車輛荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

唐麗云,邱培勇,葉萬(wàn)軍,楊更社

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054)

車輛荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

唐麗云,邱培勇,葉萬(wàn)軍,楊更社

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054)

為了研究車輛荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的影響,針對(duì)常規(guī)等效代換土層厚度法未考慮破裂棱體破裂角變化問(wèn)題,引入改進(jìn)等效代換土層厚度法,依據(jù)庫(kù)倫土壓力理論,計(jì)算破裂棱體自重,結(jié)合破裂棱體平衡關(guān)系式,循環(huán)迭代得到破裂角收斂值,根據(jù)此破裂角換算得到新的土層厚度。基于地鐵車站基坑工程,通過(guò)數(shù)值模擬,采用常規(guī)方法和改進(jìn)的等效代換土層厚度法研究車輛荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,分別得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移曲線。研究表明,破裂角變化會(huì)引起代換土層厚度變化,從而影響計(jì)算精度；在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,采用改進(jìn)等效代換土層厚度法來(lái)考慮車輛荷載影響是可行的。

交通荷載；基坑支護(hù)；改進(jìn)等效代換土層厚度法；穩(wěn)定性

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，交通量日益增加，且車輛荷載也日益加大。已有研究表明，車輛荷載是變頻率、變振幅、長(zhǎng)周期的不規(guī)則循環(huán)荷載[1]，車輛荷載對(duì)巖土變形與失穩(wěn)都有其特殊性和復(fù)雜性。黎冰等[2]人將車輛荷載簡(jiǎn)化為集中靜荷載，應(yīng)用Boussibesq解和分層總和法分析得出車輛荷載的影響深度在6.0～8.0 m的范圍；葉四橋等人[3]結(jié)合算例研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于公路從滑坡下滑段通過(guò)的淺層滑坡，不考慮汽車荷載同考慮汽車移動(dòng)恒載相比，穩(wěn)定性系數(shù)要高4.3%～11%，不考慮汽車荷載比同時(shí)考慮汽車動(dòng)荷載時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)要高5.8%～12.1%。

目前對(duì)車輛荷載的研究主要側(cè)重于橋梁、道路兩個(gè)方面，而對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)影響研究甚少。眾多學(xué)者通過(guò)對(duì)基坑的監(jiān)測(cè)以及分析[4-5]，得出車輛荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響也日益凸顯。張向東等[5]通過(guò)改變影響基坑穩(wěn)定性的交通荷載系數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，用數(shù)值模擬方法得出各參數(shù)改變與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)交通荷載作用產(chǎn)生的靜載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響較為明顯，其中車輛載重和交通量的影響較為顯著。劉素錦等人[6]在考慮車輛荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，采用等效的方法將車輛荷載考慮為等效均厚土層和集中荷載，探討了規(guī)范中常采用3種輪組對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，但是其并未考慮車輛荷載作用時(shí)會(huì)引起支護(hù)結(jié)構(gòu)周圍土體破裂角變化的問(wèn)題，而破裂角變化也會(huì)引起破壞棱體寬度變化，從而導(dǎo)致計(jì)算得到的等效厚度不準(zhǔn)確。

本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，參考規(guī)范[7-8]，考慮車輛荷載作用時(shí)土體破裂角變化問(wèn)題，計(jì)算得到等效代換土層厚度，并分析車輛荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

2 計(jì)算方法

2.1 規(guī)范方法

文獻(xiàn)[7-8]中指出，公路擋土墻背后填土面上作用有車輛荷載時(shí)會(huì)加速擋土墻破壞。擋土墻后的破裂體被視為一個(gè)滑移體，對(duì)作用在該滑移體上的車輛荷載常用等效代換土層厚度法進(jìn)行換算，車輛荷載換算計(jì)算如圖1所示，其厚度h0按下式計(jì)算

(1)

式中，γ為墻后填料的容重，kN/m3；B為破壞棱體寬度，m；L為擋土墻計(jì)算長(zhǎng)度，m；∑Q為布置在B×L面積內(nèi)的車輪總重，kN。

擋土墻計(jì)算長(zhǎng)度按規(guī)范[7-8]規(guī)定選取，各級(jí)汽車荷載的重車，按式(2)計(jì)算：

(2)

式中，L0為前后軸距加輪胎著地長(zhǎng)度或履帶著地長(zhǎng)度，m。L0按表1確定。

表1 L0的取值 m

圖1 車輛荷載換算計(jì)算圖示

2.2 改進(jìn)方法

上述規(guī)范方法在未考慮車輛荷載的情況下計(jì)算出破裂角，由破裂角算出分布寬度，再在此分布寬度范圍內(nèi)布置車輛荷載，換算成均布土層厚度。但實(shí)際上由于在原路面上增加了等效代換土層厚度，其破裂角已經(jīng)發(fā)生改變，而改變的破裂角影響荷載的分布區(qū)域，必然會(huì)引起計(jì)算誤差增大，所以該方法有其局限性。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與擋土墻有一定的區(qū)別，但是可以把基坑支護(hù)影響區(qū)域看成一個(gè)大的擋土墻來(lái)考慮。同時(shí)，在規(guī)范規(guī)定方法的基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)等效土層厚度法來(lái)?yè)Q算車輛荷載[9]，進(jìn)而分析換算后的土層對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

首先，需要確定荷載面積，而此面積是以荷載寬度和長(zhǎng)度的乘積來(lái)計(jì)算。第一步要在沒有車輛荷載的情況下，運(yùn)用庫(kù)倫土壓力理論，采用極限平衡法相關(guān)公式來(lái)求取破裂角。再根據(jù)破裂角算出荷載寬度B0，其表達(dá)式為

(3)

在初步確定的荷載寬度B0上按設(shè)計(jì)要求的車輛荷載等級(jí)布置輪組，即可計(jì)算出初步土層厚度h1。第二步由初步的h1重新計(jì)算破裂角θ，其表達(dá)式為

(4)

用荷載寬度B1再重新布置輪組，又可算出新的土層厚度h2，最后再根據(jù)設(shè)計(jì)要求的精度即θn-1與θn的誤差限制在設(shè)定范圍內(nèi)，既可確定土層厚度hn作為最不利狀態(tài)的設(shè)計(jì)值。其表達(dá)式為

(5)

式中，γ為填料容重；φ為填料內(nèi)摩擦角；θ為棱體破裂角；a為擋土墻頂部填料高度；h為擋土墻高度；hi為等效代換土層高度；Bi為車輛荷載分布寬度(破壞棱體寬度)。

2.3 破裂角的求取

在庫(kù)倫土壓力理論中，根據(jù)庫(kù)倫土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖(圖2)，得到墻背對(duì)土體的反力

(6)

式中，ψ=φ+α+δ，其中φ、α、δ分別為填土的內(nèi)摩擦角、墻背傾角、墻土間的摩擦角。

圖2 庫(kù)倫土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖

為了計(jì)算滑動(dòng)土體即破裂棱體AC的長(zhǎng)度，須求得最危險(xiǎn)滑動(dòng)面BC的傾角θ。而對(duì)于本文，填土面AB為水平面，α=0，此時(shí)，令dE/dθ=0，得出θ的計(jì)算公式

(7)

在車輛荷載的作用下，破裂面跟路基相交位置的不同會(huì)出現(xiàn)不同的作用形式，如圖3所示，根據(jù)實(shí)例可以確定破裂面的邊界條件，進(jìn)而可以計(jì)算出其破裂棱體的自重

(8)

其中，A0、D0為邊界條件系數(shù)。

圖3 不同邊界條件的計(jì)算圖示

破裂面交于荷載內(nèi)側(cè)時(shí)

(9)

破裂面交于荷載中部時(shí)

(10)

破裂面交于荷載外側(cè)時(shí)

(11)

式中，h0為荷載換算的土層厚度；l0為車輛荷載的橫向分布長(zhǎng)度；b為邊坡水平寬度(豎直基坑，b=0)。

將式(8)代入式(6)得到

(12)

令dE/dθ=0，得到下式，再據(jù)此換算成為實(shí)時(shí)的破裂角θi

(13)

3 工程實(shí)例

白蒼嶺(衡陽(yáng)西)站為南寧市軌道交通1號(hào)線的第10座車站。車站位于衡陽(yáng)西路上，呈東西走向布置。車站總長(zhǎng)192.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m，底板主要坐落在粉質(zhì)黏土及黏土層中。車站標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度16.0～18.6 m，北端盾構(gòu)井段深約10.8 m，南端盾構(gòu)井段深約11.1 m。根據(jù)地質(zhì)資料，基坑開挖范圍內(nèi)的土層條件見表2。

表2 各層土物理力學(xué)參數(shù)

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的圍護(hù)方案，地下連續(xù)墻厚度為800 mm。車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑從上到下，第1道支撐為800 mm×800 mm混凝土(C30)支撐，第2、3道支撐均為鋼支撐(外徑609 mm，壁厚16 mm)，分別在0、-3.5、-8.1 m處設(shè)置?；訕?biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見圖4。

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面(單位:mm)

3.1 車輛荷載換算

由于庫(kù)倫土壓力理論的假設(shè)是，墻后填土是理想的散粒體，沒有考慮土的黏聚力，但是實(shí)際中填料往往是用黏性土，對(duì)于本文研究的基坑開挖場(chǎng)地，地層情況更加復(fù)雜，此時(shí)引入等效內(nèi)摩擦角[10]。針對(duì)黏性土的特性，按照工程界常取內(nèi)摩擦角φ=35°進(jìn)行計(jì)算，本基坑可以看成豎直的擋土墻，取δ=1/2φ進(jìn)行計(jì)算。

3.1.1 暫不考慮車輛荷載作用時(shí)計(jì)算破裂角

根據(jù)公式(7)計(jì)算初始破裂角θ0，

得到初始破裂角θ0=59.7°

初始破裂棱體寬度B0=10.84 m

擋土墻計(jì)算長(zhǎng)度L=5.6+Htan30°=16.339 m，根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]，取L=10 m。此時(shí)，等效代換土層厚度為

h1=∑Q/γB0L=0.27m。

3.1.2 考慮車輛荷載作用影響時(shí)計(jì)算破裂角

當(dāng)考慮車輛荷載作用時(shí)，土體的破裂角必然會(huì)發(fā)生改變，而變化后的破裂角也會(huì)引起破壞棱體寬度的變化，此時(shí)分布面積便發(fā)生了改變，應(yīng)再次計(jì)算破裂角θ1。根據(jù)邊界條件可知，對(duì)于本工程場(chǎng)地，破裂面交于荷載外側(cè)，在該豎直基坑中a、b、α均為零，此時(shí)θ1按照公式(13)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到此時(shí)的破裂角為θ1=60.2°；

破裂棱體寬度B1=10.6m；

等效代換土層厚度為h1=∑Q/γB1L=0.276m。

按照此方法反復(fù)迭代計(jì)算，直至收斂，最后計(jì)算得到破裂角θ=60.2°，等效代換土層厚度h=0.276m。

車輛荷載對(duì)周圍建筑結(jié)構(gòu)的影響主要有靜載產(chǎn)生的豎向壓力以及振動(dòng)荷載，等效代換土層厚度法換算的荷載是車輛靜載部分，而沒有考慮車輛動(dòng)荷載的影響。引入動(dòng)荷載系數(shù)[11]來(lái)考慮車輛動(dòng)荷載的作用，動(dòng)荷載系數(shù)常規(guī)取值為μ=0.1～0.4，此時(shí)由振動(dòng)荷載部分轉(zhuǎn)換成的土層厚度取為h′=0.4h。車輛荷載的最終換算厚度為Δh=1.4h=0.386m。另一方面，在工程實(shí)際中，在基坑附近的車輛荷載會(huì)有相應(yīng)的限速處理，振動(dòng)荷載的影響會(huì)相應(yīng)的減少，所以，針對(duì)不同工程實(shí)際情況，車輛動(dòng)荷載的影響會(huì)有差異性。

3.2 結(jié)果分析3.2.1 穩(wěn)定性分析

根據(jù)常規(guī)基坑穩(wěn)定性計(jì)算方法，從整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定性3個(gè)方面進(jìn)行理論分析，將本文的改進(jìn)方法與工程中常規(guī)取路面荷載為20kPa的情況和不考慮車輛荷載時(shí)的情況分別進(jìn)行對(duì)比分析。

其中，整體穩(wěn)定采用瑞典條分法進(jìn)行驗(yàn)算；在深厚的軟土層中，當(dāng)基坑開挖深度較大時(shí)，則作用在坑外側(cè)的坑底水平面上的荷載相應(yīng)增大，此時(shí)就需要驗(yàn)算坑底土的承載力，承載力不足時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致坑底土的隆起，故需進(jìn)行抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算。參照普朗特爾(Prandtl)及太沙基(Terzaghi)理論分別進(jìn)行抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 安全系數(shù)

由表3可以看出，改進(jìn)方法的整體穩(wěn)定安全系數(shù)和抗傾覆安全系數(shù)略有增高，但增加幅度不大，而抗隆起安全系數(shù)略有降低，總體都在規(guī)范規(guī)定的范圍之內(nèi)，故均可滿足工程要求。

3.2.2 墻體水平位移分析

結(jié)合實(shí)例，應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬分析。計(jì)算模型中，基坑左右邊界范圍取開挖深度的3～4倍，深度范圍取開挖深度的2～3倍，故基坑左右邊界分別取40 m，下邊界取30 m，取7個(gè)地下連續(xù)墻槽幅進(jìn)行分析，每個(gè)槽幅寬6 m，故模型尺寸為98.9 m(長(zhǎng))×42 m(寬)×30 m(高)。

土體單元采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，地下連續(xù)墻采用shell單元模擬，鋼筋混凝土支撐及鋼支撐均采用beam單元模擬?；舆吔鐥l件假設(shè)為：基坑左側(cè)、右側(cè)和前后面方向水平約束，其他方向自由；土體底面為3個(gè)方向約束。通過(guò)模擬文中分析的3種情況，整理得到圖5～圖7的結(jié)果。

從圖5看出，當(dāng)開挖到4 m深時(shí)變形都相對(duì)較小，3種情況下變形趨勢(shì)基本相同，主要是由于此時(shí)開挖深度較淺，側(cè)壓力相對(duì)較小，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響相對(duì)較小。從圖6中的變形曲線可以看出，隨著開挖深度的加大，墻體向坑內(nèi)的水平位移逐漸增大，變形幅度增加。利用3種方法得到的開挖變形曲線都呈現(xiàn)出兩頭小，中間大的“大肚形”變形特點(diǎn)，最大水平位移量隨著開挖深度的增加而增大。采用常規(guī)的取路面荷載為20kPa進(jìn)行計(jì)算時(shí)，最大水平位移相對(duì)較大，且最大水平位移點(diǎn)的位置相對(duì)較高；利用改進(jìn)等效代換土層厚度法得到的墻體最大水平位移發(fā)生位置略有下移。

由圖7可知，當(dāng)開挖至11.1 m時(shí)，隨著開挖深度加深，變形加大，最大水平位移點(diǎn)逐漸向下移動(dòng)，開挖到坑底后，變形趨勢(shì)減緩。由改進(jìn)等效代換土層厚度法得到的墻體最大水平位移值比常規(guī)方法得到的略大，但增加幅值卻相對(duì)較小，在可控的范圍之內(nèi)。當(dāng)基坑深度在10 m以下時(shí)，水平位移的變化規(guī)律基本一致，主要原因在于地面超載對(duì)基坑的影響深度是有限的，在基坑較深的位置，地面超載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響已十分微小。

結(jié)合上述分析，本文引入的改進(jìn)等效代換土層厚度法對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響與常規(guī)方法作用相似，故在考慮車輛荷載作用時(shí)，改進(jìn)等效代換土層法仍有較好的適用性。

圖5 開挖至4 m工況變形曲線

圖6 開挖至8.6 m工況變形曲線

圖7 開挖至11.1 m工況變形曲線

4 結(jié)語(yǔ)

(1)引入改進(jìn)等效代換土層厚度法能有效解決土層厚度改變而引起破裂角變化的實(shí)際問(wèn)題，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用改進(jìn)等效代換土層厚度法來(lái)考慮車輛荷載影響是可行的，并為在基坑工程中如何考慮車輛荷載提出一個(gè)新的計(jì)算思路。

(2)由于車輛荷載的作用深度有限，基坑相對(duì)較深時(shí)，車輛荷載對(duì)深基坑的底部影響較小，故用本文提出的改進(jìn)等效代換土層厚度法來(lái)考慮車輛荷載對(duì)特大深基坑的作用時(shí)，其影響相對(duì)較小。

(3)本文理論是根據(jù)墻后土體滑動(dòng)楔塊處于極限狀態(tài)下的靜力平衡導(dǎo)出的計(jì)算公式，而擋土墻所受土壓力的大小與基坑支護(hù)墻體的高度、粗糙度以及填土表面形狀等因素也有關(guān)系，有些影響因素未作考慮，僅從車輛荷載對(duì)基坑的影響進(jìn)行重點(diǎn)分析。

[1]樊秀峰，簡(jiǎn)文彬.交通荷載作用下邊坡振動(dòng)響應(yīng)特性分析[J].巖土力學(xué)，2006，27(S):1197-1201.

[2]黎冰，高玉峰，魏代現(xiàn)，等.車輛荷載的影響深度及其影響因素的研究[J].巖土力學(xué)，2005，26(S):310-313.

[3]葉四橋，唐紅梅，肖盛燮，等.汽車荷載對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響分析[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(5):106-109.

[4]石鈺鋒，寧銳，張學(xué)民，等.列車動(dòng)載影響下偏壓地鐵基坑穩(wěn)定性分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(12):96-98.

[5]張向東，張晨光，劉家順.交通荷載作用下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22(2):125-129.

[6]劉素錦，郭明偉，李兆源，等.淺析車輛荷載對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5(1):105-108.

[7]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG D30—2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[8]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[9]王來(lái)福.汽車荷載作用下?lián)跬翂ν翂毫τ?jì)算方法的改進(jìn)[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，35(5):827-829.

[10]羅剛.等效內(nèi)摩擦角及其在高擋土墻設(shè)計(jì)的運(yùn)用[J].工業(yè)建筑，1997，27(6):37-42.

[11]曹源文，梁乃興，于清，等.路面不平整引起的車輛動(dòng)載計(jì)算方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2008，8(2):69-73.

Analysis of the Influence of Vehicle Load on Deep Excavation Supporting Structure

TANG Li-yun, QIU Pei-yong, YE Wan-jun, YANG Geng-she

(School of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science & Technology, Xi’an 710054, China )

In order to analyze the influence of vehicle load on deep excavation supporting structure, the conventional equivalent thickness of soil layer method is introduced, and the problem of the change of rupture angle caused by vehicle loads is addressed, and an improved method is introduced to solve this problem. The deadweight of rupture mass is calculated according to Coulomb’ s earth pressure theory. The convergence value of rupture angle is obtained by means of circulative iteration with reference to the equilibrium relation where the rupture mass keeps an equilibrium state, and the thickness of the new soil layer is calculated based on the rupture angle. In the light of the foundation pit of metro station in a city, and the influence of a conventional method and the improved equivalent layer method on supporting structure are compared by simulation, and the curves of horizontal displacements are obtained. The results indicate that the change of rupture angle will cause the change of the equivalent thickness of soil layer, and, as a consequence, the calculation accuracy is affected. It is applicable to employ the improved equivalent thickness of soil layer method to address the influence of vehicle load..

Vehicle load; Deep excavation supporting structure; Improved equivalent thickness of soil layer method; Stability

2014-10-27

陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(2014KCT-30)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程(2011KTZ03-02-01)

唐麗云(1977—)，女，副教授。

1004-2954(2015)08-0122-05

TU443

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.026