基坑后背頂力對高速公路橋墩的影響分析

鐘 慶 華

(浙江杭海城際鐵路有限公司，浙江 嘉興 314000)

基坑后背頂力對高速公路橋墩的影響分析

鐘 慶 華

(浙江杭海城際鐵路有限公司，浙江 嘉興 314000)

基于彈性地基反力計(jì)算原理，通過建立基坑—橋墩一體化模型，計(jì)算了基坑后背土體變形，進(jìn)而得到基坑后背土壓力大小及沿距橋墩方向的傳遞規(guī)律，結(jié)合施工現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證分析了距離工作坑后背35.24 m處高速公路橋墩的安全性和受干擾程度，為之后施工的安全距離提供了參考。

后背頂力,基坑開挖,高速公路橋墩,安全距離

1 工程概況

溫州寧波路二期工程南起溫瞿公路，北至104國道，沿途經(jīng)過三個(gè)行政村，線路全長2 992 m，線路寬40 m～50 m，整個(gè)工程的投資估算為18.5億元。主道路為雙向六車道，中央分隔帶寬8 m，主道路兩側(cè)同時(shí)設(shè)置有非機(jī)動(dòng)車道和人行道。本工程為寧波路二期下穿金溫鐵路段基坑開挖點(diǎn)施工。擬建工程地處丘陵地帶，地質(zhì)條件沿線路變化較大，且分布有最深達(dá)18.9 m厚度的淤泥，具有含水量大、壓縮性強(qiáng)、靈敏度高、承載力低等典型的不良地質(zhì)特點(diǎn)。在基坑開挖施工時(shí)，不良的地質(zhì)條件使施工難度大大增加，對支護(hù)的要求也越來越高。

頂進(jìn)工作坑設(shè)在鐵路北側(cè)，開挖深度約為7.2 m。工作坑靠近線路側(cè)采用φ1 200 mm的鉆孔樁支護(hù)，其余三側(cè)以φ1 000 mm鉆孔樁支護(hù)，樁長隨地層變化，詳見圖1,圖2。鉆孔樁外側(cè)卸載2 m，線路側(cè)按1∶2進(jìn)行卸載，其余側(cè)均按1∶1卸載。坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)設(shè)置水泥攪拌樁，寬度不小于4 m，加固深度10 m。坑內(nèi)地基采用φ60 cm水泥攪拌樁處理，樁間距1 m×1 m矩陣式布置，樁長隨地層漸變，詳見圖1,圖2。水泥攪拌樁回?fù)礁叨葹榭拥滓陨? m，處理后的地基承載力不小于120 kPa。水泥攪拌樁的水泥摻入量不小于15%，回?fù)蕉蔚膿饺肓坎恍∮?%，以上參數(shù)均以現(xiàn)場試驗(yàn)為準(zhǔn)。水泥攪拌樁28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.2 MPa。工作坑周邊設(shè)置環(huán)形排水溝，端部設(shè)置集水井進(jìn)行集中排水。

本文借助于工作坑—橋墩一體化模型，針對凈間距、樁嵌固土體、工作坑后背頂力等因素，分析凈間距為35.24 m下后背頂力從工作坑通過土體傳遞至橋墩處的變化規(guī)律和橋墩處受力的影響程度，為工作坑施工后背頂力對橋墩的最小非干擾凈距設(shè)計(jì)研究提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

2 理論計(jì)算

2.1 荷載條件

通過彈性地基反力法計(jì)算后背樁頂位移量，從而計(jì)算高速公路橋墩周圍土體的變形而產(chǎn)生的土體應(yīng)力影響。

根據(jù)現(xiàn)場測量，高速公路橋墩距工作坑后背的最近距離為35.24 m。

工作坑后背每延米的最大頂力：

(1)

2.2 理論計(jì)算過程

在計(jì)算前先假定坐標(biāo)系，假定后背樁的變形方向?yàn)閥[1]，沿樁的深度方向?yàn)閤，通過對樁體的分析，導(dǎo)出彎曲微分方程為[2]：

(2)

其中，P(x,y)為單位面積上的樁側(cè)土抗力；y為水平方向；x為地面以下深度；B為樁徑；a,m,i,n均為待定常數(shù)或指數(shù)。

采用(Rowe)的冪級數(shù)解法[3]。將P(x,y)=mxy代入式(2)，得：

(3)

解式(3)得出冪級數(shù)：

(4)

其中，ai為待定常數(shù)。

對式(4)求1～4階導(dǎo)數(shù)，并代入式(3)，得到：

接著導(dǎo)出油頂每延米后背僅作用單位水平力H0=1時(shí)，地面處樁的水平位移δQQ和轉(zhuǎn)角δMQ，油頂每延米后背僅作用單位力矩M0=1時(shí)，地面處樁的水平位移δQM和轉(zhuǎn)角δMM，對于樁嵌固于淤泥層地基中的情況：

(6)

對于嵌固于巖石的樁，同樣可導(dǎo)得：

(7)

式(6)，式(7)中的A1,B1,C1,D1,A2,B2,…,C4,D4等值均可在《橋梁樁基礎(chǔ)的分析和設(shè)計(jì)》附表查得[4,5]。

(8)

其中，C0為樁底土的豎向地基系數(shù)；I0為樁底全面積對截面重心的慣性矩；I為樁的平均截面慣性矩。

(9)

其中,b0為樁側(cè)土抗力的計(jì)算寬度。

b0=0.9(D+1)

(10)

樁頂水平位移：y0=H0δQQ+M0δQM

(11)

頂進(jìn)施工時(shí)，H0=2 923kN，M0=0，可求得：y0=2 923δQQ。

根據(jù)地基土的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)和樁的截面力學(xué)特征[6]，得：

δQQ=0.001 601。

y0=2 923δQQ=2 923×0.001 601=4.678mm。

利用電算列表計(jì)算得：ymax=8.775mm。

根據(jù)：P(x,y)=(a+mxi)yn經(jīng)驗(yàn)計(jì)算：

Pmax=137.1kPa。

后背的被動(dòng)土壓力，向高速公路橋墩方向延伸所產(chǎn)生的附加應(yīng)力：

代入上式得：

σs=2.27 kPa。

2.3 計(jì)算結(jié)果

工作坑后背頂力在土體內(nèi)傳遞隨著距離的增大，后背頂力消散的越多，到達(dá)橋墩處的土壓力越小，其消散趨勢如圖3所示。

每延米后背傳遞的主動(dòng)土壓力:Es=σsH=2.27H。

高速公路抵抗遠(yuǎn)處傳來的土壓力每延米產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力：

Es

可見，高速公路橋墩足夠安全。

3 結(jié)語

1)在距離橋墩35.24 m處進(jìn)行基坑開挖施工，工作坑后背頂力對橋墩受力的變化影響很小，在工程中可以視距離大于35.24 m為安全距離。2)對于基坑后背樁嵌固于淤泥層地基中或者嵌固于巖石地層中，基坑后背頂力對橋墩的影響都很小。3)工作坑后背頂力在土體內(nèi)產(chǎn)生的土壓力沿距橋墩方向不斷減小，且消散速度越來越快。

[1] 景峰衛(wèi).基坑施工引起基坑外土體沉降的研究[D].淮南：安徽理工大學(xué),2016.

[2] 李亞軍.基坑開挖過程中周圍土體壓力變化規(guī)律研究[A].第四屆全國地基基礎(chǔ)與地下工程技術(shù)交流會(huì)論文集[C].中國建設(shè)科技集團(tuán)股份有限公司，中國建筑學(xué)會(huì)工程建設(shè)學(xué)術(shù)委員會(huì)，《施工技術(shù)》雜志社,2015:4.

[3] 張紅宇,吳文清,張 鴻,等.基坑開挖和支護(hù)過程中應(yīng)力變形實(shí)時(shí)監(jiān)測分析[J].四川建筑科學(xué)研究,2015,41(3):50-53.

[4] 段 鑫.大型深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究[D].武漢：武漢工程大學(xué),2015.

[5] 郭 英.時(shí)代帝景基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及位移分析[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué),2013.

[6] 張 晨.基坑支護(hù)中土壓力主、被動(dòng)區(qū)的互換分析[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2005(23):149-150.

Influence of analysis of foundation pit support force on highway piers

Zhong Qinghua

(ZhejiangHanghaiIntercityRailwayCo.,Ltd,Jiaxing314000,China)

Based on the principle of elastic foundation reaction calculation, this paper calculates the deformation of the back of the foundation pit by establishing the integration model of the foundation pit and bridge piers, and then get the size of the earth pressure and the direction of transmission along the direction of the pier. Combined with the construction site measurement data, the safety and disturbances of the highway pier at the distance of 35.24 meters from the back of the work pit are verified. Which provides a reference for the safe distance on after construction.

support force, foundation excavation, highway piers, safe distance

1009-6825(2017)21-0062-02

2017-05-17

鐘慶華(1975- )，男，工程師

TU751

A