李平安, 鄧永忠, 劉云亮, 張瑞琳, 黃 鋒

(1.深圳市地鐵集團有限公司, 深圳 518026; 2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司, 天津 300142; 3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400047)

隨著我國主要城市建設(shè)地鐵熱潮的掀起,城市人口規(guī)模不斷增長,軌道交通越來越成為民眾出行的主要方式。然而地鐵車站的原容納能力有限,無法滿足持續(xù)增長的實際客流量,為了更好更安全地服務(wù)市民出行,勢必需要修建更多的地鐵線以滿足市民出行要求,但由于前期地鐵線規(guī)劃原因,未考慮換乘的功能,因此需要對地鐵車站的既有建筑物進行拆除,以達到市民換乘地鐵線的目的。然而拆除既有建筑物無疑是一個減重的過程,因此,需要采用抗浮抗拔樁作為在地鐵車站改造過程中的抗浮措施,保證車站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1-8]。張西文等[9]通過數(shù)值分析的方法對比分析了抗拔樁和隔離墻兩種抗浮措施的作用機理及作用效果,研究了車站的上浮位移、地表變形和周圍土體超孔隙水壓比等動力響應(yīng)。馬輝和周澤林[10]認(rèn)為抗拔樁是利用樁身與土體之間的摩擦力抵抗地下結(jié)構(gòu)上浮的一種有效的抗浮措施,在地鐵車站、地下停車場、地下商場等工程中得到了廣泛的運用;鄭震東[11]結(jié)合工程實例指出全長黏結(jié)型錨桿可按剛性拉桿考慮,且其彈性變形應(yīng)由試驗確定,當(dāng)?shù)叵率以诘叵滤惠^高的地區(qū)或?qū)Ψ浪休^高要求時,應(yīng)驗算結(jié)構(gòu)底板的內(nèi)力和產(chǎn)生的裂縫是否滿足要求;沈德飛[12]對地下結(jié)構(gòu)抗浮進行綜合系統(tǒng)的闡述,指出各抗浮措施的適用性,并提出施工階段做好抗浮措施的重要性,確保建(構(gòu))筑物在全生命周期內(nèi)達到安全、合理、經(jīng)濟、實用的建設(shè)目標(biāo);張劉平和石哲然[13]認(rèn)為抗浮措施是初雨調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)方案中的重要措施。本文結(jié)合某濕地公園工程中的初雨調(diào)蓄池展開研究,介紹了四種調(diào)蓄池抗浮措施,即自重抗浮、覆土抗浮、抗浮錨桿、抗拔樁,并分析了每種抗浮措施的優(yōu)缺點及適用條件,通過設(shè)計方案的比選,保證了工程安全實施、縮短了工期、節(jié)約了成本,為后續(xù)相關(guān)工程抗浮設(shè)計提供了一定的參考價值。董培鑫等[14]依據(jù)巖土工程勘察報告資料,考慮現(xiàn)場工程實際情況,按照抗拔承載力等值代換原則,優(yōu)化方案采用全黏結(jié)抗浮錨桿代替抗拔樁,對抗浮錨桿進行計算驗證和優(yōu)化效果分析,得出在滿足技術(shù)要求的前提下,采用抗浮錨桿不僅能有效解決抗拔樁現(xiàn)場施工困難問題,而且作業(yè)效率高、經(jīng)濟效益好。Buse Emirler和Mustafa Tolun[15]給出了在隆起荷載作用下單樁及嵌砂樁群的一些發(fā)現(xiàn)。研究的變量包括樁面、樁身嵌入率和樁間距比。對上述參數(shù)進行了試驗研究,并采用有限元方法進行了三維分析,以說明不同樁間距比的樁群破壞機理和樁間相互作用。結(jié)果表明,有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好,所有變量均顯著影響樁的抗拔承載。雖然眾多學(xué)者對地下抗浮措施的應(yīng)用方面研究頗多,但將抗拔樁作為抗浮措施并應(yīng)用于大型運營地鐵車站的研究偏少。

基于此,本文以深圳市黃木崗地鐵七號線換乘站為研究背景,以抗拔樁作為抗浮措施,采用ABAQUS軟件分析不同持力層厚度下,分析抗浮抗拔樁的抗拔能力及側(cè)摩阻力分布規(guī)律。對比有無地下水作用下,抗浮抗拔樁物理性質(zhì)的差異性,并將研究結(jié)果應(yīng)用于工程實際之中,以驗證抗拔樁抗浮效果的真實性、有效性、合理性。

1 工程背景

深圳地鐵黃木崗交通樞紐工程位于福田區(qū)筍崗西路與華富路交叉處,黃木崗樞紐建成后,將實現(xiàn)7號線、14號線及24號線三線換乘。既有7號線黃木崗站,自身建設(shè)時受黃木崗立交橋影響兩端寬、中間窄,其使用功能和舒適程度有一定影響;同時7號線車站前期規(guī)劃時未預(yù)留與14號線全面換乘條件,為實現(xiàn)三線高效換乘,需對既有7號線進行改造。在改造過程,對整體車站結(jié)構(gòu)來說是一個減重過程,打破了原有的車站結(jié)構(gòu)與地下土層的力學(xué)平衡,加上地下水作用勢必會引起整體車站結(jié)構(gòu)向上浮動?？傮w車站的地質(zhì)情況,上層屬于較軟的黏土、沙土,持力層主要為花崗巖,如圖1所示。

圖1 深圳地鐵七號線黃木崗站地質(zhì)縱刨面

基于此背景,以抗拔樁為研究對象,對其物理力學(xué)特性進行模擬分析,并將研究結(jié)果運用于實際工程中,對未來的國內(nèi)外上軟下硬地層地鐵車站中抗拔樁的運用具有借鑒意義。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

采用ABAQUS有限元軟件建立3D模型,模型樁尺寸與實際抗拔樁一致,長×寬×高為1.2 m×1.2 m×10 m,周圍巖土尺寸為10 m×10 m×12 m。模擬加載方法采用點-面耦合施加上拔荷載的加載方式,在樁上表面的Y方向施加向上0.015 m的強制位移。單元類型模型樁與周圍巖土均采用8節(jié)點等參減縮積分單元(C3D8R),模型樁采用近似全局尺寸0.3 m,周圍巖土采用近似全局尺寸0.5 m,模型樁與土體采用摩擦屬性,摩擦系數(shù)為0.3,邊界條件定義中,對土體底面設(shè)置Z方向的位移、左右兩側(cè)面設(shè)置X方向上的位移以及前后兩側(cè)面設(shè)置Y方向上的位移加以限制。ABAQUS數(shù)值模型如圖2所示。表1為模擬材料參數(shù)。

圖2 數(shù)值模型

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

2.2 工況分析

本次工況分析從兩個研究方向進行分組,一個方向是無地下水作用模型樁模擬研究,另一個方向是有地下水作用模型樁模擬研究。通過現(xiàn)場試驗及查閱資料,將改變持力層的厚度作為變量,對比有無地下水條件下的抗拔樁力學(xué)規(guī)律。其中模型樁外露2 m,距底部1 m,中間7 m均處于土層之中。工況按表2進行分析研究。

表2 試驗工況分析

3 數(shù)據(jù)分析

本文主要分析模型樁的荷載位移曲線、摩擦力沿樁側(cè)變化曲線,縱向?qū)Ρ炔煌至雍穸鹊目拱螛读W(xué)變化規(guī)律,橫向?qū)Ρ扔袩o地下水條件下的抗拔樁差異性。圖3～圖4為模型樁最大主應(yīng)力云圖。

單位:Pa圖3 無水作用下模型樁最大主應(yīng)力云

單位:Pa圖4 無水作用下模型樁最大主應(yīng)力云

由圖3和圖4可知,隨著持力層的增加,不管有無地下水作用的模型樁的最大拉應(yīng)力也在不斷增大,最大應(yīng)力出現(xiàn)在樁頂及樁下側(cè)。分析原因:本次模擬施加荷載的方式為點-面耦合強制加載,導(dǎo)致了樁頂出現(xiàn)拉應(yīng)力明顯的現(xiàn)象,但樁下側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象是因為此處為持力層作用位置,由于持力層強度屬性高于上覆土層,導(dǎo)致了模型樁與持力層作用位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。橫向?qū)Ρ扔袩o地下水作用下模型樁的最大拉應(yīng)力值可知,在相同持力層厚度條件下,有地下水作用下的模型樁的最大拉應(yīng)力略小一些,這是因為地下水作用使得對持力層起到軟化作用,導(dǎo)致了模型樁與持力層的接觸作用力減小。因此,相同條件下,有地下水作用的模型樁呈現(xiàn)的最大拉應(yīng)力略小。

3.1 上拔荷載-上拔位移分析

為了更加清楚直觀地描述不同持力層厚度對抗拔樁的影響,通過將不同持力層厚度的模擬結(jié)果進行比較,得到的荷載-位移曲線如圖5和圖6所示。

圖5 上拔荷載-抗拔樁豎向位移曲線(無水)

圖6 上拔荷載-抗拔樁豎向位移曲線(有水)

由圖5可知,當(dāng)持力層厚度為2 m時,抗拔樁的極限抗拔力為820 N,當(dāng)持力層厚度為500 mm時,模型樁的極限抗拔力為2 700 N,相比于持力層厚度為2 m的抗拔樁極限抗拔力,增加了3倍有余。由此可知,隨著持力層厚度的不斷增加,模型樁的抗拔能力不斷增強的。由圖6可知,當(dāng)持力層厚度為2 m時,模型樁的極限抗拔力為680 N,當(dāng)持力層厚度為5 m時,模型樁的極限抗拔力為2 400 N,相比于持力層厚度為2 m的模型樁極限抗拔力,增加了3倍有余。分析原因:模型樁與持力層都是材料強度相近,持力層厚度越大,兩者之間的咬合作用也就越大,從而增大了模型樁的抗拔能力。

為了橫向?qū)Ρ扔袩o地下水作用對模型樁的極限抗拔力的影響,將對各不同持力層厚度的荷載-位移曲線進行分析,分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 上拔荷載-抗拔樁豎向位移曲線

由圖7可知,不管有無地下水作用,隨著持力層厚度的不斷增大,模型樁的極限抗拔力都是不斷增大的。當(dāng)持力層為2 m時,無地下水作用下模型樁的極限抗拔力為820 N,而有地下水作用下模型樁的極限抗拔力為680 N,相對減小了140 N;當(dāng)持力層為4 m和5 m時,無地下水作用下模型樁的極限抗拔力分別為1 770 N和2 700 N,而有地下水作用下模型樁的極限抗拔力分別為1 500 N和2 400 N?？偟膩碚f,在相同持力層厚度條件下,有地下水作用的模型樁的極限抗拔力要小一些,分析原因:由于地下水的作用,對模型樁周圍地層起到了軟化效果。因此,有地下水作用的情況下,模型樁的抗拔能力也更低一些。

3.2 摩擦力沿樁長變化規(guī)律分析

為了更加清楚直觀地描述樁側(cè)阻力沿樁長的變化規(guī)律,將不同持力層厚度條件下的模擬結(jié)果進行比較,得到的樁側(cè)摩阻力-抗拔樁深度曲線如圖8和圖9所示。

圖8 樁側(cè)摩阻力-抗拔樁深度曲線(無水)

圖9 樁側(cè)摩阻力-抗拔樁深度曲線(有水)

由圖8可知,沿模型樁深度方向,樁側(cè)摩阻力都是不斷增大的。分析原因:持力層材料強度更大一些,其提供的摩擦力相比于上覆黏土提供的摩擦力會更大一些,從而使得模型樁下部摩阻力更大一些,而上覆土體區(qū)域內(nèi),由于土壓力沿著樁深度方向呈三角分布是不斷增大的,所以整體來看樁側(cè)摩阻力都是不斷增大的。橫向?qū)Ρ炔煌至雍穸葪l件下的樁側(cè)摩阻力變化規(guī)律,隨著持力層厚度的不斷增大,樁側(cè)摩阻力也越來越大。當(dāng)持力層厚度為2 m時,其最大樁側(cè)摩阻力為12.2 kPa;當(dāng)持力層厚度為5 m時,其最大樁側(cè)摩阻力為20.5 kPa,相比于持力層厚度為2 m時提高了8.3 kPa。分析原因:持力層材料為水泥砂漿材料,與模型樁之間的咬合作用提供了摩擦力,隨著持力層厚度的增大,其與模型樁接觸深度也越來越深,從而增大了持力層與抗拔樁之間的接觸面積,所以隨著持力層厚度的不斷增大,樁側(cè)摩阻力也越來越大。

由圖9可知,在有地下水作用條件下,樁側(cè)摩阻力-抗拔樁深度曲線變化不太規(guī)則。分析原因:由于地下水的作用稀釋了土體,對土體起到了軟化作用,對下面持力層也降低了其與模型樁之間的咬合作用。橫向?qū)Ρ炔煌至雍穸葪l件下的樁側(cè)摩阻力變化規(guī)律,隨著持力層厚度的不斷增大,樁側(cè)摩阻力也越來越大。當(dāng)持力層厚度為2 m時,其最大樁側(cè)摩阻力為10.5 kPa;當(dāng)持力層厚度為5 m時,其最大樁側(cè)摩阻力為19.8 kPa,相比于持力層厚度為2 m時提高了9.4 kPa。樁側(cè)摩阻力增大原因與無地下作用所分析原因一致。

為了橫向?qū)Ρ扔袩o地下水作用對模型樁的樁側(cè)摩阻力的影響,將對各不同持力層厚度的樁側(cè)摩阻力-抗拔樁深度曲線進行分析,分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 樁側(cè)摩阻力-抗拔樁深度曲線

由圖10可知,當(dāng)持力層為2 m時,無地下水作用下模型樁的最大側(cè)摩阻力為12.2 kPa,而有地下水作用下模型樁的最大側(cè)摩阻力為10.5 kPa,相對減小了1.7 kPa;當(dāng)持力層為400 mm和500 mm時,無地下水作用下模型樁的最大側(cè)摩阻力分別為18.9 kPa和22.5 kPa,而有地下水作用下模型樁的最大側(cè)摩阻力分別為17.9 kPa和19.8 kPa?？偟膩碚f,在相同持力層厚度條件下,有地下水作用比沒有地下水作用的樁側(cè)摩阻力要略微小一些。分析原因:由于地下水的作用,對模型樁周圍地層起到了軟化效果。因此,有地下水作用的情況下,模型樁的摩擦力會更小一些。

4 工程應(yīng)用分析

根據(jù)模型樁模擬結(jié)果的適用性,將其運用于實際工程中,對比實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果,并根據(jù)《既有建筑維護與改造通用規(guī)范》[16]所規(guī)定的豎向位移為依據(jù),得到車站結(jié)構(gòu)拆除施工工序過程的豎向位移曲線,如圖11所示。

圖11 車站結(jié)構(gòu)拆除工序車站結(jié)構(gòu)豎向位移變化曲線

由圖11可知,隨著車站結(jié)構(gòu)拆除施工的進行其豎向位移是不斷增大的,但均未達到規(guī)范豎向位移控制線。當(dāng)?shù)谝恍虿鸪瓿蓵r,模擬結(jié)果顯示豎向位移為0.62 mm,現(xiàn)場監(jiān)測豎向位移為1.21 mm,相對增大了0.59 mm;當(dāng)?shù)诙虿鸪瓿蓵r,模擬結(jié)果顯示豎向位移為1.12 mm,現(xiàn)場監(jiān)測豎向位移為2.22 mm,相對增大了1.1 mm;直到第四序拆除完成時,模擬結(jié)果顯示豎向位移為3.6 mm,現(xiàn)場監(jiān)測豎向位移為5.8 mm,相對增大了2.2 mm。分析原因:車站結(jié)構(gòu)拆除是一個不斷減重過程,而且由于地下水浮力作用,導(dǎo)致了整體車站結(jié)構(gòu)均是不斷增大的;橫向?qū)Ρ饶M結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù),是因為在實際車站結(jié)構(gòu)拆除過程中,地面移動荷載及地下水位增大均是提高豎向位移的原因,而模擬過程一直處于穩(wěn)定分析過程,并未受人為或其他不確定因素的影響,因此,實際監(jiān)測數(shù)值會略大一些。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,車站結(jié)構(gòu)在拆除過程中并未達到或超過規(guī)范豎向位移控制線,說明抗浮抗拔樁的作用效果明顯,是適用的、可行的。

5 結(jié)論

本文基于ABAQUS有限元軟件對抗浮抗拔樁不同持力層厚度的最大主應(yīng)力云圖、上拔荷載-上拔位移曲線、樁側(cè)阻力變化規(guī)律進行研究,并將研究結(jié)果運用于實際工程中,得到以下結(jié)論。

1)隨著持力層的增加,不管有無地下水作用的模型樁的最大拉應(yīng)力都在不斷增大,最大應(yīng)力出現(xiàn)在樁頂及樁下側(cè)。在相同持力層厚度條件下,有地下水作用下的模型樁的最大拉應(yīng)力略小一些。

2)隨著持力層厚度的不斷增大,模型樁的抗拔能力也在不在增大,在相同持力層厚度條件下,有水作用會降低模型樁的抗拔能力。

3)沿模型樁深度方向,樁側(cè)摩阻力是不斷增大的,橫向?qū)Ρ炔煌至雍穸葪l件下的樁側(cè)摩阻力變化規(guī)律,隨著持力層厚度的不斷增大,樁側(cè)摩阻力也越來越大,有水作用下樁側(cè)摩阻力-抗拔樁深度曲線變化不太規(guī)則。

4)將模型樁研究結(jié)論運用于實際工程中,通過觀察車站結(jié)構(gòu)的豎向位移變化曲線可知,未達到規(guī)范控制的最大值,說明本次研究模型樁能有效控制車站結(jié)構(gòu)豎向位移。