近接鐵路軟土深基坑變形控制分析

賈一全

(杭州鐵路設計院有限責任公司,浙江 杭州 310006)

近接鐵路軟土深基坑變形控制分析

賈一全

(杭州鐵路設計院有限責任公司,浙江 杭州 310006)

雙排樁圍護結構在深基坑中的應用頗為廣泛。現針對雙排樁在近接鐵路軟土地區,土質性質為差—極差的基坑工程中的應用展開分析,并利用啟明星深基坑軟件對臨近鐵路線路側的雙排樁進行單元計算。當基坑開挖到設計標高時,雙排樁的樁頂位移約4.9 mm,當基坑開挖面上的土方施工時,下部雙排樁有明顯的位移變化,尤其是后排樁的位移達到最大值16.6 mm。故采取雙排樁結合“時空效應法”進行基坑開挖,可以有效控制雙排樁的側向變形,甚至可以緩解基坑變形的速率,從而保證了基坑開挖的安全性及穩定性。

軟土地區；雙排樁；位移；基坑開挖

1 工程概述

雙排樁作為一種新型的支護結構,常用作深基坑支護結構。該結構是一種由冠梁、連梁(連板)以及排樁組成的空間結構體系,類似于門式剛架結構。前后排樁通過連梁或連板使之成為整體結構,不僅各自分擔了土壓力作用,樁身內力也因此得到改善,同時,加深了支護結構的入土深度[1]。

該工程為涉鐵道路工程,道路等級為城市主干道。設計范圍內道路為框架暗埋形式,并下穿鐵路金溫貨線,平、縱斷面圖見圖1、圖2。

圖1 項目總體布置圖

設計采用6孔分離式框架下穿金溫貨線,頂進法施工,將工作坑設置在鐵路南側。工作坑南北兩側為市政基坑,其基坑圍護結構與工作坑順接,基坑總長約308 m,標準段寬度約51.5 m,基坑開挖深度約7～11 m不等。根據相關規范及要求,基坑等級均按一級考慮。基坑平面圖見圖3,工作坑縱斷面圖見圖4。

圖2 縱斷面布置圖

圖3 基坑整體平面圖

圖4 工作坑縱斷面圖

該工程位于溫州,處于浙東沿海地區,全年雨水充沛,年平均降水量為1 695 mm,其雨水量主要取決于臺風活動、 梅雨季節。 該道路范圍內主要巖土地質特征為淤泥層,工程地質性質為差—極差,屬于軟土路基。其天然重度約為16.1 kN/m3,地基承載力特征值僅為40 kPa。綜合考慮如施工工藝、施工方法及工程造價等影響因素,經過方案比選,結合雙排樁自身優點,設計選用雙排樁作為基坑的圍護結構。本文針對該工程所處地質條件的獨特性以及周邊場地環境的局限性,利用理論依據及相關軟件并結合工程實際情況對其雙排樁在深基坑支護結構中進行計算分析,研究雙排樁支護結構在近接鐵路軟土地區的應用及受力特點。

2 支護結構受力分析及設計參數

基坑支護結構的設計,除了應保證基坑周邊建筑物、周邊道路以及地下管線的安全和正常使用之外,還應充分結合工程實際的周邊環境、地質條件、基坑深度、基坑等級等相關影響因素,在保證足夠的地下結構施工空間的前提下,確保基坑開挖過程中以及地下結構施工過程中基坑的穩定性及安全性。

雙排樁支護形式可簡化為平面剛架結構模型進行計算,結構計算簡圖見圖5。

結構分析模型采用彈性支點法計算,將被動區的土壓力以彈性支座傳遞到基坑支護結構。而樁間土以土的側限約束為假定,其對前后排樁的土反力與土的壓縮變形有關,將樁間土看作水平向單向壓縮體,按土的壓縮模量確定水平剛度系數[2]。

圖5 雙排樁計算簡圖

2.1 支護結構水平位移

作用在基坑支護結構上的水平荷載主要有基坑內外土體自重、基坑周邊建筑物荷載、作用在支護結構上的土壓力、水壓力以及基坑周邊施工荷載、溫度變化等其他因素。其中土壓力按朗肯土壓力計算,支護結構外側主動土壓力和支護結構內側被動土壓力應按相關規范規定分地下水位以上、地下水位以下水土分算或合算進行計算。前、后排樁間土對樁側的壓力按下式計算[2]：

pc=kcΔν+pc0

式中：pc為前、后排樁間土對樁側的壓力,kPa；kc為樁間土的水平剛度系數，kN/m3; Δν為前、后排樁水平位移的差值,m；pc0為前、后排樁間土對樁側的初始壓力，kPa。

2.2 涉鐵段支護結構的鐵路荷載

靠近線路側的基坑支護結構除了受土壓力、水壓力等恒載外,還有列車豎向靜活載、列車豎向動力作用等產生的側向土壓力。

根據相關規定,列車荷載以軌枕兩端1∶0.5坡線在土層中分布,其中列車荷載為中至活載,按65 kPa考慮。

2.3 基坑概況

該工作坑尺寸為65.5 m×24.5 m,基坑挖深為8.61 m。基坑圍護結構采用雙排φ1 000 mm鉆孔灌注樁,1∶2放坡卸載部分荷載。前、后排樁間設置φ850 mm三軸水泥攪拌樁止水帷幕,工作坑四角增設2道鋼筋混凝土水平角撐。

2.4 主要設計參數

設計采用啟明星深基坑軟件計算分析,該軟件內力計算方法采用增量法。以靠近鐵路線路側的基坑支護雙排樁作為研究對象。土層信息見表1。

表1 土層信息

3 雙排樁單元計算分析

文獻[1,3-4]中分別通過實際工程實例,利用有限元分析雙排樁圍護結構的性能,得出雙排樁的排距、連梁、冠梁等因素對雙排樁的影響。經多次方案設計優化,最終取雙排樁排距為2.5 m,樁間距為1.2 m,冠梁尺寸為1.4 m×0.8 m,連梁尺寸為1.1 m×0.8 m,計算結果如下。

3.1 位移、內力

各工況位移、內力結果見圖6：

圖6 位移、內力圖

由位移變化圖可以看出,在整個基坑開挖過程中,最大位移出現在后排樁,為16.6 mm。前后排樁的樁頂位移基本保持一致,約為4.9 mm,滿足相關規范對基坑支護結構位移限值要求。隨著基坑開挖深度的增加,前后排樁變化曲線線形基本一致,但是后排樁的位移變化幅度明顯大于前排樁,尤其是在25～30 m深度范圍內的后排樁位移變化達到了最大值16.6 mm。

由圖6可以看出,前后排樁的內力變化曲線在保持一致的同時,后排樁的變化值稍大于前排樁的變化值。

在開挖基坑上部土方時,基坑開挖面下的圍護結構已發生一定的變形,并且隨開挖的不斷加深,變形也不斷疊加增長,并具有不可逆性。開挖深基坑上部土方時就需要控制深基坑開挖面下的變形發展。

3.2 穩定性驗算

在雙排樁圍護結構單元計算分析中,其整體穩定安全系數、抗傾覆驗算、抗隆起驗算以及雙排樁嵌固段基坑內側土壓力驗算均滿足規范要求。

4 控制基坑變形分析

在啟明星深基坑軟件計算過程中,雙排樁的最大位移雖然滿足規范規定的2‰h(h為基坑開挖深度),但綜合分析整個基坑的規模及復雜性,為了將基坑開挖過程中存在的風險降為最小,故采取雙排樁支護與基坑開挖施工相結合,盡可能地發揮雙排樁在支護結構中的受力特點。

對于頂進工作坑外的市政基坑,基坑深度有的達到11 m,為了更加有效地控制基坑變形,保護基坑周邊環境的安全,結合坑內土體加固可以有效地改善其土質特性,提高被動區土體的抗力,故坑內采用裙邊式抽條加固結合“時空效應法”[5]開挖施工。

所謂“時空效應法”,即將土方分段、分層、分塊開挖,達到坑內土體分步卸載,不僅減少了每步開挖時雙排樁的暴露時間,控制土體的流變變形,而且還減緩了基坑側向變形以及基坑總變形的增長速率。再結合坑內土體加固措施,抑制土體變形發展的同時減小了基坑周邊地表沉降量。

該工程應用“時空效應法”指導施工,全斷面基坑以15 m為標準分段,每段土方以2.5 m分層開挖,每層再分塊開挖,每塊開挖應在24 h內完成,整層開挖后對基坑周邊土方進行修整,嚴格遵循“分段、分層、分塊”原則。基坑開挖示意圖見圖7。

圖7 基坑開挖示意圖

5 結 語

雙排樁側向剛度大,可有效控制基坑的側向變形,其施工工藝相對排樁+內支撐支護結構簡便,尤其是在深基坑中的應用更為廣泛。

在啟明星深基坑軟件對雙排樁支護結構受力分析中,改變基坑開挖面下的部分土體參數,即間接地模擬被動區土體加固效應,從得出的數據上發現,通過對基坑開挖面下的土體進行加固處理后,能有效地減小基坑側向變形及增強圍護結構的穩定性。

在基坑上部土方開挖時,下部圍護結構已發生較大的位移變形,軟件模擬分析結果顯示雙排樁最大位移出現在基坑25～30 m范圍內,位移值為16.6 mm,主要為后排樁變形引起的。前、后排樁頂位移基本一致,說明冠梁、連梁在雙排樁結構中占據重要影響因素,其剛度值的大小對整個圍護結構具有一定的影響。

軟土地區屬于施工中比較差的地質,在選用雙排樁作為基坑支護結構的同時,結合“時空效應法”開挖基坑,減小了圍護結構的側向位移,從而控制了基坑變形。

鑒于道路主、輔道坡度不同的類似工程,設計建議基坑開挖、出土方向的施工順序應由深到淺,以減少對已施工的結構產生影響。

[1] 林鵬,王艷峰,范志雄，等.雙排樁支護結構在軟土基坑工程中的應用分析[J].巖土工程學報,2010,32(2):331- 334.

[2] 中國建筑科學研究院.JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2012．

[3] 崔宏環,張立群,趙國景.深基坑開挖中雙排樁支護的三維有限元模擬[J].巖土力學,2006,27(4):662- 666．[4] 王星華,謝李釗,章敏.深基坑開挖中雙排樁支護的數值模擬及性狀[J].中南大學學報:自然科學版,2014,45(2):596- 602．[5] 賈堅.逆作開挖深基坑控制卸載變形的方法與實踐[J].巖土工程學報,2007,29(2):304- 308．[6] 蔡袁強,阮連法,吳世明，等.軟黏土地基基坑開挖中雙排樁式圍護結構的數值分析及應用[J].建筑結構學報,1999,20(4):65- 71．

Analysis of the Deformation Control for the Deep Foundation Pit of Soft Soil Approaching Railway

JIAYiquan

2017- 03- 07

賈一全(1986—),女,甘肅蘭州人,助理工程師,研究方向為橋梁工程。

TU473.2

B

1008- 3707(2017)04- 0016- 04