一種多功能框架式抗滑棚洞的應(yīng)用研究

幸 芊

（1.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

我國(guó)西部地區(qū)山地城鎮(zhèn)眾多，這些城市由于用地條件限制，很多建筑、道路和公共設(shè)施都需建設(shè)在山體斜坡上。特別是很多隧道出入口受山體地形條件和城市用地條件限制，洞口展線及路基支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)存在很大的困難。

對(duì)于設(shè)置在山體上的洞口挖方路基段，當(dāng)存在較深厚不穩(wěn)定土層或其他產(chǎn)生較大下滑力與土壓力的情況時(shí)，傳統(tǒng)的棚洞結(jié)構(gòu)不能滿足支護(hù)邊坡的需要，同時(shí)傳統(tǒng)棚洞的施工易引起邊坡穩(wěn)定性問題，故一般采用抗滑樁支擋的挖方路基方案，常用的抗滑樁形式有抗滑樁板擋墻和錨拉式樁板擋墻兩種。由于荷載較大抗滑樁一般都需采用方形截面，有的甚至需要雙排樁滿足受力要求，同時(shí)采用逆作法施工。過去的工程經(jīng)驗(yàn)往往表現(xiàn)出以下問題：（1）矩形截面的抗滑樁在山區(qū)深厚的土層中成孔困難，施工安全風(fēng)險(xiǎn)大；（2）傳統(tǒng)的雙排樁結(jié)構(gòu)設(shè)置在道路單側(cè)，超出道路紅線很遠(yuǎn)的距離，占地很大；（3）對(duì)于錨拉樁結(jié)構(gòu)，其錨索在深厚的土層中成孔困難，且對(duì)于后期有一定變形的邊坡，對(duì)錨索的受力和耐久均存在諸多不利影響，故有時(shí)錨索方案也不盡合理；（4）山體上存在落石墜落可能時(shí)，路基支擋結(jié)構(gòu)沒有棚洞或明洞的防墜功能；（5）由于相關(guān)的研究和規(guī)范不盡完善，路基支擋結(jié)構(gòu)很難充分發(fā)揮抗震性能；（6）開挖路塹后，將山坡綠地分割開，破壞了城市山體綠化原有的功能。

隧道的棚洞結(jié)構(gòu)實(shí)際也是一種用于山坡上的路基結(jié)構(gòu)物，一半進(jìn)入山體內(nèi)，一半外露在山體上，形成一種半隧道半剛架的結(jié)構(gòu)物。馬國(guó)民等[1]、張志文等[2]介紹了這種結(jié)構(gòu)的基本性能和施工方式。棚洞可以解決山坡上的落石問題[3]。

雙排樁是利用前后兩排樁、橫向連系梁以及樁間土形成大剛度的剛架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的支護(hù)從而避免采用錨索來提高剛度。肖世國(guó)[4]介紹了框架式雙排抗滑樁的結(jié)構(gòu)機(jī)理和分析模型。

山地建筑是一種修建在半山上的建筑，這種建筑同樣需考慮側(cè)向土壓力作用和山體邊坡的穩(wěn)定性問題，朱貝寶[5]和范 重等[6]系統(tǒng)介紹了這種建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，且提出了采用土彈簧法模擬土體對(duì)地下室外墻的作用，土體面彈簧的剛度由地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)計(jì)算確定。

綜合傳統(tǒng)棚洞、雙排抗滑樁和建筑框架三種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出一種采用空間整體框架形式的新型棚洞結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既是一種棚洞，又是一種擋土墻。

1 框架式抗滑棚洞的力學(xué)機(jī)理

1.1 基本結(jié)構(gòu)形式

框架式棚洞結(jié)構(gòu)首先需要解決支擋邊坡的功能問題，因此其基本結(jié)構(gòu)需考慮抗滑構(gòu)造。與雙排抗滑樁結(jié)構(gòu)類似，框架式棚洞采用兩排或兩排以上抗滑樁和樁間橫向框架梁組成空間棚洞結(jié)構(gòu)。與雙排抗滑樁結(jié)構(gòu)整體位于道路單側(cè)不同，棚洞結(jié)構(gòu)兩排抗滑樁分別位于道路兩側(cè)。由于道路路面以上區(qū)域沒有土體，兩排抗滑樁在這一范圍內(nèi)只能通過橫向框架梁傳遞力。

在實(shí)際運(yùn)用中，可根據(jù)道路的路幅分布情況采用兩排或多排抗滑樁；根據(jù)地形情況，采用單層或多層結(jié)構(gòu)，并沿山體斜坡錯(cuò)落布置。增加的樓層空間可以作為市政管理用房、公共停車空間、公共休閑空間以及綠化景觀區(qū)域等，與山體建筑結(jié)構(gòu)類似。另外，與常規(guī)的棚洞一樣，框架式棚洞結(jié)構(gòu)具有防山體落石的功能。當(dāng)采用多層布置時(shí)，使用同樣的緩沖處理措施，較普通棚洞有更可靠的防墜落性能。圖1為框架式支擋結(jié)構(gòu)的構(gòu)造示意圖，單榀單層的框架形式見圖1（a），多榀多層的框架形式見圖1（b），圖中具體構(gòu)造尺寸根據(jù)計(jì)算確定。各榀框架能根據(jù)需要自由組合，可采用裝配式建筑技術(shù)。

圖1 新型棚洞的構(gòu)造示意圖（單位：cm）

1.2 結(jié)構(gòu)受力圖式

為計(jì)算框架式棚洞的抗滑擋土性能，需計(jì)算作用在結(jié)構(gòu)上的基本荷載。路基邊坡上，擋土墻受到的荷載主要分兩種情況：（1）當(dāng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求時(shí)，存在剩余下滑力作用到結(jié)構(gòu)上，此時(shí)按滑坡推力計(jì)算；（2）按邊坡的土壓力計(jì)算外力，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范乘以調(diào)整系數(shù)。兩種計(jì)算取最不利結(jié)果控制設(shè)計(jì)。

滑坡推力或邊坡的土壓力作用在臨土側(cè)的抗滑樁上（見圖2）。棚洞路面以上的樁體長(zhǎng)度為樁的懸臂長(zhǎng)度，路面以下范圍且滑動(dòng)面以下范圍的樁體長(zhǎng)度為樁的嵌固長(zhǎng)度，根據(jù)地質(zhì)條件，按“m”法或“k”法計(jì)算水平地基抗力系數(shù)。

土壓力的計(jì)算應(yīng)根據(jù)框架結(jié)構(gòu)的具體剛度和位移選擇合理的土壓力計(jì)算方式?！稓W洲巖土設(shè)計(jì)規(guī)范 Eurocode7》（BS EN1997-1:2004）規(guī)定，當(dāng)擋土結(jié)構(gòu)的水平位移小于等于0.05%擋土結(jié)構(gòu)計(jì)算高度時(shí)，或結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)動(dòng)位移小于等于0.00005 rad 時(shí)，擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力為靜止土壓力[7]。經(jīng)試算，一般情況，橫向單榀的框架結(jié)構(gòu)位移相對(duì)大，可采用修正后的主動(dòng)土壓力。雙榀以上框架側(cè)向剛度大，結(jié)構(gòu)位移小，推薦采用靜止土壓力。

1.3 結(jié)構(gòu)分析的基本方法

雙排樁的排距在3～4d（d為樁徑）計(jì)算位移和彎矩比較理想[8]。由于框架式棚洞的兩排樁分別位于道路的兩側(cè)，其間距大于3～4d，此時(shí)臨空側(cè)的抗滑樁對(duì)于臨土側(cè)抗滑樁起的作用相當(dāng)于錨拉作用。在空間協(xié)同作用下，框架梁兩端可近似按具有一定抗彎剛度固定支座考慮，兩根樁分別對(duì)框架梁產(chǎn)生水平力、彎矩和扭矩，且滿足力、位移疊加原理?？捎勺冃芜B續(xù)、靜力平衡條件確定該結(jié)構(gòu)的方程，求出框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形[9]。由于實(shí)際工程中邊界條件、受力情況比較復(fù)雜，有必要采用有限元法數(shù)值計(jì)算。基于變形協(xié)調(diào)原理，支擋結(jié)構(gòu)的靜力平衡，考慮樁、梁的剛度，由有限元直接剛度法建立剛度矩陣求解[10]：

式中： {F}為節(jié)點(diǎn)荷載向量；{M}為節(jié)點(diǎn)位移向量；[K]為結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣。

有限元模型中，棚洞的框架梁和抗滑樁采用普通梁?jiǎn)卧ㄒ妶D3）。建立空間模型時(shí)，擋土板采用板單元，建立平面模型時(shí)，不考慮擋土板?；峦屏屯翂毫ψ鳛楹奢d作用在對(duì)應(yīng)的梁?jiǎn)卧?。邊界條件：抗滑樁的嵌固段按巖土彈性抗力計(jì)算剛度設(shè)置地層彈簧單元；車行道地梁按“Winkler”地基梁方法計(jì)算剛度并設(shè)置地基彈簧邊界，當(dāng)該區(qū)域的地層為欠固結(jié)土層時(shí)；若考慮后期沉降造成與地梁的脫空，則不設(shè)置地基彈簧邊界。

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型

其中建模的關(guān)鍵是棚洞抗滑樁側(cè)向地層彈簧單元的設(shè)置。地基彈簧單元的計(jì)算按靜力有限元方法計(jì)算，根據(jù)《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51336-2018）第6.2.3 條，取值方法如下：

（1）首先通過K30試驗(yàn)結(jié)合原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)以及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)綜合確定基床系數(shù)K。

（2）然后通過K計(jì)算地基彈簧剛度

式中：l為地基的集中彈簧間距；d為結(jié)構(gòu)的縱向計(jì)算長(zhǎng)度。

2 項(xiàng)目概況

重慶曾家?guī)r大橋北延伸工程位于重慶市兩江新區(qū)人和組團(tuán)、鴛鴦組團(tuán)，起于重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋終點(diǎn)，向北延伸穿越火鳳山，終點(diǎn)接重慶園博園東路。其中火鳳山1#隧道與2#隧道之間的道路為從現(xiàn)狀山體斜坡上通過的路基段，線路空間關(guān)系見圖4。道路位于自然斜坡中部，原始斜坡總體傾向東南側(cè)，地形坡度一般為25°～35°，局部土達(dá)到65°。

圖4 路基方案剖面示意圖（單位：cm）

斜坡地表殘?zhí)钔练植紡V泛，為城市建設(shè)形成，上部填土厚達(dá)21.1～33.2 m，現(xiàn)狀為火鳳山公園的綠地區(qū)域。下伏基巖為中侏羅統(tǒng)沙溪廟組泥巖夾砂巖。強(qiáng)風(fēng)化層厚0.8～3.7 m，中等風(fēng)化層巖體4 為軟巖?；镜刭|(zhì)參數(shù)見表1。坡體覆蓋的回填土整體較松散，局部粒徑較大，回填材料以開挖的山體巖塊石和黏土為主，局部堅(jiān)硬，局部軟弱。場(chǎng)地內(nèi)又因回填時(shí)的差異可能存在較大的離散性，土工試驗(yàn)難掌握人工回填土的特性。

表1 地質(zhì)參數(shù)

2.1 傳統(tǒng)路基支擋方案

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算成果，開挖路基后，道路上部邊坡會(huì)發(fā)生下滑，按折線滑動(dòng)法計(jì)算滑坡剩余下滑力為1100 kN/m，折算到14 m 長(zhǎng)懸臂的抗滑樁上，按矩形分布，抗滑樁間距5 m，則每根樁承受的荷載為1100×5/14=393 kN/m。

兩種可能的路基支擋方案為雙排樁方案和錨拉樁方案（見圖5）?？够瑯毒鶠榉叫谓孛?，逆作法施工。

2.2 框架式抗滑棚洞方案

根據(jù)路幅，框架式棚洞采用四排抗滑樁布置，分別位于道路兩側(cè)，頂部和路面下均設(shè)置橫向框架梁，對(duì)應(yīng)的抗滑樁位置設(shè)置縱向框架梁，頂部根據(jù)山體斜坡分階布置第二、三層結(jié)構(gòu)，形成棚洞結(jié)構(gòu)方案（見圖5）。除棚洞的交通空間外，創(chuàng)造出來的建筑空間可以作為市政管理用房、停車用房和公園休閑區(qū)域等公共空間，結(jié)構(gòu)頂部進(jìn)行綠化處理，將棚洞融入到山體公園中。

圖5 框架式棚洞方案剖面示意圖（單位：cm）

抗滑棚洞較傳統(tǒng)路基方案存在如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）抗滑棚洞剛度大，樁采用圓形截面即可，較路基結(jié)構(gòu)的矩形截面，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)均減小。

（2）抗滑棚洞的框架覆蓋在整個(gè)道路紅線范圍內(nèi)，不占用外側(cè)用地。而雙排樁方案大量超出道路紅線，錨拉樁的錨索則占用紅線外的地下空間。

（3）路基錨拉樁方案，其預(yù)應(yīng)力錨索需要在回填土中成孔，施工困難。且因荷載大，巖體為軟巖，需采用壓力分散型錨索才能滿足受力要求。但這種錨索施工工序繁瑣，后期土體沉降和邊坡變形易造成錨索的受力不均，也很難補(bǔ)張拉，影響耐久[11]；抗滑棚洞不采用錨索就能達(dá)到需要的剛度。

（4）抗滑棚洞具有阻隔落石的功能，且具有多層構(gòu)造，采取適當(dāng)?shù)木彌_措施，較常規(guī)棚洞有更可靠的防落石墜落性能。

（5）抗滑棚洞以山體建筑的形式，連通山體上、下部綠地，將建筑融入到山體公園中。增加的樓層，可被賦予公共建筑的功能，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目增值。

3 框架式抗滑棚洞受力性能

3.1 結(jié)構(gòu)有限元分析

通過1.3 節(jié)的方法建立有限元模型，模型采用空間三維模型，棚洞的抗滑樁和框架梁采用梁?jiǎn)卧?，擋土板和樓板采用板單元，抗滑樁與巖土體接觸部位設(shè)置地層彈簧單元（見圖6）。按照1.2 節(jié)的方法計(jì)算，將計(jì)算下滑力施加到抗滑樁上，考慮停車區(qū)車輛荷載、綠化區(qū)覆土荷載以及人群荷載，分別施加到相應(yīng)的框架梁樓板上，通過規(guī)范進(jìn)行荷載組合。

圖6 有限元結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)側(cè)向變形如圖7，最大側(cè)向位移為40 mm?？梢哉J(rèn)為已獲得理想的支護(hù)剛度。

圖7 結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移計(jì)算圖

最終結(jié)構(gòu)的彎矩分布見圖8。此時(shí)棚洞的抗滑樁最大彎矩為8228 kN·m，采用圓形截面承載力可以滿足要求?？梢钥闯觯^常規(guī)的雙排樁結(jié)構(gòu)，框架式抗滑棚洞各排樁之間的彎矩分布更均勻。同時(shí)，也可以通過調(diào)整框架梁的位置和剛度來優(yōu)化抗滑樁上的內(nèi)力分布。

圖8 結(jié)構(gòu)計(jì)算彎矩分布圖

3.2 框架式棚洞施工過程的數(shù)值模擬分析

框架式抗滑棚洞的必要功能之一，就是滿足施工過程的邊坡穩(wěn)定需要。為分析框架式抗滑棚洞施工過程對(duì)山體的擾動(dòng)影響情況，采用有限元數(shù)值模擬的方式進(jìn)行計(jì)算分析。

計(jì)算采用“地層-結(jié)構(gòu)”模型，抗滑樁和框架梁采用梁?jiǎn)卧?，巖土體采用平面應(yīng)變單元，梁?jiǎn)卧c平面應(yīng)變單元之間節(jié)點(diǎn)耦合。巖、土體單元采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)，并將土巖界面處的區(qū)域單獨(dú)模擬，用于模擬滑動(dòng)面單元。當(dāng)滑動(dòng)面比較薄時(shí)可采用接觸對(duì)的方式建立接觸面。

施工過程模擬如下：（1）邊坡整體計(jì)算，自重應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生，位移清零；（2）激活抗滑樁單元；（3）逆作法分層開挖土體單元，并激活對(duì)應(yīng)的框架梁?jiǎn)卧唬?）完成全部開挖和梁?jiǎn)卧せ詈?，施加樓板單元及荷載。最后完成施工。

各個(gè)施工階段結(jié)構(gòu)和邊坡側(cè)向位移見圖9，最大位移40 mm，各階段變形均處于可控范圍。

圖9 邊坡水平方向位移圖

為檢驗(yàn)棚洞設(shè)置后的效果，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡安全系數(shù)。強(qiáng)度折減法是對(duì)整個(gè)邊坡巖土參數(shù)的折減，認(rèn)為邊坡達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)就是安全系數(shù)。本模型采用塑性應(yīng)變的發(fā)展來判斷邊坡臨界破壞狀態(tài)（見圖10）。得到此時(shí)的安全系數(shù)為1.625?？梢钥闯雠锒唇Y(jié)構(gòu)上方的邊坡塑性區(qū)無貫通，主要塑性區(qū)產(chǎn)生在棚洞結(jié)構(gòu)下方，表現(xiàn)為土體內(nèi)部圓弧滑動(dòng)，此時(shí)安全系數(shù)已大于1.35，滿足安全要求。

圖10 邊坡塑性區(qū)計(jì)算圖

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

（1）框架式抗滑棚洞結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的側(cè)向剛度，能代替錨拉結(jié)構(gòu)解決控制邊坡變形的問題。

（2）框架式抗滑棚洞結(jié)構(gòu)的各梁、柱構(gòu)件能整體發(fā)揮受力作用，可避免出現(xiàn)局部受力過大的問題。

（3）從實(shí)施工法上看，能通過先樁后梁，從上至下的“逆作法”工藝，減少施工對(duì)邊坡的擾動(dòng)，并獲得更好的施工安全性。

4.2 討論

框架式抗滑棚洞結(jié)構(gòu)解決了大荷載作用下挖方路基邊坡的技術(shù)問題，具有很強(qiáng)的施工安全性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)可靠性，還為城市公共空間和地下空間的開發(fā)提供了新的方案。主要應(yīng)用范圍如下：

（1）受到較力荷載或邊坡存在穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)的山體斜坡上的道路或隧道明洞。

（2）受力較大，但又需要減少道路紅線外支擋結(jié)構(gòu)占地的道路挖方路基。

（3）需要強(qiáng)化抗滑樁側(cè)向剛度而又不適合采用錨索的邊坡。

（4）山體存在落石可能，有防墜需要的項(xiàng)目。

（5）有條件或有需要進(jìn)行城市公共空和地下空間拓展和開發(fā)的道路工程項(xiàng)目。