近接铁路软土深基坑变形控制分析

贾一全

(杭州铁路设计院有限责任公司,浙江 杭州 310006)

近接铁路软土深基坑变形控制分析

贾一全

(杭州铁路设计院有限责任公司,浙江 杭州 310006)

双排桩围护结构在深基坑中的应用颇为广泛。现针对双排桩在近接铁路软土地区,土质性质为差—极差的基坑工程中的应用展开分析,并利用启明星深基坑软件对临近铁路线路侧的双排桩进行单元计算。当基坑开挖到设计标高时,双排桩的桩顶位移约4.9 mm,当基坑开挖面上的土方施工时,下部双排桩有明显的位移变化,尤其是后排桩的位移达到最大值16.6 mm。故采取双排桩结合“时空效应法”进行基坑开挖,可以有效控制双排桩的侧向变形,甚至可以缓解基坑变形的速率,从而保证了基坑开挖的安全性及稳定性。

软土地区；双排桩；位移；基坑开挖

1 工程概述

双排桩作为一种新型的支护结构,常用作深基坑支护结构。该结构是一种由冠梁、连梁(连板)以及排桩组成的空间结构体系,类似于门式刚架结构。前后排桩通过连梁或连板使之成为整体结构,不仅各自分担了土压力作用,桩身内力也因此得到改善,同时,加深了支护结构的入土深度[1]。

该工程为涉铁道路工程,道路等级为城市主干道。设计范围内道路为框架暗埋形式,并下穿铁路金温货线,平、纵断面图见图1、图2。

图1 项目总体布置图

设计采用6孔分离式框架下穿金温货线,顶进法施工,将工作坑设置在铁路南侧。工作坑南北两侧为市政基坑,其基坑围护结构与工作坑顺接,基坑总长约308 m,标准段宽度约51.5 m,基坑开挖深度约7～11 m不等。根据相关规范及要求,基坑等级均按一级考虑。基坑平面图见图3,工作坑纵断面图见图4。

图2 纵断面布置图

图3 基坑整体平面图

图4 工作坑纵断面图

该工程位于温州,处于浙东沿海地区,全年雨水充沛,年平均降水量为1 695 mm,其雨水量主要取决于台风活动、 梅雨季节。 该道路范围内主要岩土地质特征为淤泥层,工程地质性质为差—极差,属于软土路基。其天然重度约为16.1 kN/m3,地基承载力特征值仅为40 kPa。综合考虑如施工工艺、施工方法及工程造价等影响因素,经过方案比选,结合双排桩自身优点,设计选用双排桩作为基坑的围护结构。本文针对该工程所处地质条件的独特性以及周边场地环境的局限性,利用理论依据及相关软件并结合工程实际情况对其双排桩在深基坑支护结构中进行计算分析,研究双排桩支护结构在近接铁路软土地区的应用及受力特点。

2 支护结构受力分析及设计参数

基坑支护结构的设计,除了应保证基坑周边建筑物、周边道路以及地下管线的安全和正常使用之外,还应充分结合工程实际的周边环境、地质条件、基坑深度、基坑等级等相关影响因素,在保证足够的地下结构施工空间的前提下,确保基坑开挖过程中以及地下结构施工过程中基坑的稳定性及安全性。

双排桩支护形式可简化为平面刚架结构模型进行计算,结构计算简图见图5。

结构分析模型采用弹性支点法计算,将被动区的土压力以弹性支座传递到基坑支护结构。而桩间土以土的侧限约束为假定,其对前后排桩的土反力与土的压缩变形有关,将桩间土看作水平向单向压缩体,按土的压缩模量确定水平刚度系数[2]。

图5 双排桩计算简图

2.1 支护结构水平位移

作用在基坑支护结构上的水平荷载主要有基坑内外土体自重、基坑周边建筑物荷载、作用在支护结构上的土压力、水压力以及基坑周边施工荷载、温度变化等其他因素。其中土压力按朗肯土压力计算,支护结构外侧主动土压力和支护结构内侧被动土压力应按相关规范规定分地下水位以上、地下水位以下水土分算或合算进行计算。前、后排桩间土对桩侧的压力按下式计算[2]：

pc=kcΔν+pc0

式中：pc为前、后排桩间土对桩侧的压力,kPa；kc为桩间土的水平刚度系数，kN/m3; Δν为前、后排桩水平位移的差值,m；pc0为前、后排桩间土对桩侧的初始压力，kPa。

2.2 涉铁段支护结构的铁路荷载

靠近线路侧的基坑支护结构除了受土压力、水压力等恒载外,还有列车竖向静活载、列车竖向动力作用等产生的侧向土压力。

根据相关规定,列车荷载以轨枕两端1∶0.5坡线在土层中分布,其中列车荷载为中至活载,按65 kPa考虑。

2.3 基坑概况

该工作坑尺寸为65.5 m×24.5 m,基坑挖深为8.61 m。基坑围护结构采用双排φ1 000 mm钻孔灌注桩,1∶2放坡卸载部分荷载。前、后排桩间设置φ850 mm三轴水泥搅拌桩止水帷幕,工作坑四角增设2道钢筋混凝土水平角撑。

2.4 主要设计参数

设计采用启明星深基坑软件计算分析,该软件内力计算方法采用增量法。以靠近铁路线路侧的基坑支护双排桩作为研究对象。土层信息见表1。

表1 土层信息

3 双排桩单元计算分析

文献[1,3-4]中分别通过实际工程实例,利用有限元分析双排桩围护结构的性能,得出双排桩的排距、连梁、冠梁等因素对双排桩的影响。经多次方案设计优化,最终取双排桩排距为2.5 m,桩间距为1.2 m,冠梁尺寸为1.4 m×0.8 m,连梁尺寸为1.1 m×0.8 m,计算结果如下。

3.1 位移、内力

各工况位移、内力结果见图6：

图6 位移、内力图

由位移变化图可以看出,在整个基坑开挖过程中,最大位移出现在后排桩,为16.6 mm。前后排桩的桩顶位移基本保持一致,约为4.9 mm,满足相关规范对基坑支护结构位移限值要求。随着基坑开挖深度的增加,前后排桩变化曲线线形基本一致,但是后排桩的位移变化幅度明显大于前排桩,尤其是在25～30 m深度范围内的后排桩位移变化达到了最大值16.6 mm。

由图6可以看出,前后排桩的内力变化曲线在保持一致的同时,后排桩的变化值稍大于前排桩的变化值。

在开挖基坑上部土方时,基坑开挖面下的围护结构已发生一定的变形,并且随开挖的不断加深,变形也不断叠加增长,并具有不可逆性。开挖深基坑上部土方时就需要控制深基坑开挖面下的变形发展。

3.2 稳定性验算

在双排桩围护结构单元计算分析中,其整体稳定安全系数、抗倾覆验算、抗隆起验算以及双排桩嵌固段基坑内侧土压力验算均满足规范要求。

4 控制基坑变形分析

在启明星深基坑软件计算过程中,双排桩的最大位移虽然满足规范规定的2‰h(h为基坑开挖深度),但综合分析整个基坑的规模及复杂性,为了将基坑开挖过程中存在的风险降为最小,故采取双排桩支护与基坑开挖施工相结合,尽可能地发挥双排桩在支护结构中的受力特点。

对于顶进工作坑外的市政基坑,基坑深度有的达到11 m,为了更加有效地控制基坑变形,保护基坑周边环境的安全,结合坑内土体加固可以有效地改善其土质特性,提高被动区土体的抗力,故坑内采用裙边式抽条加固结合“时空效应法”[5]开挖施工。

所谓“时空效应法”,即将土方分段、分层、分块开挖,达到坑内土体分步卸载,不仅减少了每步开挖时双排桩的暴露时间,控制土体的流变变形,而且还减缓了基坑侧向变形以及基坑总变形的增长速率。再结合坑内土体加固措施,抑制土体变形发展的同时减小了基坑周边地表沉降量。

该工程应用“时空效应法”指导施工,全断面基坑以15 m为标准分段,每段土方以2.5 m分层开挖,每层再分块开挖,每块开挖应在24 h内完成,整层开挖后对基坑周边土方进行修整,严格遵循“分段、分层、分块”原则。基坑开挖示意图见图7。

图7 基坑开挖示意图

5 结 语

双排桩侧向刚度大,可有效控制基坑的侧向变形,其施工工艺相对排桩+内支撑支护结构简便,尤其是在深基坑中的应用更为广泛。

在启明星深基坑软件对双排桩支护结构受力分析中,改变基坑开挖面下的部分土体参数,即间接地模拟被动区土体加固效应,从得出的数据上发现,通过对基坑开挖面下的土体进行加固处理后,能有效地减小基坑侧向变形及增强围护结构的稳定性。

在基坑上部土方开挖时,下部围护结构已发生较大的位移变形,软件模拟分析结果显示双排桩最大位移出现在基坑25～30 m范围内,位移值为16.6 mm,主要为后排桩变形引起的。前、后排桩顶位移基本一致,说明冠梁、连梁在双排桩结构中占据重要影响因素,其刚度值的大小对整个围护结构具有一定的影响。

软土地区属于施工中比较差的地质,在选用双排桩作为基坑支护结构的同时,结合“时空效应法”开挖基坑,减小了围护结构的侧向位移,从而控制了基坑变形。

鉴于道路主、辅道坡度不同的类似工程,设计建议基坑开挖、出土方向的施工顺序应由深到浅,以减少对已施工的结构产生影响。

[1] 林鹏,王艳峰,范志雄，等.双排桩支护结构在软土基坑工程中的应用分析[J].岩土工程学报,2010,32(2):331- 334.

[2] 中国建筑科学研究院.JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012．

[3] 崔宏环,张立群,赵国景.深基坑开挖中双排桩支护的三维有限元模拟[J].岩土力学,2006,27(4):662- 666．[4] 王星华,谢李钊,章敏.深基坑开挖中双排桩支护的数值模拟及性状[J].中南大学学报:自然科学版,2014,45(2):596- 602．[5] 贾坚.逆作开挖深基坑控制卸载变形的方法与实践[J].岩土工程学报,2007,29(2):304- 308．[6] 蔡袁强,阮连法,吴世明，等.软黏土地基基坑开挖中双排桩式围护结构的数值分析及应用[J].建筑结构学报,1999,20(4):65- 71．

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

JIAYiquan

2017- 03- 07

贾一全(1986—),女,甘肃兰州人,助理工程师,研究方向为桥梁工程。

TU473.2

B

1008- 3707(2017)04- 0016- 04