基坑圍護(hù)樁作用下地層支護(hù)應(yīng)力分析及應(yīng)用*

吳行州

(中鐵二十三局集團(tuán)第四工程有限公司, 610073, 成都)

目前,隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高度發(fā)展與城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),城市高層和地下空間的利用越來越普遍,隨之涌現(xiàn)出一大批深基坑工程。在軟土地層基坑中,圍護(hù)樁具有較高的承載強(qiáng)度,可為基坑側(cè)壁土體提供穩(wěn)定的支撐,目前在基坑工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

常見的基坑圍護(hù)樁包括混凝土圍護(hù)樁、型鋼樁、鋼管樁、型鋼水泥土攪拌樁、鋼板樁等類型。國內(nèi)外學(xué)者圍繞圍護(hù)樁的承載力學(xué)特性與施工工藝開展了大量研究。文獻(xiàn)[1]依托微型鋼管樁加固既有基礎(chǔ)托換工程,實(shí)測(cè)不同間歇時(shí)長情況下樁身溫度與應(yīng)力等的變化規(guī)律,探討不同運(yùn)行模式下的樁基性能參數(shù)。文獻(xiàn)[2]通過設(shè)計(jì)一種直剪式復(fù)合結(jié)構(gòu)的擬靜力加載試驗(yàn)裝置,研究了微型鋼管樁-土復(fù)合抗滑結(jié)構(gòu)(以下簡稱“樁土復(fù)合結(jié)構(gòu)”)在地震作用下的耗能特性。文獻(xiàn)[3]以上海典型軟土地層為背景,采用理論分析方法研究了型鋼-水泥土相互作用與承載變形性狀,并與實(shí)測(cè)工程數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。

對(duì)圍護(hù)樁而言,由于采用間隔設(shè)置,樁與樁之間沿土體表面是非連續(xù)的。設(shè)置合理的樁間距,使得樁間土體內(nèi)部有效成拱是確保基坑圍護(hù)樁安全使用的關(guān)鍵。JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》針對(duì)樁間土也給出了采用內(nèi)置鋼筋網(wǎng)的噴層護(hù)表技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于樁間土體成拱效應(yīng)開展了大量研究。文獻(xiàn)[4]在合理拱軸線的假定下建立了土拱力學(xué)模型,推導(dǎo)形成了拱腳在極限平衡狀態(tài)下土拱極限跨度表達(dá)式,分析了土拱拱高隨土層深度的演化規(guī)律。文獻(xiàn)[5]分析了樁間水平土拱對(duì)樁間墻組合結(jié)構(gòu)受力的影響,推導(dǎo)了考慮土拱效應(yīng)時(shí)該組合結(jié)構(gòu)中抗滑樁和擋土墻的受力計(jì)算方法。文獻(xiàn)[6]通過簡化摩阻力分布的形式,建立了懸臂式抗滑樁樁間距的計(jì)算公式,研究了滑坡體的黏聚力、滑坡推力及抗滑樁的截面尺寸等因素對(duì)樁間距的影響。文獻(xiàn)[7]采用數(shù)值模擬方法分析了樁截面尺寸對(duì)土拱性狀的影響,結(jié)合力學(xué)計(jì)算解釋了土拱類型及土拱高度變化的原因。

由于影響基坑圍護(hù)樁支護(hù)力學(xué)性能的因素眾多,需對(duì)圍護(hù)樁的支護(hù)力學(xué)效應(yīng)做進(jìn)一步深入研究。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,考慮基坑圍護(hù)樁對(duì)地層產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力影響,提出了相對(duì)應(yīng)的支護(hù)力學(xué)分析模型,并計(jì)算得到了基坑圍護(hù)樁作用下地層的支護(hù)應(yīng)力理論計(jì)算公式,分析了不同樁間距參數(shù)對(duì)地層支護(hù)應(yīng)力的影響規(guī)律,可為基坑圍護(hù)樁設(shè)計(jì)及施工提供理論參考。

1 基坑圍護(hù)樁作用下地層支護(hù)應(yīng)力計(jì)算

本文考慮基坑圍護(hù)樁的支護(hù)形式,沿基坑開挖邊界任取5根圍護(hù)樁,提出了圍護(hù)樁作用下地層力學(xué)分析模型,如圖1所示。圖1中圍護(hù)樁從左往右編號(hào)依次為i=1,2,3,4,5,相對(duì)應(yīng)的圍護(hù)樁的中心距為S,圍護(hù)樁的直徑為D。

根據(jù)圖1 b),假設(shè)h處對(duì)應(yīng)的側(cè)向土壓力為q,該部分土壓力將由圍護(hù)樁共同承擔(dān),相對(duì)應(yīng)作用于每根圍護(hù)樁的土壓力也為q。根據(jù)力的相互作用原理,圍護(hù)樁作用于樁土接觸面的均布?jí)毫閝,圍護(hù)樁對(duì)土體的支護(hù)作用可簡化為作用于樁土接觸面的均布?jí)毫。在圖1 b)中,根據(jù)彈性力學(xué)[8-10]中半弧線平面內(nèi)作用均布應(yīng)力的解答,可分別求得圖1中5根圍護(hù)樁對(duì)地層產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力。

a) 基坑圍護(hù)示意圖

b) A-A剖面圖

第1根圍護(hù)樁對(duì)土體內(nèi)任意一點(diǎn)M(x,z)產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力σz1為:

(1)

式中:

ξ——均布力作用范圍。

同理,可求得其余4根圍護(hù)樁對(duì)土體內(nèi)任意一點(diǎn)M(x,z)產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力σz2—σz5分別為:

(2)

(3)

(4)

(5)

綜上,根據(jù)力的疊加原理可求得圍護(hù)樁對(duì)地層中任意一點(diǎn)處產(chǎn)生的總支護(hù)應(yīng)力σz:

σz=σz1+σz2+σz3+σz4+σz5

(6)

式(6)中,σz的大小反映了圍護(hù)樁對(duì)地層的控制與約束效應(yīng),σz越大,說明圍護(hù)樁對(duì)基坑側(cè)壁土體的支護(hù)作用也越強(qiáng)。

2 不同樁間距下基坑地層支護(hù)應(yīng)力分析

以基坑通常采用的φ1 000 mm鉆孔圍護(hù)樁為例,分析了不同S對(duì)基坑地層支護(hù)應(yīng)力的影響規(guī)律。在計(jì)算分析過程中,考慮到基坑側(cè)壁土體的埋深影響,樁側(cè)水平土壓力q分別取40 kPa、80 kPa及120 kPa,S分別取1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm、1 800 mm、2 000 mm及2 200 mm,分析了不同條件下的地層支護(hù)應(yīng)力特征。

圖2和圖3為典型工況下的地層支護(hù)應(yīng)力分布云圖。由圖2和圖3可見:在鉆孔灌注樁支護(hù)作用下,地層內(nèi)部產(chǎn)生了相應(yīng)的支護(hù)應(yīng)力;在鉆孔灌注樁與土體的接觸位置均產(chǎn)生了不同程度的應(yīng)力集中效應(yīng),樁土接觸面處土體內(nèi)部的支護(hù)應(yīng)力最大,隨著樁土接觸位置距離的增加,地層內(nèi)部支護(hù)應(yīng)力呈現(xiàn)出不斷衰減的趨勢(shì)。

a) S=1 200 mm

b) S=1 600 mm

c) S=2 000 mm

a) S=1 200 mm

b) S=1 600 mm

c) S=2 000 mm

在相同的q作用下,不同S下地層內(nèi)部均可產(chǎn)生一定連續(xù)的支護(hù)應(yīng)力,但連續(xù)支護(hù)應(yīng)力也存在一定的限制。以圖2為例,地層內(nèi)部小于32 kPa的支護(hù)應(yīng)力均是連續(xù)的,地層內(nèi)部超過32 kPa的支護(hù)應(yīng)力則不連續(xù);地層內(nèi)部小于18 kPa的支護(hù)應(yīng)力均是連續(xù)的,當(dāng)超過18 kPa時(shí)則不連續(xù);隨著S從1 200 mm增加到2 200 mm,土體內(nèi)部最大連續(xù)支護(hù)應(yīng)力從32 kPa減小至16 kPa,這說明隨著S的增大,土體內(nèi)部連續(xù)的最大支護(hù)應(yīng)力逐漸減小。

圖4為地層最大支護(hù)應(yīng)力-S關(guān)系曲線。由圖4可見:地層最大支護(hù)應(yīng)力隨著S的增大而減小,同時(shí)隨著q的增大而增大。由此可見:地層內(nèi)部連續(xù)的支護(hù)應(yīng)力是確保圍護(hù)樁后地層土體有效成拱的重要前提,合理的S對(duì)圍護(hù)樁后土體成拱也會(huì)產(chǎn)生重要影響。

圖4 地層最大支護(hù)應(yīng)力-S關(guān)系曲線

3 工程應(yīng)用實(shí)例

林家莊站為濟(jì)南軌道交通4號(hào)線(以下簡稱“4號(hào)線”)一期工程的第25座車站。該車站為地下二層島式車站,位于濟(jì)南市歷下區(qū)經(jīng)十路與規(guī)劃路的交叉路口,車站主體結(jié)構(gòu)站位位于經(jīng)十路北側(cè),沿經(jīng)十路方向敷設(shè)。車站外包總長約270.88 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬18.7 m(內(nèi)凈寬);端頭井寬23.2 m(內(nèi)凈寬)。車站中心線處軌面標(biāo)高為94.9 m,軌面埋深約16.6 m,頂板覆土為3～4 m。

車站主體基坑均采用明挖順作法施工。標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約為18.53～19.17 m,坑底位于中風(fēng)化石灰?guī)r層中。基坑周邊普遍分布的地層從上往下依次為填土、粉質(zhì)黏土、石灰?guī)r,屬于典型的土巖地層復(fù)合基坑。為保證基坑的穩(wěn)定性,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐、圍護(hù)樁+錨索的支護(hù)形式。林家莊站基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

注:φ、c、γ分別為內(nèi)摩擦角、黏聚力和重度;t為鋼支撐壁厚。

根據(jù)本文提出的圍護(hù)樁支護(hù)力學(xué)分析方法,采用林家莊站現(xiàn)場(chǎng)的具體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并繪制出相應(yīng)的地層支護(hù)應(yīng)力云圖。選取現(xiàn)場(chǎng)5根圍護(hù)樁,圍護(hù)結(jié)構(gòu)為φ1 000 mm鉆孔灌注樁,S為1.4 m;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘報(bào)告,基坑坑底上部土體主要由素填土及粉質(zhì)黏土構(gòu)成,故選取土體平均重度為20 kN/m3,土體平均側(cè)壓力系數(shù)為0.4,基坑開挖深度為18.5 m。選取現(xiàn)場(chǎng)基坑距地面深度分別為5.5 m、11.0 m、16.5 m處剖面進(jìn)行測(cè)算,相對(duì)應(yīng)剖面處的土體側(cè)壓力分別為44 kPa、88 kPa、132 kPa。應(yīng)用本文計(jì)算方法,計(jì)算得出林家莊站基坑圍護(hù)樁-地層支護(hù)應(yīng)力云圖,如圖6所示。

a) 基坑深度為5.5 m

b) 基坑深度為11.0 m

c) 基坑深度為16.5 m

由圖6可見:沿著樁身3個(gè)深度處對(duì)應(yīng)的支護(hù)應(yīng)力云圖內(nèi),樁后土體內(nèi)部均有效形成了土拱,且隨著深度的增加,相應(yīng)的土拱內(nèi)支護(hù)應(yīng)力逐漸增大。現(xiàn)場(chǎng)采用圍護(hù)樁支護(hù)參數(shù)施工后,有效保證了基坑開挖與主體結(jié)構(gòu)施作期間的安全與穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),基坑坡頂最大沉降量為10.0 mm,坑底隆起量為9.6 mm,圍護(hù)樁的最大水平變形量為8.0 mm,滿足基坑設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)要求。

林家莊站基坑開挖現(xiàn)場(chǎng)施工圖見圖7。

圖7 林家莊站基坑開挖現(xiàn)場(chǎng)施工圖

4 結(jié)語

以基坑圍護(hù)樁為研究對(duì)象,提出了圍護(hù)樁支護(hù)下基坑周邊地層支護(hù)應(yīng)力的理論計(jì)算模型,推導(dǎo)了支護(hù)應(yīng)力的理論計(jì)算公式,分析了不同S與q下的支護(hù)應(yīng)力分布特征。結(jié)合林家莊站實(shí)際工程進(jìn)行了試算分析,保證了現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)參數(shù)的有效選取與現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)的安全,可為土巖復(fù)合地層基坑圍護(hù)樁設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。