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        預(yù)應(yīng)力錨索排樁在圍巖基坑開挖中的應(yīng)用

        2022-11-17 11:04:36王德英范文陽
        西部交通科技 2022年9期
        關(guān)鍵詞:圍巖水平模型

        王德英,范文陽,龐 彪

        (廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530023)

        0 引言

        我國(guó)山區(qū)橋梁發(fā)展規(guī)模日益擴(kuò)大,交通線路趨于完善,面臨的工程環(huán)境也復(fù)雜多樣。群樁基礎(chǔ)由于施工工藝簡(jiǎn)便且工程性能可靠,在山區(qū)橋梁中也應(yīng)用廣泛,但在狹窄位置處卻并不適用,由于群樁基礎(chǔ)占地面積大,某些位置可能存在基樁外露現(xiàn)象,不利于基礎(chǔ)的承載。面臨這種困境,挖井基礎(chǔ)是個(gè)很好的解決方案,挖井基礎(chǔ)占地面積小,基礎(chǔ)穩(wěn)定性強(qiáng),且不用施工承臺(tái),可以很好地與橋墩連接。而挖井基礎(chǔ)的基坑開挖土方量較大,在開挖過程中圍巖應(yīng)力不斷變化,很可能發(fā)生基坑事故,因此需要在開挖前做好支護(hù)措施[1]。為了避免對(duì)巖體產(chǎn)生過大擾動(dòng),施工排樁結(jié)構(gòu)形成地連墻結(jié)構(gòu),可以對(duì)開挖周圍巖土體起到隔離作用,并開挖至一定深度后施工預(yù)應(yīng)力錨索,這樣可以最大限度地減少基坑變形,支護(hù)結(jié)構(gòu)可以保留足夠的開挖作業(yè)空間,利于機(jī)械出土,加快開挖進(jìn)度。本文通過有限元模型進(jìn)行基坑開挖作業(yè)模擬,結(jié)合實(shí)際基坑開挖的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),證明了預(yù)應(yīng)力錨索排樁的支護(hù)效果是可靠的,可為類似錨索排樁支護(hù)提供理論依據(jù)。

        1 基坑開挖有限元模擬

        1.1 工程概況

        某橋梁16#墩基礎(chǔ)位于山體陡坡位置處,由于場(chǎng)地面積有限,施工群樁基礎(chǔ)存在部分基樁外露的問題,且對(duì)陡坡位置處的巖體擾動(dòng)較大,對(duì)基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性存在潛在的威脅,因此,決定采用橫截面為6 m×6 m、深17 m的矩形挖井基礎(chǔ)替代原來的群樁基礎(chǔ)方案。基坑離最近的陡坡面3 m。坡體巖層主要為灰?guī)r,強(qiáng)風(fēng)層2 m,Ⅳ級(jí)軟石,下部為弱風(fēng)化層,Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石,節(jié)理裂隙發(fā)育。不良地質(zhì)主要為溶槽、溶孔和溶穴,多為碎石土和黏性土半填充,大部分無水。巖體表面裸露無植被覆蓋。施工單位預(yù)先對(duì)最近的坡體臨空面施加預(yù)應(yīng)力錨桿,對(duì)坡面進(jìn)行了加固處理。

        1.2 基坑開挖方案

        基坑開挖前施工排樁,形成厚0.5 m、深22 m的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。分4層開挖,第一層開挖2 m,第二層開挖5 m,第三層開挖5 m,第四層開挖5 m,總計(jì)開挖17 m,排樁有5 m長(zhǎng)嵌固在坑底巖層下方。錨索采用3排3行,分別在第一、二、三層開挖后施工。錨索預(yù)應(yīng)力為200 kN,錨索與水平面向下夾角為10°,錨索長(zhǎng)15 m,錨固段為10 m。

        1.3 建立有限元模型

        1.3.1 基本假設(shè)[2-3]

        (1)不考慮巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu),視作均質(zhì)、各向同性材料。

        (2)加固后的坡面對(duì)開挖過程影響微小,可視作普通平地地形。

        (3)不考慮錨索錨固區(qū)與非錨固區(qū)的差別,視作全段錨固在巖體中。

        (4)不考慮排樁施工對(duì)原有地應(yīng)力場(chǎng)的影響。

        (5)將排樁視作彈性體,不考慮塑性。

        (6)開挖的巖土及時(shí)運(yùn)走,地表不存在超載。

        1.3.2 材料參數(shù)

        巖體采用彈塑性模型,塑性部分采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則,排樁結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力錨索采用彈性模型。相關(guān)材料參數(shù)如表1、表2所示。

        表1 巖體參數(shù)表

        表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

        1.3.3 建模思路

        為了簡(jiǎn)化模型,采用二維平面模型進(jìn)行模擬,利用對(duì)稱性取模型一半進(jìn)行開挖分析。采用1∶1建模,模型范圍為30 m×44 m,巖體單元采用CPE4單元,排樁采用CPE4I單元,錨索采用T2D2單元數(shù)量,網(wǎng)格劃分單元總數(shù)為1 628個(gè)。預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)置膨脹系數(shù),采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力。排樁與圍巖為摩擦接觸,摩擦系數(shù)為0.5,錨索分別在深2 m、7 m、12 m處與排樁進(jìn)行綁定,錨索長(zhǎng)度范圍與巖體內(nèi)部進(jìn)行嵌固。模型如圖1所示。

        圖1 二維基坑模型云圖

        1.3.4 模擬工況

        模型分析過程分為地應(yīng)力平衡、第一層開挖、第二層開挖、第三層開挖和第四層開挖。地應(yīng)力平衡采用自動(dòng)地應(yīng)力平衡法,開挖采用model change功能實(shí)現(xiàn),第一、二、三行預(yù)應(yīng)力錨索分別在第二、三、四層開挖時(shí)進(jìn)行激活[4]。

        1.3.5 邊界條件

        模型左右限制X方向位移,底部固定。

        2 模型結(jié)果分析

        2.1 兩種支護(hù)開挖完成后的圍巖變形

        開挖完成后基坑圍巖變形情況如圖2所示。

        (a)單獨(dú)排樁支護(hù)

        (b)錨索排樁支護(hù)

        由圖2開挖后圍巖結(jié)果可知:

        (1)基坑開挖17 m深后,圍巖的最大變形發(fā)生在8~15 m 處。

        (2)排樁施加預(yù)應(yīng)力錨索后,圍巖最大變形范圍更加集中。

        (3)排樁施加預(yù)應(yīng)力錨索后,淺處圍巖變形顯著減小。

        開挖完成后的排樁豎向應(yīng)力如圖3所示。

        (a)無錨索

        (b)有錨索

        由圖3排樁豎向應(yīng)力分布可知:

        (1)單獨(dú)的排樁支護(hù)中,在坑底嵌入巖層處,墻后側(cè)表面受拉,而前側(cè)表面受壓。

        (2)排樁施加了預(yù)應(yīng)力錨索后,排樁后側(cè)表面為受拉受壓交替分布,前側(cè)應(yīng)力與后側(cè)相反,在錨索錨固處附近的后側(cè)為受拉、前側(cè)為受壓。

        2.2 排樁水平位移與后側(cè)接觸壓力

        排樁結(jié)構(gòu)沿深度范圍內(nèi)在各階段的水平位移如圖4所示。

        (a)未施加錨索

        (b)施加錨索

        由圖4可知:

        (1)隨著開挖深度的增加,排樁結(jié)構(gòu)水平位移增加。

        (2)未施加錨索的排樁結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在樁端位置,水平位移量為13 mm;施加了錨索的排樁結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在距坑底1 m深處,水平位移量為2.4 mm。

        排樁后側(cè)接觸壓力變化如圖5所示。

        (a)無錨索

        (b)有錨索

        由圖5可知:

        (1)開挖前排樁后側(cè)接觸壓力分布呈沿深度的線性變化。

        (2)未施加錨索的排樁,在開挖深度范圍內(nèi)的后側(cè)接觸壓力幾乎為零,而未開挖的下部3 m內(nèi)的接觸壓力會(huì)顯著增大。

        (3)在施加了錨索的排樁結(jié)構(gòu)中,錨固點(diǎn)附近的接觸壓力會(huì)向上、下2 m遞減,這與未施加錨索的接觸壓力有顯著區(qū)別。

        坑底回彈量如圖6所示。

        圖6 開挖完成后的坑底回彈量曲線圖

        由圖6可知:

        (1)開挖完成后,從坑底中心線向兩邊會(huì)呈現(xiàn)遞增的回彈量。

        (2)施加了錨索的坑底回彈量較未施加錨索的少。

        3 結(jié)果評(píng)估

        3.1 機(jī)理分析

        未施加預(yù)應(yīng)力錨索的排樁結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一種懸臂式支撐,依靠嵌入端的錨固作用抵擋四周圍巖作用力,而排樁形成的連續(xù)墻厚度太小,抗彎剛度較小,因此在頂端會(huì)形成較大的水平位移[5]。在開挖過程中,巖石壁立性較好,圍巖與開挖范圍內(nèi)的排樁接觸減弱,接觸壓力趨于零,但巖體中的水平地應(yīng)力場(chǎng)由于開挖影響發(fā)生了重新分布,導(dǎo)致開挖面下方水平地應(yīng)力增大,與排樁后側(cè)接觸壓力增大。而錨索通過施加的預(yù)應(yīng)力,保證排樁后側(cè)與圍巖的接觸,起到了限制位移的作用,使得排樁后側(cè)表面應(yīng)力呈現(xiàn)受拉受壓的交替分布,將圍巖壓力傳遞至巖體內(nèi)部,減弱了水平地應(yīng)力向深處的重新分布。

        3.2 實(shí)際基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

        監(jiān)測(cè)單位分別在基坑內(nèi)與地表布設(shè)了監(jiān)測(cè)點(diǎn),地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)為排樁頂部及坑外1 m、2 m和3 m處,坑內(nèi)在深2 m、7 m和12 m的錨索錨頭上布設(shè)測(cè)點(diǎn),按施工工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。至基坑開挖完成,地表處排樁頂部水平位移累計(jì)為0.7 mm,坑內(nèi)側(cè)壁2 m、7 m和12 m深處單側(cè)向內(nèi)水平變形累計(jì)分別為1.2 mm、1.5 mm和1.8 mm。

        3.3 誤差分析

        實(shí)際監(jiān)測(cè)的變形量普遍更小,這是由于模擬過程中采用的地形條件為平地,而實(shí)際工程的地形為陡坡,地應(yīng)力分布模擬偏大,導(dǎo)致模型結(jié)果偏大,可以采用三維模型模擬不對(duì)稱的地應(yīng)力分布減小這部分誤差,但這部分誤差并不妨礙對(duì)錨索排樁的支護(hù)效果分析。

        4 結(jié)語

        圍巖深基坑開挖中,雖然巖石壁立性好,但由于巖體內(nèi)部地應(yīng)力較高,且內(nèi)部存在一些不良地質(zhì)構(gòu)造,極易發(fā)生崩塌巖爆事故,因此在開挖中需要加強(qiáng)坑壁的支護(hù)。為了預(yù)留足夠的出渣作業(yè)空間,選用排樁錨索支護(hù)效果可靠,且對(duì)這類支護(hù)提出如下建議:

        (1)對(duì)高地應(yīng)力場(chǎng)的圍巖開挖,排樁錨索需要有足夠的抗彎剛度,可適度增大排樁直徑,增大抗彎剛度。

        (2)基坑深處的錨索預(yù)應(yīng)力可以適度增大,以抵抗深處較高的水平地應(yīng)力。

        (3)基坑開挖完成要及時(shí)回填基礎(chǔ),減少坑底回彈量。

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