交通動(dòng)載作用下基坑支護(hù)模擬研究★

周云榮，胡 暉，羅 青，王雪鵬，唐曉林

(1.江西省勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,江西 南昌 330038;2.核工業(yè)華東建設(shè)工程集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330100;3.華東交通大學(xué) 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330013)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),基坑工程在城市建設(shè)中扮演著重要的角色。在基坑工程施工過(guò)程中,基坑周邊道路上的交通工具經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和荷載。這些振動(dòng)和荷載會(huì)通過(guò)地基傳遞到基坑結(jié)構(gòu)中,導(dǎo)致基坑的變形。如果交通動(dòng)載對(duì)基坑變形的影響得不到有效控制,可能會(huì)導(dǎo)致基坑結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定,從而產(chǎn)生破壞[1-4],甚至引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此對(duì)交通動(dòng)載對(duì)基坑變形的影響進(jìn)行研究具有重要的理論和實(shí)際意義。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了交通動(dòng)載對(duì)基坑變形的影響。Yu等[5]以路橋附近的一個(gè)真實(shí)基坑為例,對(duì)基坑開挖過(guò)程中車輛荷載對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究;徐長(zhǎng)節(jié)等[6]采用半平面彈性基礎(chǔ)梁設(shè)計(jì)法和三維有限元仿真法,結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)坑背超載和車輛沖擊荷載對(duì)既有基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生的不利影響進(jìn)行了詳盡的分析;劉素錦等[7]通過(guò)假設(shè)汽車荷載集中分布,并將其等價(jià)于等厚的土層,對(duì)汽車荷載對(duì)不同類型基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了分析;王文章等[8]結(jié)合某車站具體深基坑支護(hù)體系及工程實(shí)際情況,發(fā)現(xiàn)有長(zhǎng)期車輛荷載作用一側(cè)的基坑變形較大,與另一側(cè)位移量差值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);吳飛海[9]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)比分析了考慮車輛動(dòng)力荷載、不考慮車輛動(dòng)力荷載和不考慮車輛荷載三種荷載工況下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體變形規(guī)律;丁森林等[10]為了分析車輛荷載對(duì)深基坑開挖穩(wěn)定性的影響,將車輛荷載等效為集中靜荷載和均布條形荷載,發(fā)現(xiàn)將車輛荷載等效為集中靜荷載時(shí)結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)符合較好;趙桐德等[11]采用數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法,對(duì)車輛荷載特性與圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了比較與分析。

而交通荷載的表示形式也不盡相同,把汽車荷載簡(jiǎn)化為靜力荷載,把行車荷載假定為常數(shù)[12-13],但隨著公路交通的發(fā)展,這種方法已經(jīng)不再適用,隨后陸續(xù)出現(xiàn)了正弦荷載模型、沖擊荷載模型、多自由度荷載模型以及矩形荷載模型[14-16]。而其中的正弦荷載模型最符合實(shí)際,因此后來(lái)學(xué)者對(duì)車輛荷載的研究大部分是基于正弦荷載模型的[17-19]。朱志鐸等[20]選用了半正弦動(dòng)力荷載來(lái)模擬車輛荷載;潘杰麟[21]把交通荷載簡(jiǎn)化成一個(gè)移動(dòng)半正弦矩形均布荷載,并對(duì)其在基坑開挖過(guò)程中的作用進(jìn)行了對(duì)比和分析;張金誠(chéng)等[22]基于正弦荷載模型,定量分析了交通動(dòng)載對(duì)基坑變形的影響,發(fā)現(xiàn)車速對(duì)交通動(dòng)載影響很大,嚴(yán)重時(shí)是靜載的兩倍。

綜上所述,交通動(dòng)載對(duì)基坑變形的影響研究具有重要的意義。故本文以吉林大學(xué)第一醫(yī)院地下停車場(chǎng)項(xiàng)目為背景,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性,然后運(yùn)用Plaxis2D軟件,通過(guò)深入研究交通動(dòng)載對(duì)基坑變形的影響規(guī)律,可以為基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù),保障基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全[23]。

1 工程概況

1.1 工程背景

本工程為吉林大學(xué)第一醫(yī)院某地下停車場(chǎng)項(xiàng)目,工程包含地下餐廳、商場(chǎng)以及停車庫(kù)。基坑南北開挖總長(zhǎng)約175 m,東西寬135 m,開挖深度約20 m,工程總建筑面積約96 281 m2,如圖1所示。該基坑位于市中心老城區(qū),施工緊鄰17中學(xué)、吉大一院及大型居民小區(qū),社會(huì)影響大;基坑?xùn)|側(cè)距主干道萬(wàn)寶街約18 m(交通緊張,車流量大),基坑北側(cè)為吉林大學(xué)第一醫(yī)院,東南側(cè)為綠化用地,如圖2所示。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探取樣和室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果,其影響基坑施工土層從上到下可分為:雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖,土層參數(shù)如表1所示。場(chǎng)區(qū)地下水類型為孔隙潛水,主要埋藏于黏性土層及風(fēng)化巖層中,勘察鉆孔中實(shí)測(cè)地下水初見水位為自然地面下6.40 m～9.00 m,穩(wěn)定水位為自然地面下2.10 m～6.10 m。

表1 土層參數(shù)

1.3 圍護(hù)設(shè)計(jì)

基坑大部分采用單排樁錨索(1-1和3-3截面)支護(hù)方式,西側(cè)局部與北側(cè)(2-2和4-4截面)采用雙排樁錨索支護(hù)方式,樁間鋼筋網(wǎng)噴射混凝土;樁體采用C30超流態(tài)細(xì)石混凝土,樁徑為800 mm,樁間距為120 mm/130 mm,錨索采用75鋼絞線。本文以1-1截面為研究對(duì)象,剖面如圖3所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程背景資料,采用Plaxis2D有限元軟件對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化建模,鑒于基坑模型跨度大,且基坑1-1剖面距交通馬路最近,即選取1-1截面為研究對(duì)象,進(jìn)行基坑建模。根據(jù)本工程實(shí)際基坑尺寸,取模型長(zhǎng)寬分別為100 m,50 m,并在基坑周圍和底部設(shè)置為黏性邊界以吸收雜散發(fā)射的波荷載。在距離基坑左側(cè)18 m處施加一個(gè)線性動(dòng)載,用于模擬基坑旁車輛通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的荷載,如圖4所示。

小應(yīng)變土體硬化模型(hardening soil model with small-strain stifness,HSS)作為一種能夠考慮體小應(yīng)變階段非線性特性的高級(jí)本構(gòu)模型,在基坑數(shù)值分析中有著特有的優(yōu)勢(shì),模型參數(shù)見表1。模型樁采用板單元模擬,但由于現(xiàn)場(chǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為800@400鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu),根據(jù)等效厚度計(jì)算公式(1)計(jì)算得板厚為0.6 m。

(1)

其中,D為排樁直徑;t為排樁之間間距。

在數(shù)值模擬中,采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元模擬錨索的自由端,通過(guò)Embedded樁單元模擬錨索的固定端。地連墻及錨索參數(shù)見表2。

表2 支護(hù)參數(shù)

2.2 開挖工況設(shè)計(jì)

在數(shù)值模擬中,基坑開挖步驟設(shè)計(jì)參照現(xiàn)場(chǎng)施工案例。本文共分為18步,采用分層開挖,每開挖一層后施加錨索并給錨索施加預(yù)應(yīng)力。為探索交通動(dòng)載對(duì)基坑變形的影響,在基坑開挖完成后施加交通動(dòng)載,對(duì)比交通動(dòng)載施加前后基坑變形情況。具體施工步設(shè)置見表3。

表3 施工步驟

2.3 模型車輛荷載加載方案

車輛在公路上行駛時(shí),因?yàn)檐嚿肀旧淼恼駝?dòng)以及路面的不平,輪胎以一種特定的頻率和幅值在公路上進(jìn)行著運(yùn)動(dòng),所受的輪胎載荷在公路上時(shí)大時(shí)小,呈現(xiàn)出一種波動(dòng)的狀態(tài)。在一點(diǎn)上,汽車動(dòng)態(tài)載荷的作用為:

F(t)=P0+Psin(ωt)。

其中,P0為車輛的靜態(tài)載荷,對(duì)于小轎車為20 kN,對(duì)于大客車為100 kN;按照J(rèn)TG B01—2014公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定,車輛載荷的振動(dòng)頻率為2πv/L,其中,v為車速,L為車體長(zhǎng)度,L=6 m,P為汽車荷載的幅值,P=M0αω2,M0=120 N·s2/m,為彈簧下的質(zhì)量,α=2 mm,表示路面的幾何不平順矢高。車速與正弦荷載關(guān)系如表4所示。

表4 車速與荷載對(duì)應(yīng)關(guān)系

本文為了研究不同車輛因素如不同車速、時(shí)間、作用距離和車輛大小等對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。選擇了如表5所示不同交通荷載因素,分析其對(duì)基坑變形的影響。

表5 參數(shù)設(shè)置

2.4 數(shù)值驗(yàn)證

圖5是當(dāng)小車車速為40 km/h,作用距離為18 m時(shí),基坑開挖完成后地連墻水平位移云圖。為了驗(yàn)證所建數(shù)值模型的正確性,選取地連墻水平位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,其曲線圖如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn),實(shí)測(cè)的結(jié)果與數(shù)值結(jié)果在變化趨勢(shì)上是一致的。在數(shù)值模擬中墻體最大位移23.84 mm,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中最大位移23.7 mm,但整體監(jiān)測(cè)結(jié)果較數(shù)值模擬的結(jié)果較小。這因?yàn)樵跀?shù)值模擬當(dāng)中,為了簡(jiǎn)化計(jì)算和提高計(jì)算效率,數(shù)值模擬中常常引入一些假設(shè)和簡(jiǎn)化,如忽略復(fù)雜的土體結(jié)構(gòu)、土體非線性行為等。這些簡(jiǎn)化假設(shè)可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在差異,但其誤差小于5%,誤差在合理范圍之內(nèi),這就說(shuō)明本模型是正確的,參數(shù)的選取也是合理的,為后續(xù)的分析奠定了基礎(chǔ)。

3 參數(shù)分析

交通動(dòng)載(即車輛行駛時(shí)的荷載)與基坑變形之間存在一定的關(guān)系。基坑變形可能會(huì)受到相鄰道路通行車輛所施加的荷載影響,而荷載的大小、頻率和方向等因素將對(duì)基坑的變形產(chǎn)生影響。

3.1 不同車速對(duì)基坑變形的影響

當(dāng)小車的車輛荷載作用時(shí)間為0.2 s和作用距離為18 m時(shí),改變車速對(duì)基坑的變形的影響也不同。圖7為選取車速分別為20 km/h,40 km/h,60 km/h,80 km/h和100 km/h,得到不同車速下地連墻的最大水平位移曲線。

由圖7可知,地連墻位移隨著車速的增加而逐漸增大。當(dāng)車速分別為0 km/h,20 km/h,40 km/h,60 km/h,80 km/h和100 km/h時(shí),地連墻頂部位移分別為23.54 mm,24.34 mm,26.81 mm,30.41 mm,37.22 mm和46.14 mm,其位移增量分別0.8 mm,2.47 mm,3.61 mm,6.81 mm和8.92 mm,其增長(zhǎng)速率分別為3.4%,10.14%,13.42%,22.29%和124%,即隨著車速的增加,地連墻位移逐漸增大,且增長(zhǎng)速率也逐漸加快。這是因?yàn)殡S著汽車速度的提高,汽車荷載的頻率與汽車速度之間存在著一種線性的正比關(guān)系。然而,車輛荷載的幅值與頻率成冪函數(shù)關(guān)系,在高速、高頻工況下,其幅值將變得很大,給圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來(lái)很大的負(fù)面影響。在工程實(shí)踐中,對(duì)于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性,必須要考慮到周圍路面上的交通流速。

除此之外,還可以發(fā)現(xiàn)隨著車速的增加,地連墻的最大位移位置從-12.75 m逐漸上移至地連墻頂部。分析其原因可能是:土體對(duì)交通動(dòng)載有一定的消減作用。土體的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征使其能夠吸收和分散交通動(dòng)載的能量,從而減小對(duì)交通設(shè)施和車輛的沖擊,即交通動(dòng)載對(duì)地連墻的影響為:從上到下,逐漸減弱,這就導(dǎo)致地連墻最大位移逐漸上移。

3.2 作用時(shí)間

為了研究不同交通動(dòng)載作用時(shí)間對(duì)基坑變形的影響,設(shè)置了小車車速和作用距離不變,作用時(shí)間分別為0.2 s,0.4 s,0.6 s,1.2 s,1.8 s和2.4 s共6種工況,得到了不同作用時(shí)間下,地連墻變形曲線,如圖8所示。

從圖8可知,在車輛荷載作用時(shí)間較短時(shí),地連墻位移隨著作用時(shí)間的增加而逐漸增大;但隨著作用時(shí)間的繼續(xù)增加,地連墻位移不再增加。從圖8中可以看出,在0.6 s之前,地連墻變形隨著作用時(shí)間的增加而明顯增大;而當(dāng)作用時(shí)間超過(guò)0.6 s后,隨著作用時(shí)間的增加,地連墻變形先小幅度增加,然后在某一值左右反復(fù)波動(dòng)。基于上述結(jié)果,我們可以發(fā)現(xiàn)汽車荷載對(duì)地連墻體水平變形的影響是一種累加效應(yīng),達(dá)到某一值后就不會(huì)發(fā)生改變。

3.3 作用距離

為了研究交通動(dòng)載作用距離對(duì)基坑變形的影響,本文采用大車車速為40 km/h,作用時(shí)間為0.2 s時(shí),選取車輛荷載作用距離依次為2 m,4 m,6 m,8 m,10 m和12 m時(shí),不同間距下地連墻變形曲線如圖9所示。

從圖9可知,地連墻位移和交通動(dòng)載的作用距離呈現(xiàn)反比關(guān)系。隨著交通動(dòng)載作用距離的增加,地連墻位移逐漸減小,且減小率逐漸減小。如當(dāng)交通動(dòng)載作用距離分別為2 m,4 m,6 m,8 m,10 m和12 m時(shí),地連墻最大位移分別為46.83 m,44.49 mm,42.62 mm,41.21 mm,40.75 mm和40.35 mm,其位移減小量分別為2.34 mm,1.87 mm,1.41 mm,0.46 mm和0.4 mm,其減小率分別為5%,4.2%,3.3%,1.1%和1%。即當(dāng)車輛荷載作用距離較近時(shí),對(duì)基坑的危害是十分大的,因此要嚴(yán)格控制基坑旁側(cè)大型運(yùn)土車與基坑邊緣的距離。

3.4 車輛大小

車輛大小的不同,對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響大小也不相同。而現(xiàn)在,更多地使用的是依據(jù)規(guī)范對(duì)汽車的車輪載荷進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。如果是小型轎車,通常取20 kN,如果是大型轎車,則取100 kN。于是本文將小車和大車分別在車速為40 km/h和60 km/h時(shí),地連墻變形進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果如圖10所示。

從圖10可知,當(dāng)交通動(dòng)載作用時(shí)間和距離相同時(shí),改變交通動(dòng)載的恒載(車輛大小),將會(huì)對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如當(dāng)P0=20 kN,v=40 km/h和60 km/h時(shí),地連墻頂部位移分別為26.81 mm和30.41 mm;而當(dāng)P0=100 kN時(shí),其地連墻頂部位移分別為41.45 mm和45.7 mm,其位移相對(duì)增加了14.64 mm和15.29 mm,相對(duì)位移增加幅度分別為54.6%和50.3%。因此在工程實(shí)踐中,當(dāng)交通道路旁側(cè)有基坑施工時(shí),為保證基坑的安全穩(wěn)定,應(yīng)嚴(yán)格控制旁側(cè)車輛大小,限制重型卡車通過(guò)或限速行駛,或者加強(qiáng)該處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度,并對(duì)該處基坑變形進(jìn)行定期監(jiān)測(cè),確保基坑變形在規(guī)定范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

本文以吉林大學(xué)第一醫(yī)院地下停車場(chǎng)項(xiàng)目為背景,采用有限元軟件Plaxis2D對(duì)基坑進(jìn)行建模,探究了交通荷載對(duì)臨近基坑施工的影響,得出以下結(jié)論:

1)考慮交通動(dòng)載時(shí),基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形比不考慮交通動(dòng)載時(shí)要大。2)車速對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響巨大,隨著車速增加,圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形逐漸增大,并且增幅逐漸增大。3)交通動(dòng)載對(duì)基坑的影響隨時(shí)間有累積效應(yīng),且累積到一定時(shí)間后不再變化。4)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移與作用距離之間呈反比關(guān)系,隨著作用距離減小,水平位移逐漸增大,并且增長(zhǎng)速度逐漸加快。5)車輛大小對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移影響巨大,在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)嚴(yán)格控制。