件,然后求得發(fā)生對(duì)應(yīng)位移時(shí)的墻頂反力。根據(jù)結(jié)果繪制地下連續(xù)墻的荷載-沉降曲線如圖5 所示,并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
圖5 數(shù)值模擬所得地下連續(xù)墻Q-s 曲線
由圖5 可知,在加載前期,數(shù)值與理論曲線變化趨勢(shì)基本一致。但在加載后期理論曲線到達(dá)陡降點(diǎn)荷載不再繼續(xù)增大后,數(shù)值曲線的荷載卻還在不斷增大。這是由于基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元無(wú)法考慮土體極限破壞后的承載能力下降,因此沉降增加的過(guò)程中荷載一直增大,曲線陡降點(diǎn)非??亢?。
于是假定到達(dá)極限荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的沉降以理論計(jì)算為準(zhǔn),取為30 mm。此時(shí)數(shù)值模擬得到的豎向極限承載力為82 500 kN,與理論結(jié)果十分接近。
在數(shù)值模型中依次改變地下連續(xù)墻的初始水平變形,然后進(jìn)行計(jì)算,得到不同初始水平變形下的地下連續(xù)墻荷載-沉降曲線如圖6 所示。
圖6 數(shù)值模擬所得不同初始水平變形時(shí)的地下連續(xù)墻Q-s 曲線
由圖6 可知,若取豎向沉降30 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載作為豎向極限承載力,則數(shù)值模擬中對(duì)應(yīng)初始水平變形e=0、0.01 m、0.02 m、0.03 m、0.04 m、0.05 m 的地連墻豎向極限承載力分別約為85 615 kN、85 325 kN、85 536 kN、85 711 kN、85 872 kN、85 991 kN,之間最大僅相差0.78%,其影響幾乎可以忽略不計(jì)。
本文以某地鐵車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)與高架橋的合建工程為背景,通過(guò)理論和數(shù)值手段對(duì)替換高架橋樁的地連墻豎向承載力進(jìn)行研究,得到如下結(jié)論。
1)地連墻比同體積的圓形樁剛度大、整體性好、豎向極限承載力大,適合作為豎向承載基礎(chǔ)。
2)基于俞式方程推導(dǎo)出了標(biāo)準(zhǔn)情況下的地下連續(xù)墻荷載-沉降方程,求得其豎向極限承載力。
3)推導(dǎo)得到考慮初始水平變形后的地連墻荷載-沉降方程及其豎向極限承載力,更符合地連墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)這一特征,便于在實(shí)際中應(yīng)用。
4)經(jīng)分析,實(shí)際允許產(chǎn)生的水平變形對(duì)地連墻豎向承載力的影響可以忽略,表明圍護(hù)地連墻完全可以作為橋梁樁基繼續(xù)發(fā)揮豎向承載作用。