緊鄰鐵路深基坑鉆孔樁支護(hù)嵌入深度研究

鄧昌霞

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地面交通的數(shù)量和規(guī)模越來越大，鐵路、公路網(wǎng)絡(luò)相互交叉，導(dǎo)致交通設(shè)施越來越擁擠。受環(huán)境、規(guī)劃等因素的制約，許多下穿道路通道或者上跨線路橋墩的基坑修建在既有線旁。基坑的開挖改變了原有土體的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)，引起既有線路產(chǎn)生不利變形[1-3]。當(dāng)基坑緊鄰既有線路時(shí)，基坑開挖施工的不利影響尤為顯著[4-5]。為降低既有線路的附加變形，提高既有線路的安全性，常采用鉆孔樁在靠近既有線路一側(cè)的坑壁進(jìn)行支護(hù)加固方式[6]，其嵌入深度是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，會(huì)對(duì)基坑的穩(wěn)定性及既有線路的變形產(chǎn)生巨大影響[7-9]。

目前，計(jì)算支護(hù)樁嵌入深度主要基于經(jīng)典土力學(xué)理論的極限平衡法[10]，即不考慮樁與土體之間的相互影響，將鉆孔樁系統(tǒng)形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)視作受力結(jié)構(gòu)，然后基于郎肯土壓力法計(jì)算樁背側(cè)的主動(dòng)土壓力和樁前側(cè)的被動(dòng)土壓力，最后通過力矩平衡方程求得嵌入樁底深度[11-12]。然而，這種方法不能考慮開挖卸荷效應(yīng)，其計(jì)算結(jié)果與基坑開挖施工過程真實(shí)應(yīng)力存在顯著差異。

以某緊鄰既有鐵路的深基坑為研究對(duì)象，首先建立基坑和支護(hù)樁的二維剛性極限平衡分析模型，采用郎肯土壓力計(jì)算方法得到樁背主動(dòng)土壓力和樁前被動(dòng)土壓力，進(jìn)而計(jì)算出基樁嵌入坑底的解析計(jì)算深度；然后，基于有限元方法建立數(shù)值分析模型，分析研究不同嵌入深度條件下地表沉陷、坑底隆起和基樁撓曲變形規(guī)律[13-15]，研究既有鐵路路基變形受嵌入深度變化的影響規(guī)律，探求鉆孔樁的最優(yōu)嵌入深度，并與基于極限平衡分析模型得到的嵌入深度進(jìn)行對(duì)比。

1 工程概況

某框架橋施工基坑深約9 m，寬約10 m，長(zhǎng)約60 m，基坑延伸方向一側(cè)緊鄰既有鐵路，靠近既有鐵路一側(cè)坑壁采用鉆孔樁進(jìn)行支護(hù)，鉆孔φ1.25 m@1.5 m，基坑另外三面采用1∶0.5放坡?；訑嗝嫒鐖D1所示。

圖1 基坑設(shè)計(jì)斷面(單位：m)

基坑開挖土層主要為細(xì)圓礫土和粉質(zhì)黏土。細(xì)圓土層呈黃褐色，稍濕，稍密-中密，含約50%圓礫，原巖以安山巖及凝灰?guī)r為主，一般粒徑為20～40 mm，最大70 mm，呈渾圓狀，充填物為中粗砂及少量粉質(zhì)黏土，常夾有粉土、粉質(zhì)黏土薄層及透鏡體；粉質(zhì)黏土層呈黃褐色，硬塑，以粉黏粒為主，切面光滑，含少量細(xì)顆粒。細(xì)圓礫土層和粉質(zhì)黏土層交替水平出現(xiàn)，從上至下分布情況為：細(xì)圓礫土(6.3 m)、粉質(zhì)黏土(3.6 m)、細(xì)圓礫土(5.0 m)、粉質(zhì)黏土(10 m)。此處地下水埋深距地表20～22 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)獲得的細(xì)圓礫土層和粉質(zhì)黏土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。 鉆孔樁施工過程中，采用泥漿護(hù)壁方式成孔，樁孔質(zhì)檢合格后安放鋼筋籠并灌注混凝土?；炷翗?biāo)號(hào)為C35，鋼筋籠的縱向鋼筋為HRB335，水平鋼筋為HPB235，交接處焊接。根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范，鉆孔樁力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層及樁體力學(xué)參數(shù)

2 基于極限平衡方法的嵌入深度計(jì)算

假設(shè)計(jì)算高度h=20 m，由于各土層物理力學(xué)參數(shù)差別不大，故采用加權(quán)算法計(jì)算平均土壓力。

26.76 (kN/m2)

(1)

(2)

(3)

主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka為

(4)

被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp為

(5)

主動(dòng)土壓力強(qiáng)度Pa為

(26.76×h)×0.51-2×19.35×0.71=

(13.65h-27.48) kPa

(6)

被動(dòng)土壓力強(qiáng)度Pp為

(26.76×h)×1.96+2×20.45×1.40=

(52.45h+57.26) kPa

(7)

迎土區(qū)土壓力為零點(diǎn)的高度h為

(8)

迎土區(qū)基坑底土壓力P1為

26.76×9×0.51-2×19.35×0.71=95.35 kPa

(9)

背土區(qū)基坑底土壓力P2為

0+2×20.45×1.40=57.26 kPa

(10)

根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)，主動(dòng)土壓力強(qiáng)度和被動(dòng)土壓力強(qiáng)度分布如圖2所示。

圖2 土壓力強(qiáng)度隨深度變化(單位：m)

假設(shè)距離坑底h處的主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力相等，即

(11)

解得

(12)

因?yàn)橛羺^(qū)的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度和背土區(qū)的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度方向相反，所以在深基坑底部以下的范圍內(nèi)土壓力可以相減，化簡(jiǎn)后的土壓力強(qiáng)度線如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化后的土壓力強(qiáng)度隨深度變化(單位：m)

假設(shè)埋入深度為h，將主動(dòng)土壓力強(qiáng)度abc和bde，以及被動(dòng)土壓力efg對(duì)g點(diǎn)取力矩，使得efg產(chǎn)生的抵抗力矩大于由abc和bde所產(chǎn)生的傾覆力矩的2倍(即安全系數(shù)為2)，有

M抵抗≥2M傾覆

(13)

式中，M抵抗是被動(dòng)土壓力對(duì)g點(diǎn)產(chǎn)生的力矩(為順時(shí)針)，M傾覆是主動(dòng)土壓力對(duì)g點(diǎn)產(chǎn)生的力矩(為逆時(shí)針)。進(jìn)一步得到

2×(F1×e1+F2×e2)

(14)

式中：h—深基坑底以下深度/m；Pp—被動(dòng)土壓力強(qiáng)度/kPa；Pa—被動(dòng)土壓力強(qiáng)度/kPa；e—土壓力強(qiáng)度efg的作用點(diǎn)到g點(diǎn)的力矩；F1—主動(dòng)土壓力強(qiáng)度abc的合力/kN；e1—合力F1到g點(diǎn)的力矩；F2—主動(dòng)土壓力強(qiáng)度bde的合力/kN；e2—合力F2到g點(diǎn)的力矩。

式(14)中，各個(gè)變量的計(jì)算式為

(15)

將式(15)代入到式(14)中，有

12.934h3-0.280 46h2-1 446.462 474h-

3 061.416 2≥0

(16)

求解式(16)，得到鉆孔樁最小嵌入坑底深度(h=11.52 m)。為確保樁的穩(wěn)定，在已求得的鋼板樁入土深度基礎(chǔ)上，乘1.15系數(shù)，增加鋼板樁埋入土體的長(zhǎng)度。因此，鉆孔樁的最終長(zhǎng)度為

11.52×(1+0.15)+9=22.25≈23 m

(17)

3 不同嵌入深度對(duì)變形影響規(guī)律研究

利用有限元軟件Phase Ⅱ建立基坑平面的二維應(yīng)變模型，土體采用三角形單元，屈服準(zhǔn)則采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，力學(xué)參數(shù)見表1，鉆孔樁采用襯砌單元(liner)進(jìn)行模擬，土層共分為4層，從上至下依次為：細(xì)圓礫土①、粉質(zhì)黏土①、細(xì)圓礫土②、粉質(zhì)黏土②?；臃?步開挖，嵌入深度考慮8種情況：1 m、3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m、15 m。數(shù)值分析網(wǎng)格模型見圖4。由圖4可知，模型頂部無約束，其它3個(gè)側(cè)面約束法向位移，在模擬過程中，先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，然后設(shè)置鉆孔樁，最后分步開挖土體，觀測(cè)開挖完成后的坑底和鉆孔樁側(cè)基坑變形。

圖4 基坑開挖的網(wǎng)格模型

圖5和圖6分別表示不同嵌入深度條件下坑底隆起和右側(cè)坑壁的變形曲線。由圖5可知，坑底隆起變形特征是中間大、兩端小，但是左側(cè)隆起幅度要大于右側(cè)隆起幅度，這是由于右側(cè)鉆孔樁可以在一定程度上約束土體的側(cè)向擠壓位移，另外，隨著嵌入深度的增大，隆起變形曲線在坐標(biāo)軸中是整體下降的，表明增大嵌入深度可以有效降低坑底隆起變形。由圖6可知，基坑側(cè)壁變形呈現(xiàn)鼓脹的形式，即頂部和底部變形小、中部變形大，鉆孔樁呈現(xiàn)一定程度撓曲現(xiàn)象。另外，隨著嵌入深度的增大，側(cè)壁變形曲線整體下降，表明嵌入深度越大，側(cè)壁變形越小，提高鉆孔樁的深度可在一定程度上限制側(cè)壁變形。

圖5 坑底隆起變形曲線

圖6 坑壁側(cè)向變形曲線

為進(jìn)一步研究隆起變形、側(cè)壁變形與嵌入深度的關(guān)系，圖7和圖8展示了隆起變形和側(cè)壁變形隨嵌入深度的演化曲線。由圖7和圖8可知，隨著嵌入深度的增大，隆起變形和側(cè)壁變形均開始顯著降低，隨著嵌入深度的進(jìn)一步增大，隆起變形和側(cè)壁變形不再隨嵌入深度增大而降低，這說明存在一個(gè)最優(yōu)嵌入深度。分析可知，12 m是嵌入深度曲線的拐點(diǎn)。因此，可認(rèn)為12 m是該基坑的最優(yōu)嵌入深度，定義變量δ來表征最優(yōu)嵌入深度，即

(18)

式中，D表示嵌入深度/m；H表示基坑深度/m。最優(yōu)嵌入深度比取1.33。

圖7 坑底隆起變形隨嵌入深度的變化曲線

圖8 基坑側(cè)壁變形隨嵌入深度的變化曲線

圖9 最大主應(yīng)力

圖9～圖12分別表示嵌入深度為12 m時(shí)基坑開挖完成后的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布。由圖9～圖12可知，基坑開挖后，坡腳位移為3 cm時(shí)，坑底隆起約5 cm，左側(cè)邊坡體未產(chǎn)生大的變形和滑移，右側(cè)防護(hù)樁一側(cè)基坑位移僅有2 cm左右。由圖12可知，基坑邊坡土體未發(fā)生塑性破壞。另外，基坑底部出現(xiàn)應(yīng)力釋放，這也是坑底略微隆起的原因。防護(hù)樁在與基坑底部相同高程處應(yīng)力較為集中，在靠近基坑一側(cè)，出現(xiàn)了明顯壓應(yīng)力集中區(qū)，最大壓應(yīng)力為0.2 MPa，在背離基坑一側(cè)，出現(xiàn)了明顯拉應(yīng)力集中區(qū)，最大拉應(yīng)力為0.3 MPa。防護(hù)樁所受的最大拉壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于防護(hù)樁使用的鋼筋和混凝土抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，故判定防護(hù)樁安全。為對(duì)比與極限平衡計(jì)算的結(jié)果，圖13為基于數(shù)值模擬的樁側(cè)土壓力分布，對(duì)比圖3和圖13可知，兩種方法得到的土壓力分布較為接近，從而相互驗(yàn)證了兩種方法的可靠性。

圖10 最小主應(yīng)力

圖11 位移云圖

圖12 塑性區(qū)分布

圖13 樁側(cè)土壓力分布

4 結(jié)論

(1)基于郎肯土壓力計(jì)算方法，考慮樁前被動(dòng)土壓力和樁背主動(dòng)土壓力的力矩平衡條件，得到鉆孔樁

的安全嵌入深度為11.52 m。

(2)采用有限元數(shù)值模擬方法建立了基坑支護(hù)系統(tǒng)的地質(zhì)力學(xué)模型，坑底隆起變形和坑壁側(cè)向變形隨著嵌入深度的增大而不斷降低，表明增大嵌入深度可以有效約束基坑的變形，但當(dāng)嵌入深度增大到一定深度后，基坑變形不再受嵌入深度的影響，數(shù)值分析表明，最優(yōu)嵌入深度約等于1.33倍基坑深度。