基坑后背顶力对高速公路桥墩的影响分析

钟 庆 华

(浙江杭海城际铁路有限公司，浙江 嘉兴 314000)

基坑后背顶力对高速公路桥墩的影响分析

钟 庆 华

(浙江杭海城际铁路有限公司，浙江 嘉兴 314000)

基于弹性地基反力计算原理，通过建立基坑—桥墩一体化模型，计算了基坑后背土体变形，进而得到基坑后背土压力大小及沿距桥墩方向的传递规律，结合施工现场测量数据，验证分析了距离工作坑后背35.24 m处高速公路桥墩的安全性和受干扰程度，为之后施工的安全距离提供了参考。

后背顶力,基坑开挖,高速公路桥墩,安全距离

1 工程概况

温州宁波路二期工程南起温瞿公路，北至104国道，沿途经过三个行政村，线路全长2 992 m，线路宽40 m～50 m，整个工程的投资估算为18.5亿元。主道路为双向六车道，中央分隔带宽8 m，主道路两侧同时设置有非机动车道和人行道。本工程为宁波路二期下穿金温铁路段基坑开挖点施工。拟建工程地处丘陵地带，地质条件沿线路变化较大，且分布有最深达18.9 m厚度的淤泥，具有含水量大、压缩性强、灵敏度高、承载力低等典型的不良地质特点。在基坑开挖施工时，不良的地质条件使施工难度大大增加，对支护的要求也越来越高。

顶进工作坑设在铁路北侧，开挖深度约为7.2 m。工作坑靠近线路侧采用φ1 200 mm的钻孔桩支护，其余三侧以φ1 000 mm钻孔桩支护，桩长随地层变化，详见图1,图2。钻孔桩外侧卸载2 m，线路侧按1∶2进行卸载，其余侧均按1∶1卸载。坑内被动区设置水泥搅拌桩，宽度不小于4 m，加固深度10 m。坑内地基采用φ60 cm水泥搅拌桩处理，桩间距1 m×1 m矩阵式布置，桩长随地层渐变，详见图1,图2。水泥搅拌桩回掺高度为坑底以上2 m，处理后的地基承载力不小于120 kPa。水泥搅拌桩的水泥掺入量不小于15%，回掺段的掺入量不小于7%，以上参数均以现场试验为准。水泥搅拌桩28 d无侧限抗压强度不小于1.2 MPa。工作坑周边设置环形排水沟，端部设置集水井进行集中排水。

本文借助于工作坑—桥墩一体化模型，针对净间距、桩嵌固土体、工作坑后背顶力等因素，分析净间距为35.24 m下后背顶力从工作坑通过土体传递至桥墩处的变化规律和桥墩处受力的影响程度，为工作坑施工后背顶力对桥墩的最小非干扰净距设计研究提供技术支持和理论指导。

2 理论计算

2.1 荷载条件

通过弹性地基反力法计算后背桩顶位移量，从而计算高速公路桥墩周围土体的变形而产生的土体应力影响。

根据现场测量，高速公路桥墩距工作坑后背的最近距离为35.24 m。

工作坑后背每延米的最大顶力：

(1)

2.2 理论计算过程

在计算前先假定坐标系，假定后背桩的变形方向为y[1]，沿桩的深度方向为x，通过对桩体的分析，导出弯曲微分方程为[2]：

(2)

其中，P(x,y)为单位面积上的桩侧土抗力；y为水平方向；x为地面以下深度；B为桩径；a,m,i,n均为待定常数或指数。

采用(Rowe)的幂级数解法[3]。将P(x,y)=mxy代入式(2)，得：

(3)

解式(3)得出幂级数：

(4)

其中，ai为待定常数。

对式(4)求1～4阶导数，并代入式(3)，得到：

接着导出油顶每延米后背仅作用单位水平力H0=1时，地面处桩的水平位移δQQ和转角δMQ，油顶每延米后背仅作用单位力矩M0=1时，地面处桩的水平位移δQM和转角δMM，对于桩嵌固于淤泥层地基中的情况：

(6)

对于嵌固于岩石的桩，同样可导得：

(7)

式(6)，式(7)中的A1,B1,C1,D1,A2,B2,…,C4,D4等值均可在《桥梁桩基础的分析和设计》附表查得[4,5]。

(8)

其中，C0为桩底土的竖向地基系数；I0为桩底全面积对截面重心的惯性矩；I为桩的平均截面惯性矩。

(9)

其中,b0为桩侧土抗力的计算宽度。

b0=0.9(D+1)

(10)

桩顶水平位移：y0=H0δQQ+M0δQM

(11)

顶进施工时，H0=2 923kN，M0=0，可求得：y0=2 923δQQ。

根据地基土的各项力学指标和桩的截面力学特征[6]，得：

δQQ=0.001 601。

y0=2 923δQQ=2 923×0.001 601=4.678mm。

利用电算列表计算得：ymax=8.775mm。

根据：P(x,y)=(a+mxi)yn经验计算：

Pmax=137.1kPa。

后背的被动土压力，向高速公路桥墩方向延伸所产生的附加应力：

代入上式得：

σs=2.27 kPa。

2.3 计算结果

工作坑后背顶力在土体内传递随着距离的增大，后背顶力消散的越多，到达桥墩处的土压力越小，其消散趋势如图3所示。

每延米后背传递的主动土压力:Es=σsH=2.27H。

高速公路抵抗远处传来的土压力每延米产生的被动土压力：

Es

可见，高速公路桥墩足够安全。

3 结语

1)在距离桥墩35.24 m处进行基坑开挖施工，工作坑后背顶力对桥墩受力的变化影响很小，在工程中可以视距离大于35.24 m为安全距离。2)对于基坑后背桩嵌固于淤泥层地基中或者嵌固于岩石地层中，基坑后背顶力对桥墩的影响都很小。3)工作坑后背顶力在土体内产生的土压力沿距桥墩方向不断减小，且消散速度越来越快。

[1] 景峰卫.基坑施工引起基坑外土体沉降的研究[D].淮南：安徽理工大学,2016.

[2] 李亚军.基坑开挖过程中周围土体压力变化规律研究[A].第四届全国地基基础与地下工程技术交流会论文集[C].中国建设科技集团股份有限公司，中国建筑学会工程建设学术委员会，《施工技术》杂志社,2015:4.

[3] 张红宇,吴文清,张 鸿,等.基坑开挖和支护过程中应力变形实时监测分析[J].四川建筑科学研究,2015,41(3):50-53.

[4] 段 鑫.大型深基坑支护结构力学特性研究[D].武汉：武汉工程大学,2015.

[5] 郭 英.时代帝景基坑支护结构稳定性及位移分析[D].阜新：辽宁工程技术大学,2013.

[6] 张 晨.基坑支护中土压力主、被动区的互换分析[J].科技情报开发与经济,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

钟庆华(1975- )，男，工程师

TU751

A