某城市道路地下通道基坑穩(wěn)定性分析

西安公路研究院 陜西西安 710065

摘要：選擇某一級基坑，施工方法采取明挖法，一般此類基坑根據(jù)施工要求需加橫向支撐，以確保支護(hù)結(jié)構(gòu)及背后坡體的安全，為了加快施工進(jìn)度方便施工，將支護(hù)改為不設(shè)橫撐的結(jié)構(gòu)形式，因此本支護(hù)的結(jié)構(gòu)和土體受力也發(fā)生改變，為了保證施工過程中得到安全，對此類支護(hù)形式進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，以檢驗(yàn)此種施工工藝的合理性和有效性。

關(guān)鍵詞：基坑；無橫撐；支護(hù)；穩(wěn)定性；

1引言

近年來，城市道路交通壓力劇增，很多城市都修建了大量地下通道以方便行人，修建過程中基坑的開挖與支護(hù)是必不可少的，基坑開挖時(shí)，由于坑內(nèi)土體挖出后，地基的應(yīng)力場和變形場發(fā)生變化，導(dǎo)致地基失穩(wěn)現(xiàn)象屢見不鮮。基坑的失穩(wěn)與破壞可以是緩慢的，也可以是突然的，但都有明顯的觸發(fā)因素，諸如振動(dòng)、暴雨、外荷或其他的人為因素，所以在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需要驗(yàn)算基坑的穩(wěn)定性，保證地基穩(wěn)定性具有一定安全度。

2工程案例

某公路通道采取明挖法施工，通道全長982m，通道所在處為現(xiàn)有舊路路基范圍，所屬位置地形較平坦。通道分開口段與閉口段，開口段共427m。閉口段共555m，為封閉矩形雙孔框架結(jié)構(gòu)。通道現(xiàn)有的支護(hù)結(jié)構(gòu)可視為懸臂式支護(hù)，支護(hù)樁樁長9m，嵌巖深度4.3m。

采用大型有限元MIDAS按最不利狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，考慮結(jié)構(gòu)自重，墻后填土及墻厚頂面荷載作用，同時(shí)考慮水位對土體壓力的作用。

2.1 計(jì)算荷載

在地基變形和樁后填土的作用下，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上部會(huì)發(fā)生一定量的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，這使樁背上的土壓力逐漸趨向于主動(dòng)土壓力，而基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的下部可按被動(dòng)土壓力計(jì)算，符合懸臂式排樁的支護(hù)特點(diǎn)，計(jì)算方法采用朗金土壓力理論[1]。

根據(jù)實(shí)際情況，計(jì)算中取q=80kN/m2，上部填土按q2=60kN/m2，有效荷載取q1=20kN/m2，水位以下及墻前基坑以下均按土的浮重度計(jì)算。

2.2支護(hù)樁結(jié)構(gòu)理論計(jì)算

一、支護(hù)樁的主動(dòng)土壓力

計(jì)算填土參數(shù)：ka1=0.839，γ1=18.5kN/m，γw=9.8kN/m

其中，γw—水容重；γ1—土容重；γ2w—土浮重；ka1—填土主動(dòng)土壓力系數(shù)；ka2—粉土主動(dòng)土壓力系數(shù)，取0.602，z—土層的深度，h—計(jì)算截面與地下水位的高差。

（1）樁頂主動(dòng)土壓力（z=0，h=0）

ea1=48.8kpa

（2）支護(hù)樁土層分界處上側(cè)填筑土主動(dòng)土壓力（z=1.19，h=0）

（3）支護(hù)樁土層分界處下側(cè)填筑土主動(dòng)土壓力計(jì)算（z=1.19，h=0，c=0）

（4）支護(hù)樁粉土層下緣主動(dòng)土壓力計(jì)算（z1=1.19，z2=5，h=，5，c=0，γ2w=9.5）

二、支護(hù)樁的被動(dòng)土壓力

（1）基坑底處被動(dòng)土壓力計(jì)算（z=0，kp=1.698，γ2w=9.5，c=0）

（2）支護(hù)樁粉土層下緣被動(dòng)土壓力計(jì)算（z=1，kp=1.698，γ2w=9.5）

2.3支護(hù)樁結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

采用有限元分析程序Midas，對該基坑的樁錨支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析[2]，其中樁身采用梁單元模擬，樁基與土層的相互作用采用“土彈簧”模擬，程序計(jì)算結(jié)果下圖所示：

由圖1可知，樁頂?shù)淖畲笏轿灰茷榧s12mm，變形方向偏向基坑內(nèi)側(cè)。

圖1 數(shù)值分析結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力位于支護(hù)樁粉質(zhì)土層的底部，應(yīng)力大小為11.96Mpa，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2012）查C30混凝土的抗壓強(qiáng)設(shè)計(jì)值為13.8Mpa，由此可見最大壓應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為18.01Mpa位于支護(hù)樁粉質(zhì)土層底部，若假設(shè)混凝土與鋼筋變形協(xié)調(diào)，則鋼筋的應(yīng)力為：

由《結(jié)構(gòu)公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2012）查的HRB335抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為280Mpa，通過上述計(jì)算可以判定結(jié)構(gòu)底部受拉區(qū)的鋼筋未超過鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，支護(hù)樁在粉土層底部的外側(cè)最大拉應(yīng)力處于正常工作狀態(tài)，支護(hù)樁結(jié)構(gòu)的安全性可以得到保證。

2.4現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)

在施工過程中為保證安全，對支護(hù)樁頂結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，測點(diǎn)布置如下圖所示，監(jiān)測期限為一個(gè)月，下圖3中繪制了樁頂位移的時(shí)程圖：

圖2 樁頂位移測點(diǎn)布置

圖3 樁頂位移變化時(shí)程圖