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        隧道出口橋梁承臺(tái)深基坑支護(hù)樁計(jì)算分析

        2024-12-10 00:00:00段愉張博倫趙楠陳鈺李俊
        四川建筑 2024年5期
        關(guān)鍵詞:支護(hù)樁懸臂剪力

        某鐵路橋梁緊鄰隧道出口,承臺(tái)基坑無(wú)法放坡開挖,垂直開挖深度9.739 m,基坑邊坡主要為卵石土層,基坑底部為強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化泥巖,布置4根斷面2 m×1.5 m鋼筋混凝土懸臂支護(hù)樁,樁長(zhǎng)21 m,基坑頂部20 m范圍內(nèi)限制隧道運(yùn)渣車貨總重50 t,車速5 km/h。計(jì)算支護(hù)樁土壓力、嵌固深度及其穩(wěn)定性,嵌入基坑底部的支護(hù)樁視為彈性支承連續(xù)梁,土彈簧剛度按照m法計(jì)算。懸臂支護(hù)樁按鋼筋混凝土受彎構(gòu)件驗(yàn)算抗彎和抗剪承載力,計(jì)算表明,懸臂支護(hù)樁強(qiáng)度和基坑穩(wěn)定性滿足要求,樁頂水平位移5.573 mm,可供基坑監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

        深基坑; 懸臂支護(hù)樁; 土壓力; 嵌固深度; 穩(wěn)定性; 樁頂位移

        U443.17A

        [定稿日期]2023-03-23

        [作者簡(jiǎn)介]段愉(1999—),男,在讀碩士,研究方向?yàn)闃蛄吼B(yǎng)護(hù)。

        1 工程概況

        某鐵路橋梁主要用途為谷架、立交、排洪,孔跨布置為:1~24 m簡(jiǎn)支梁+3-32 m簡(jiǎn)支梁+5-(2×68) m連續(xù)T構(gòu),雙線,線間距:4.4~5.0 m,橋臺(tái)為雙線矩形橋臺(tái)。

        14#橋臺(tái)位于隧道出口明洞附近,橋臺(tái)施工時(shí)需開挖9.739 m深基坑,因基坑頂與隧道出口距離較近,且需設(shè)置渣土車運(yùn)輸便道,放坡開挖不能滿足平面布置要求,決定在臨隧道出口側(cè)邊坡設(shè)置懸臂支護(hù)樁,見圖1~圖3。臨隧道出口側(cè)邊坡坡頂為渣土運(yùn)輸便道,需承受車貨總重不超過50 t的車輛荷載。樁中心距為2.6 m,樁長(zhǎng)21 m,樁身截面2 m(順橋方向)×1.5 m(橫橋方向)。樁身迎坡面豎向主鋼筋28 mm。樁身混凝土采用C40,鋼筋采用HRB400型。

        隧道出口左側(cè)、右側(cè)及邊坡由護(hù)橋式明洞樁基群樁支護(hù),剛度及承載力較大,且坡頂不承受車輛荷載作用,能滿足要求。

        根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告《某橋梁工程地質(zhì)勘察報(bào)告(初步鑒修階段)》,支護(hù)樁自樁頂?shù)綐兜椎臉吨芡练謩e為: 2.0 m厚粉質(zhì)黏土(硬塑),8.6 m厚卵石土,3.7 m厚W3泥巖夾砂巖,其下為W2泥巖夾砂巖。其巖土物理力學(xué)參數(shù)值見表1。

        2 土壓力計(jì)算

        土壓力應(yīng)根據(jù)JGJ 120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中的3.4.2來(lái)計(jì)算,其中支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值宜按式(1)~式(4)計(jì)算[3]。

        pak=σakKa,i-2ciKa,i(1)

        Ka,i=tan245°-φi2(2)

        ppk=σpkKp,i+2ciKp,i(3)

        Kp,i=tan245°+φi2(4)

        式中:pak為支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè),第i層土中計(jì)算點(diǎn)的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa),當(dāng)pak<0時(shí)應(yīng)取pak=0;σak,σpk分別為支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)、內(nèi)側(cè)計(jì)算點(diǎn)的土中豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);Ka,i,Kp,i為分別為第i層土的主動(dòng)土壓力系數(shù)、被動(dòng)土壓力系數(shù);ci,φi為分別為第i層土的粘聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角/(°);ppk為支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè),第i層土中計(jì)算點(diǎn)的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。

        以下為土壓力計(jì)算步驟。

        計(jì)算各土層的主動(dòng)土壓力系數(shù)分別為:

        (1)粉質(zhì)黏土。

        Ka1=tan245°-φi2=tan2(45°-9°)=0.528

        (2)卵石土。

        Ka2=tan245°-φi2=tan2(45°-17.5°)=0.271

        (3)W3泥巖夾沙巖。

        Ka3=tan245°-φi2=tan2(45°-17.5°)=0.271

        (4)W2泥巖夾沙巖。

        Ka4=tan245°-φi2=tan2(45°-22.5°)=0.172

        最大載重50 t的運(yùn)渣車(上海紅巖)為前二后四,即前面兩個(gè)車輪后面四個(gè)車輪。該運(yùn)渣車的軸距為:4200 mm+1400 mm,輪距為1 800 mm,前輪著地寬度及長(zhǎng)度為300 mm×200 mm,中、后輪著地寬度及長(zhǎng)度為600 mm×200 mm。

        50 t的運(yùn)渣車等效為均布荷載作用基坑頂部:

        P0=500[1.8+(0.3+0.6)/2]×4.2+[1.8+0.6]×1.4

        =39.0 kPa

        基坑頂部要求汽車限速5 km/h,土層有減振作用,不考慮車輛動(dòng)力效應(yīng)?;由疃?.739 m,卵石土邊坡穩(wěn)定坡角取45°,則要求水平距離基坑邊緣20 m范圍內(nèi)只布置一輛50 t運(yùn)渣車。計(jì)算各土層的土壓力(圖4)。

        σ0為基坑頂面主動(dòng)土壓力的水平分力。

        σ0=σakKa,i-2ciKa,i=39×0.528-2×150.528=-1.21kPa<0

        2 m處:

        σ1=σakKa,i-2ciKa,i=(39+2×1.8×10)×0.528-30×0.528=17.8 kPa

        粉質(zhì)黏土與卵石土交界處:

        σ2=σakKa,i-2ciKa,i=(2×1.8×10+39)×0.271=20.3 kPa

        10.6 m處:

        σ3=σakKa,i-2ciKa,i=(2×1.8×10+39+8.6×2.3×10)×0.271=73.9 kPa

        卵石土與泥巖夾沙巖交界處:

        σ4=σakKa,i-2ciKa,i=(2×1.8×10+39+8.6×2.3×10)×0.271=73.9 kPa

        14.3 m處:

        σ5=(2×1.8×10+39+8.6×2.3×10+3.7×2.2×10)×0.271=(75+197.8+81.4)×0.271=96.0 kPa

        W3泥巖夾沙巖與W2泥巖夾沙巖交界處:

        σ6=(36+39+8.6×2.3×10+3.7×2.2×10)×0.172=60.9 kPa

        21 m處:

        σ7=(36+39+197.8+81.4+167.5)×0.172=89.7 kPa

        懸臂支護(hù)樁內(nèi)側(cè)土壓力,即非自然段的土壓力計(jì)算如下。

        樁前巖石強(qiáng)風(fēng)化帶W3、弱風(fēng)化帶W2土壓力分布按靜止土壓力考慮。巖石上部未開挖的坑底卵石土層厚度為2+8.6-9.739=0.861 m,考慮到可能已經(jīng)受到擾動(dòng),不考慮該層土的靜止土壓力貢獻(xiàn)。

        該基坑深度高度為9.739 m。

        各土層的被動(dòng)土壓力系數(shù)為:

        (1)W3泥巖夾沙巖。

        Kp,i=tan245°+φi2=tan245°+35°2=3.690

        (2)W2泥巖夾沙巖。

        Kp,i=tan245°+φi2=tan245°+45°2=5.827

        (3)巖石頂面以下3.7m的被動(dòng)土壓力為。

        σ7=3.7×2.2×10×3.690=300.4 kPa

        (4)W3泥巖夾沙巖與W2泥巖夾沙巖交界處。

        σ8=3.7×2.2×10×5.827=474.3 kPa

        (5)巖石頂面以下內(nèi)側(cè)10.4m處。

        σ9=(3.7×2.2×10+2.5×6.7×10)×5.827=1450.3kPa

        3 嵌固深度及穩(wěn)定性計(jì)算

        根據(jù)JGJ 120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中的第4.2.1條,計(jì)算嵌固深度及穩(wěn)定性[3],見式(5)。

        EpkaplEakaal≥Ke(5)

        式中:Ke為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù);安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的懸臂式支擋結(jié)構(gòu),Ke分別不應(yīng)小于1.25、1.2、1.15;Eak,Epk為分別為基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN);aal,apl為分別為基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至擋土構(gòu)件底端的距離(m)。

        對(duì)嵌固深度的計(jì)算如下:

        假設(shè)嵌固深度為l0,由規(guī)范法來(lái)計(jì)算其大小,由于基坑高度為9.739 m且該支護(hù)結(jié)構(gòu)為一級(jí)結(jié)構(gòu),所以Ke不應(yīng)小于1.25。通過其土壓力對(duì)嵌固深度的力矩及Ke不應(yīng)小于1.25來(lái)計(jì)算其嵌固深度。

        被動(dòng)土壓力對(duì)底部的力矩為:

        Epkapl=12×300.4×(l0-3.7×23)×3.7+16(l0-3.7)2(145.675l0+1422.9178)=24.2791667l30+57.487166l20-852.01641l0+1875.77124

        主動(dòng)土壓力同理:

        Eakaal=Eakaal=0.71667l03+22.498760l02+541.252l0+1320.2644將其全代入EpkaplEakaal≥Ke得:

        23.3833303+29.363791l02-1528.58141l0+225.4414=0

        解得其方程解為:l0=7.40m<0.8×9.6=7.68,所以嵌固深度可取7.68 m,設(shè)計(jì)嵌固深度為:21-9.739=11.261 m,所以嵌固深度滿足要求。

        由于該嵌固深度是由穩(wěn)定性來(lái)計(jì)算的,所以該懸臂支護(hù)樁穩(wěn)定性驗(yàn)算也合格。

        4 樁身截面強(qiáng)度驗(yàn)算

        4.1 內(nèi)力和變形計(jì)算

        計(jì)算模型考慮為:基坑開挖深度范圍內(nèi),樁身自由。支護(hù)樁進(jìn)入巖石強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶,支護(hù)樁為彈性支撐連續(xù)梁,樁前巖石施加彈簧,彈簧剛度按照m法計(jì)算。由此對(duì)支護(hù)樁進(jìn)行建模分析來(lái)計(jì)算其彎矩及剪力,得出該支護(hù)樁的最大彎矩為:3 698 kN·m,最大剪力為:1 433 kN。由彎矩圖可知該支護(hù)樁兩端彎矩小,中間彎矩大,最大彎矩位于為距樁頂10.6 m處。由剪力圖可知樁頂剪力最小,樁底剪力最大,最大剪力位于樁底處。由支護(hù)樁位移圖可知:該支護(hù)樁樁頂位移值為5.573 mm,可供基坑監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。圖5~圖8依次為支護(hù)樁的計(jì)算模型、彎矩、剪力、位移。

        4.2 抗彎驗(yàn)算

        考慮該懸臂支護(hù)樁為受彎構(gòu)件,所以抗彎驗(yàn)算按受彎構(gòu)件來(lái)計(jì)算,受壓區(qū)鋼筋為

        620(A′s=1885mm2),fsd=fsd′=330 MPa,受拉區(qū)鋼筋為2728(As=16626.6 mm2),計(jì)算如下:

        x=fsdAs-fsd′A′sfcdb=330×(16626.6-1885)18.4×1500=176.3 mm<ξbh0=0.53×1970=1044 mm

        Mu=fcdbxh0-x2+f′sdA′s(h0-as′)=18.4×1500×176.3×(1970-88.2)+330×1885×1959=10375.4kN·m

        懸臂支護(hù)樁抗彎驗(yàn)算合格。

        4.3 抗剪驗(yàn)算

        考慮該懸臂支護(hù)樁為受彎構(gòu)件,所以抗剪驗(yàn)算按受彎構(gòu)件來(lái)計(jì)算,計(jì)算過程如下:

        ρ=Asbh0=16626.61500×1970=0.00563

        fcu,k=26.8 MPa,fsv=330 MPa

        ρsv=AsvbSv=0.0014

        Vu=(0.45×10-3)a1a2a3bh0(2+0.6ρ)fcu,kρsvfsv

        =(0.45×10-3)×1500×1970×

        (2+0.6×0.563)×26.8×0.0014×330

        =3144.3 kN

        懸臂支護(hù)樁抗剪滿足驗(yàn)算要求。

        5 結(jié)論和建議

        (1)隧道出口的鐵路橋梁承臺(tái)深基坑支護(hù)樁主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力、嵌固深度可按JGJ 120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》計(jì)算。

        (2)50 t運(yùn)渣車可以等效為均布荷載來(lái)用于計(jì)算土壓力大小。施工期間,應(yīng)嚴(yán)格控制基坑20 m范圍內(nèi)通行1輛車,車貨總重50 t,限速5 km/h。支護(hù)樁周圍1 m布置防撞墻,防止汽車撞擊支護(hù)樁。

        (3)懸臂支護(hù)樁可以按為彈性支承連續(xù)受彎構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和抗彎及抗剪驗(yàn)算。

        (4)懸臂支護(hù)樁強(qiáng)度和基坑穩(wěn)定性滿足要求,樁頂位移5.573 mm,可供基坑監(jiān)測(cè)預(yù)警參考。

        參考文獻(xiàn)

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