周云榮，胡 暉，羅 青，王雪鵬，唐曉林

(1.江西省勘察設(shè)計研究院有限公司,江西 南昌 330038;2.核工業(yè)華東建設(shè)工程集團有限公司,江西 南昌 330100;3.華東交通大學(xué) 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點實驗室,江西 南昌 330013)

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進,基坑工程在城市建設(shè)中扮演著重要的角色。在基坑工程施工過程中,基坑周邊道路上的交通工具經(jīng)常會產(chǎn)生較大的振動和荷載。這些振動和荷載會通過地基傳遞到基坑結(jié)構(gòu)中,導(dǎo)致基坑的變形。如果交通動載對基坑變形的影響得不到有效控制,可能會導(dǎo)致基坑結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定,從而產(chǎn)生破壞[1-4],甚至引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此對交通動載對基坑變形的影響進行研究具有重要的理論和實際意義。

近年來國內(nèi)外許多學(xué)者研究了交通動載對基坑變形的影響。Yu等[5]以路橋附近的一個真實基坑為例,對基坑開挖過程中車輛荷載對基坑穩(wěn)定性的影響進行了研究;徐長節(jié)等[6]采用半平面彈性基礎(chǔ)梁設(shè)計法和三維有限元仿真法,結(jié)合工程實例,對坑背超載和車輛沖擊荷載對既有基坑圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生的不利影響進行了詳盡的分析;劉素錦等[7]通過假設(shè)汽車荷載集中分布,并將其等價于等厚的土層,對汽車荷載對不同類型基坑支護結(jié)構(gòu)的影響進行了分析;王文章等[8]結(jié)合某車站具體深基坑支護體系及工程實際情況,發(fā)現(xiàn)有長期車輛荷載作用一側(cè)的基坑變形較大,與另一側(cè)位移量差值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;吳飛海[9]通過數(shù)值模擬的方法對比分析了考慮車輛動力荷載、不考慮車輛動力荷載和不考慮車輛荷載三種荷載工況下基坑圍護結(jié)構(gòu)及周邊土體變形規(guī)律;丁森林等[10]為了分析車輛荷載對深基坑開挖穩(wěn)定性的影響,將車輛荷載等效為集中靜荷載和均布條形荷載,發(fā)現(xiàn)將車輛荷載等效為集中靜荷載時結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)符合較好;趙桐德等[11]采用數(shù)值計算與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法,對車輛荷載特性與圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系進行了比較與分析。

而交通荷載的表示形式也不盡相同,把汽車荷載簡化為靜力荷載,把行車荷載假定為常數(shù)[12-13],但隨著公路交通的發(fā)展,這種方法已經(jīng)不再適用,隨后陸續(xù)出現(xiàn)了正弦荷載模型、沖擊荷載模型、多自由度荷載模型以及矩形荷載模型[14-16]。而其中的正弦荷載模型最符合實際,因此后來學(xué)者對車輛荷載的研究大部分是基于正弦荷載模型的[17-19]。朱志鐸等[20]選用了半正弦動力荷載來模擬車輛荷載;潘杰麟[21]把交通荷載簡化成一個移動半正弦矩形均布荷載,并對其在基坑開挖過程中的作用進行了對比和分析;張金誠等[22]基于正弦荷載模型,定量分析了交通動載對基坑變形的影響,發(fā)現(xiàn)車速對交通動載影響很大,嚴(yán)重時是靜載的兩倍。

綜上所述,交通動載對基坑變形的影響研究具有重要的意義。故本文以吉林大學(xué)第一醫(yī)院地下停車場項目為背景,通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比驗證數(shù)值模型的合理性,然后運用Plaxis2D軟件,通過深入研究交通動載對基坑變形的影響規(guī)律,可以為基坑工程的設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù),保障基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全[23]。

1 工程概況

1.1 工程背景

本工程為吉林大學(xué)第一醫(yī)院某地下停車場項目,工程包含地下餐廳、商場以及停車庫?；幽媳遍_挖總長約175 m,東西寬135 m,開挖深度約20 m,工程總建筑面積約96 281 m2,如圖1所示。該基坑位于市中心老城區(qū),施工緊鄰17中學(xué)、吉大一院及大型居民小區(qū),社會影響大;基坑?xùn)|側(cè)距主干道萬寶街約18 m(交通緊張,車流量大),基坑北側(cè)為吉林大學(xué)第一醫(yī)院,東南側(cè)為綠化用地,如圖2所示。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場鉆探取樣和室內(nèi)土工試驗結(jié)果,其影響基坑施工土層從上到下可分為:雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土、全風(fēng)化泥巖、強風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖,土層參數(shù)如表1所示。場區(qū)地下水類型為孔隙潛水,主要埋藏于黏性土層及風(fēng)化巖層中,勘察鉆孔中實測地下水初見水位為自然地面下6.40 m～9.00 m,穩(wěn)定水位為自然地面下2.10 m～6.10 m。

表1 土層參數(shù)

1.3 圍護設(shè)計

基坑大部分采用單排樁錨索(1-1和3-3截面)支護方式,西側(cè)局部與北側(cè)(2-2和4-4截面)采用雙排樁錨索支護方式,樁間鋼筋網(wǎng)噴射混凝土;樁體采用C30超流態(tài)細石混凝土,樁徑為800 mm,樁間距為120 mm/130 mm,錨索采用75鋼絞線。本文以1-1截面為研究對象,剖面如圖3所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場工程背景資料,采用Plaxis2D有限元軟件對其進行精細化建模,鑒于基坑模型跨度大,且基坑1-1剖面距交通馬路最近,即選取1-1截面為研究對象,進行基坑建模。根據(jù)本工程實際基坑尺寸,取模型長寬分別為100 m,50 m,并在基坑周圍和底部設(shè)置為黏性邊界以吸收雜散發(fā)射的波荷載。在距離基坑左側(cè)18 m處施加一個線性動載,用于模擬基坑旁車輛通過時產(chǎn)生的荷載,如圖4所示。

小應(yīng)變土體硬化模型(hardening soil model with small-strain stifness,HSS)作為一種能夠考慮體小應(yīng)變階段非線性特性的高級本構(gòu)模型,在基坑數(shù)值分析中有著特有的優(yōu)勢,模型參數(shù)見表1。模型樁采用板單元模擬,但由于現(xiàn)場圍護結(jié)構(gòu)為800@400鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu),根據(jù)等效厚度計算公式(1)計算得板厚為0.6 m。

(1)

其中,D為排樁直徑;t為排樁之間間距。

在數(shù)值模擬中,采用點對點錨桿單元模擬錨索的自由端,通過Embedded樁單元模擬錨索的固定端。地連墻及錨索參數(shù)見表2。

表2 支護參數(shù)

2.2 開挖工況設(shè)計

在數(shù)值模擬中,基坑開挖步驟設(shè)計參照現(xiàn)場施工案例。本文共分為18步,采用分層開挖,每開挖一層后施加錨索并給錨索施加預(yù)應(yīng)力。為探索交通動載對基坑變形的影響,在基坑開挖完成后施加交通動載,對比交通動載施加前后基坑變形情況。具體施工步設(shè)置見表3。

表3 施工步驟

2.3 模型車輛荷載加載方案

車輛在公路上行駛時,因為車身本身的振動以及路面的不平,輪胎以一種特定的頻率和幅值在公路上進行著運動,所受的輪胎載荷在公路上時大時小,呈現(xiàn)出一種波動的狀態(tài)。在一點上,汽車動態(tài)載荷的作用為:

F(t)=P0+Psin(ωt)。

其中,P0為車輛的靜態(tài)載荷,對于小轎車為20 kN,對于大客車為100 kN;按照JTG B01—2014公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定,車輛載荷的振動頻率為2πv/L,其中,v為車速,L為車體長度,L=6 m,P為汽車荷載的幅值,P=M0αω2,M0=120 N·s2/m,為彈簧下的質(zhì)量,α=2 mm,表示路面的幾何不平順矢高。車速與正弦荷載關(guān)系如表4所示。

表4 車速與荷載對應(yīng)關(guān)系

本文為了研究不同車輛因素如不同車速、時間、作用距離和車輛大小等對基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響。選擇了如表5所示不同交通荷載因素,分析其對基坑變形的影響。

表5 參數(shù)設(shè)置

2.4 數(shù)值驗證

圖5是當(dāng)小車車速為40 km/h,作用距離為18 m時,基坑開挖完成后地連墻水平位移云圖。為了驗證所建數(shù)值模型的正確性,選取地連墻水平位移的監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值結(jié)果進行對比,其曲線圖如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn),實測的結(jié)果與數(shù)值結(jié)果在變化趨勢上是一致的。在數(shù)值模擬中墻體最大位移23.84 mm,現(xiàn)場監(jiān)測中最大位移23.7 mm,但整體監(jiān)測結(jié)果較數(shù)值模擬的結(jié)果較小。這因為在數(shù)值模擬當(dāng)中,為了簡化計算和提高計算效率,數(shù)值模擬中常常引入一些假設(shè)和簡化,如忽略復(fù)雜的土體結(jié)構(gòu)、土體非線性行為等。這些簡化假設(shè)可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況存在差異,但其誤差小于5%,誤差在合理范圍之內(nèi),這就說明本模型是正確的,參數(shù)的選取也是合理的,為后續(xù)的分析奠定了基礎(chǔ)。

3 參數(shù)分析

交通動載(即車輛行駛時的荷載)與基坑變形之間存在一定的關(guān)系?；幼冃慰赡軙艿较噜彽缆吠ㄐ熊囕v所施加的荷載影響,而荷載的大小、頻率和方向等因素將對基坑的變形產(chǎn)生影響。

3.1 不同車速對基坑變形的影響

當(dāng)小車的車輛荷載作用時間為0.2 s和作用距離為18 m時,改變車速對基坑的變形的影響也不同。圖7為選取車速分別為20 km/h,40 km/h,60 km/h,80 km/h和100 km/h,得到不同車速下地連墻的最大水平位移曲線。

由圖7可知,地連墻位移隨著車速的增加而逐漸增大。當(dāng)車速分別為0 km/h,20 km/h,40 km/h,60 km/h,80 km/h和100 km/h時,地連墻頂部位移分別為23.54 mm,24.34 mm,26.81 mm,30.41 mm,37.22 mm和46.14 mm,其位移增量分別0.8 mm,2.47 mm,3.61 mm,6.81 mm和8.92 mm,其增長速率分別為3.4%,10.14%,13.42%,22.29%和124%,即隨著車速的增加,地連墻位移逐漸增大,且增長速率也逐漸加快。這是因為隨著汽車速度的提高,汽車荷載的頻率與汽車速度之間存在著一種線性的正比關(guān)系。然而,車輛荷載的幅值與頻率成冪函數(shù)關(guān)系,在高速、高頻工況下,其幅值將變得很大,給圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來很大的負面影響。在工程實踐中,對于基坑圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性,必須要考慮到周圍路面上的交通流速。

除此之外,還可以發(fā)現(xiàn)隨著車速的增加,地連墻的最大位移位置從-12.75 m逐漸上移至地連墻頂部。分析其原因可能是:土體對交通動載有一定的消減作用。土體的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征使其能夠吸收和分散交通動載的能量,從而減小對交通設(shè)施和車輛的沖擊,即交通動載對地連墻的影響為:從上到下,逐漸減弱,這就導(dǎo)致地連墻最大位移逐漸上移。

3.2 作用時間

為了研究不同交通動載作用時間對基坑變形的影響,設(shè)置了小車車速和作用距離不變,作用時間分別為0.2 s,0.4 s,0.6 s,1.2 s,1.8 s和2.4 s共6種工況,得到了不同作用時間下,地連墻變形曲線,如圖8所示。

從圖8可知,在車輛荷載作用時間較短時,地連墻位移隨著作用時間的增加而逐漸增大;但隨著作用時間的繼續(xù)增加,地連墻位移不再增加。從圖8中可以看出,在0.6 s之前,地連墻變形隨著作用時間的增加而明顯增大;而當(dāng)作用時間超過0.6 s后,隨著作用時間的增加,地連墻變形先小幅度增加,然后在某一值左右反復(fù)波動。基于上述結(jié)果,我們可以發(fā)現(xiàn)汽車荷載對地連墻體水平變形的影響是一種累加效應(yīng),達到某一值后就不會發(fā)生改變。

3.3 作用距離

為了研究交通動載作用距離對基坑變形的影響,本文采用大車車速為40 km/h,作用時間為0.2 s時,選取車輛荷載作用距離依次為2 m,4 m,6 m,8 m,10 m和12 m時,不同間距下地連墻變形曲線如圖9所示。

從圖9可知,地連墻位移和交通動載的作用距離呈現(xiàn)反比關(guān)系。隨著交通動載作用距離的增加,地連墻位移逐漸減小,且減小率逐漸減小。如當(dāng)交通動載作用距離分別為2 m,4 m,6 m,8 m,10 m和12 m時,地連墻最大位移分別為46.83 m,44.49 mm,42.62 mm,41.21 mm,40.75 mm和40.35 mm,其位移減小量分別為2.34 mm,1.87 mm,1.41 mm,0.46 mm和0.4 mm,其減小率分別為5%,4.2%,3.3%,1.1%和1%。即當(dāng)車輛荷載作用距離較近時,對基坑的危害是十分大的,因此要嚴(yán)格控制基坑旁側(cè)大型運土車與基坑邊緣的距離。

3.4 車輛大小

車輛大小的不同,對基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響大小也不相同。而現(xiàn)在,更多地使用的是依據(jù)規(guī)范對汽車的車輪載荷進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。如果是小型轎車,通常取20 kN,如果是大型轎車,則取100 kN。于是本文將小車和大車分別在車速為40 km/h和60 km/h時,地連墻變形進行了對比,結(jié)果如圖10所示。

從圖10可知,當(dāng)交通動載作用時間和距離相同時,改變交通動載的恒載(車輛大小),將會對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如當(dāng)P0=20 kN,v=40 km/h和60 km/h時,地連墻頂部位移分別為26.81 mm和30.41 mm;而當(dāng)P0=100 kN時,其地連墻頂部位移分別為41.45 mm和45.7 mm,其位移相對增加了14.64 mm和15.29 mm,相對位移增加幅度分別為54.6%和50.3%。因此在工程實踐中,當(dāng)交通道路旁側(cè)有基坑施工時,為保證基坑的安全穩(wěn)定,應(yīng)嚴(yán)格控制旁側(cè)車輛大小,限制重型卡車通過或限速行駛,或者加強該處圍護結(jié)構(gòu)的剛度,并對該處基坑變形進行定期監(jiān)測,確?；幼冃卧谝?guī)定范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

本文以吉林大學(xué)第一醫(yī)院地下停車場項目為背景,采用有限元軟件Plaxis2D對基坑進行建模,探究了交通荷載對臨近基坑施工的影響,得出以下結(jié)論:

1)考慮交通動載時,基坑圍護結(jié)構(gòu)變形比不考慮交通動載時要大。2)車速對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響巨大,隨著車速增加,圍護結(jié)構(gòu)變形逐漸增大,并且增幅逐漸增大。3)交通動載對基坑的影響隨時間有累積效應(yīng),且累積到一定時間后不再變化。4)圍護結(jié)構(gòu)的水平位移與作用距離之間呈反比關(guān)系,隨著作用距離減小,水平位移逐漸增大,并且增長速度逐漸加快。5)車輛大小對圍護結(jié)構(gòu)水平位移影響巨大,在施工現(xiàn)場應(yīng)嚴(yán)格控制。