上软下硬地层中地铁车站抗浮抗拔桩模拟研究

李平安, 邓永忠, 刘云亮, 张瑞琳, 黄 锋

(1.深圳市地铁集团有限公司, 深圳 518026; 2.中国铁路设计集团有限公司, 天津 300142; 3.重庆交通大学 土木工程学院, 重庆 400047)

随着我国主要城市建设地铁热潮的掀起,城市人口规模不断增长,轨道交通越来越成为民众出行的主要方式。然而地铁车站的原容纳能力有限,无法满足持续增长的实际客流量,为了更好更安全地服务市民出行,势必需要修建更多的地铁线以满足市民出行要求,但由于前期地铁线规划原因,未考虑换乘的功能,因此需要对地铁车站的既有建筑物进行拆除,以达到市民换乘地铁线的目的。然而拆除既有建筑物无疑是一个减重的过程,因此,需要采用抗浮抗拔桩作为在地铁车站改造过程中的抗浮措施,保证车站结构的稳定性[1-8]。张西文等[9]通过数值分析的方法对比分析了抗拔桩和隔离墙两种抗浮措施的作用机理及作用效果,研究了车站的上浮位移、地表变形和周围土体超孔隙水压比等动力响应。马辉和周泽林[10]认为抗拔桩是利用桩身与土体之间的摩擦力抵抗地下结构上浮的一种有效的抗浮措施,在地铁车站、地下停车场、地下商场等工程中得到了广泛的运用;郑震东[11]结合工程实例指出全长黏结型锚杆可按刚性拉杆考虑,且其弹性变形应由试验确定,当地下室在地下水位较高的地区或对防水有较高要求时,应验算结构底板的内力和产生的裂缝是否满足要求;沈德飞[12]对地下结构抗浮进行综合系统的阐述,指出各抗浮措施的适用性,并提出施工阶段做好抗浮措施的重要性,确保建(构)筑物在全生命周期内达到安全、合理、经济、实用的建设目标;张刘平和石哲然[13]认为抗浮措施是初雨调蓄池结构方案中的重要措施。本文结合某湿地公园工程中的初雨调蓄池展开研究,介绍了四种调蓄池抗浮措施,即自重抗浮、覆土抗浮、抗浮锚杆、抗拔桩,并分析了每种抗浮措施的优缺点及适用条件,通过设计方案的比选,保证了工程安全实施、缩短了工期、节约了成本,为后续相关工程抗浮设计提供了一定的参考价值。董培鑫等[14]依据岩土工程勘察报告资料,考虑现场工程实际情况,按照抗拔承载力等值代换原则,优化方案采用全黏结抗浮锚杆代替抗拔桩,对抗浮锚杆进行计算验证和优化效果分析,得出在满足技术要求的前提下,采用抗浮锚杆不仅能有效解决抗拔桩现场施工困难问题,而且作业效率高、经济效益好。Buse Emirler和Mustafa Tolun[15]给出了在隆起荷载作用下单桩及嵌砂桩群的一些发现。研究的变量包括桩面、桩身嵌入率和桩间距比。对上述参数进行了试验研究,并采用有限元方法进行了三维分析,以说明不同桩间距比的桩群破坏机理和桩间相互作用。结果表明,有限元模拟结果与试验结果吻合较好,所有变量均显著影响桩的抗拔承载。虽然众多学者对地下抗浮措施的应用方面研究颇多,但将抗拔桩作为抗浮措施并应用于大型运营地铁车站的研究偏少。

基于此,本文以深圳市黄木岗地铁七号线换乘站为研究背景,以抗拔桩作为抗浮措施,采用ABAQUS软件分析不同持力层厚度下,分析抗浮抗拔桩的抗拔能力及侧摩阻力分布规律。对比有无地下水作用下,抗浮抗拔桩物理性质的差异性,并将研究结果应用于工程实际之中,以验证抗拔桩抗浮效果的真实性、有效性、合理性。

1 工程背景

深圳地铁黄木岗交通枢纽工程位于福田区笋岗西路与华富路交叉处,黄木岗枢纽建成后,将实现7号线、14号线及24号线三线换乘。既有7号线黄木岗站,自身建设时受黄木岗立交桥影响两端宽、中间窄,其使用功能和舒适程度有一定影响;同时7号线车站前期规划时未预留与14号线全面换乘条件,为实现三线高效换乘,需对既有7号线进行改造。在改造过程,对整体车站结构来说是一个减重过程,打破了原有的车站结构与地下土层的力学平衡,加上地下水作用势必会引起整体车站结构向上浮动。总体车站的地质情况,上层属于较软的黏土、沙土,持力层主要为花岗岩,如图1所示。

图1 深圳地铁七号线黄木岗站地质纵刨面

基于此背景,以抗拔桩为研究对象,对其物理力学特性进行模拟分析,并将研究结果运用于实际工程中,对未来的国内外上软下硬地层地铁车站中抗拔桩的运用具有借鉴意义。

2 数值模拟

2.1 模型建立

采用ABAQUS有限元软件建立3D模型,模型桩尺寸与实际抗拔桩一致,长×宽×高为1.2 m×1.2 m×10 m,周围岩土尺寸为10 m×10 m×12 m。模拟加载方法采用点-面耦合施加上拔荷载的加载方式,在桩上表面的Y方向施加向上0.015 m的强制位移。单元类型模型桩与周围岩土均采用8节点等参减缩积分单元(C3D8R),模型桩采用近似全局尺寸0.3 m,周围岩土采用近似全局尺寸0.5 m,模型桩与土体采用摩擦属性,摩擦系数为0.3,边界条件定义中,对土体底面设置Z方向的位移、左右两侧面设置X方向上的位移以及前后两侧面设置Y方向上的位移加以限制。ABAQUS数值模型如图2所示。表1为模拟材料参数。

图2 数值模型

表1 数值模拟参数

2.2 工况分析

本次工况分析从两个研究方向进行分组,一个方向是无地下水作用模型桩模拟研究,另一个方向是有地下水作用模型桩模拟研究。通过现场试验及查阅资料,将改变持力层的厚度作为变量,对比有无地下水条件下的抗拔桩力学规律。其中模型桩外露2 m,距底部1 m,中间7 m均处于土层之中。工况按表2进行分析研究。

表2 试验工况分析

3 数据分析

本文主要分析模型桩的荷载位移曲线、摩擦力沿桩侧变化曲线,纵向对比不同持力层厚度的抗拔桩力学变化规律,横向对比有无地下水条件下的抗拔桩差异性。图3～图4为模型桩最大主应力云图。

单位:Pa图3 无水作用下模型桩最大主应力云

单位:Pa图4 无水作用下模型桩最大主应力云

由图3和图4可知,随着持力层的增加,不管有无地下水作用的模型桩的最大拉应力也在不断增大,最大应力出现在桩顶及桩下侧。分析原因:本次模拟施加荷载的方式为点-面耦合强制加载,导致了桩顶出现拉应力明显的现象,但桩下侧出现拉应力集中的现象是因为此处为持力层作用位置,由于持力层强度属性高于上覆土层,导致了模型桩与持力层作用位置出现应力集中现象。横向对比有无地下水作用下模型桩的最大拉应力值可知,在相同持力层厚度条件下,有地下水作用下的模型桩的最大拉应力略小一些,这是因为地下水作用使得对持力层起到软化作用,导致了模型桩与持力层的接触作用力减小。因此,相同条件下,有地下水作用的模型桩呈现的最大拉应力略小。

3.1 上拔荷载-上拔位移分析

为了更加清楚直观地描述不同持力层厚度对抗拔桩的影响,通过将不同持力层厚度的模拟结果进行比较,得到的荷载-位移曲线如图5和图6所示。

图5 上拔荷载-抗拔桩竖向位移曲线(无水)

图6 上拔荷载-抗拔桩竖向位移曲线(有水)

由图5可知,当持力层厚度为2 m时,抗拔桩的极限抗拔力为820 N,当持力层厚度为500 mm时,模型桩的极限抗拔力为2 700 N,相比于持力层厚度为2 m的抗拔桩极限抗拔力,增加了3倍有余。由此可知,随着持力层厚度的不断增加,模型桩的抗拔能力不断增强的。由图6可知,当持力层厚度为2 m时,模型桩的极限抗拔力为680 N,当持力层厚度为5 m时,模型桩的极限抗拔力为2 400 N,相比于持力层厚度为2 m的模型桩极限抗拔力,增加了3倍有余。分析原因:模型桩与持力层都是材料强度相近,持力层厚度越大,两者之间的咬合作用也就越大,从而增大了模型桩的抗拔能力。

为了横向对比有无地下水作用对模型桩的极限抗拔力的影响,将对各不同持力层厚度的荷载-位移曲线进行分析,分析结果如图7所示。

图7 上拔荷载-抗拔桩竖向位移曲线

由图7可知,不管有无地下水作用,随着持力层厚度的不断增大,模型桩的极限抗拔力都是不断增大的。当持力层为2 m时,无地下水作用下模型桩的极限抗拔力为820 N,而有地下水作用下模型桩的极限抗拔力为680 N,相对减小了140 N;当持力层为4 m和5 m时,无地下水作用下模型桩的极限抗拔力分别为1 770 N和2 700 N,而有地下水作用下模型桩的极限抗拔力分别为1 500 N和2 400 N。总的来说,在相同持力层厚度条件下,有地下水作用的模型桩的极限抗拔力要小一些,分析原因:由于地下水的作用,对模型桩周围地层起到了软化效果。因此,有地下水作用的情况下,模型桩的抗拔能力也更低一些。

3.2 摩擦力沿桩长变化规律分析

为了更加清楚直观地描述桩侧阻力沿桩长的变化规律,将不同持力层厚度条件下的模拟结果进行比较,得到的桩侧摩阻力-抗拔桩深度曲线如图8和图9所示。

图8 桩侧摩阻力-抗拔桩深度曲线(无水)

图9 桩侧摩阻力-抗拔桩深度曲线(有水)

由图8可知,沿模型桩深度方向,桩侧摩阻力都是不断增大的。分析原因:持力层材料强度更大一些,其提供的摩擦力相比于上覆黏土提供的摩擦力会更大一些,从而使得模型桩下部摩阻力更大一些,而上覆土体区域内,由于土压力沿着桩深度方向呈三角分布是不断增大的,所以整体来看桩侧摩阻力都是不断增大的。横向对比不同持力层厚度条件下的桩侧摩阻力变化规律,随着持力层厚度的不断增大,桩侧摩阻力也越来越大。当持力层厚度为2 m时,其最大桩侧摩阻力为12.2 kPa;当持力层厚度为5 m时,其最大桩侧摩阻力为20.5 kPa,相比于持力层厚度为2 m时提高了8.3 kPa。分析原因:持力层材料为水泥砂浆材料,与模型桩之间的咬合作用提供了摩擦力,随着持力层厚度的增大,其与模型桩接触深度也越来越深,从而增大了持力层与抗拔桩之间的接触面积,所以随着持力层厚度的不断增大,桩侧摩阻力也越来越大。

由图9可知,在有地下水作用条件下,桩侧摩阻力-抗拔桩深度曲线变化不太规则。分析原因:由于地下水的作用稀释了土体,对土体起到了软化作用,对下面持力层也降低了其与模型桩之间的咬合作用。横向对比不同持力层厚度条件下的桩侧摩阻力变化规律,随着持力层厚度的不断增大,桩侧摩阻力也越来越大。当持力层厚度为2 m时,其最大桩侧摩阻力为10.5 kPa;当持力层厚度为5 m时,其最大桩侧摩阻力为19.8 kPa,相比于持力层厚度为2 m时提高了9.4 kPa。桩侧摩阻力增大原因与无地下作用所分析原因一致。

为了横向对比有无地下水作用对模型桩的桩侧摩阻力的影响,将对各不同持力层厚度的桩侧摩阻力-抗拔桩深度曲线进行分析,分析结果如图10所示。

图10 桩侧摩阻力-抗拔桩深度曲线

由图10可知,当持力层为2 m时,无地下水作用下模型桩的最大侧摩阻力为12.2 kPa,而有地下水作用下模型桩的最大侧摩阻力为10.5 kPa,相对减小了1.7 kPa;当持力层为400 mm和500 mm时,无地下水作用下模型桩的最大侧摩阻力分别为18.9 kPa和22.5 kPa,而有地下水作用下模型桩的最大侧摩阻力分别为17.9 kPa和19.8 kPa。总的来说,在相同持力层厚度条件下,有地下水作用比没有地下水作用的桩侧摩阻力要略微小一些。分析原因:由于地下水的作用,对模型桩周围地层起到了软化效果。因此,有地下水作用的情况下,模型桩的摩擦力会更小一些。

4 工程应用分析

根据模型桩模拟结果的适用性,将其运用于实际工程中,对比实际监测数据与模拟结果,并根据《既有建筑维护与改造通用规范》[16]所规定的竖向位移为依据,得到车站结构拆除施工工序过程的竖向位移曲线,如图11所示。

图11 车站结构拆除工序车站结构竖向位移变化曲线

由图11可知,随着车站结构拆除施工的进行其竖向位移是不断增大的,但均未达到规范竖向位移控制线。当第一序拆除完成时,模拟结果显示竖向位移为0.62 mm,现场监测竖向位移为1.21 mm,相对增大了0.59 mm;当第二序拆除完成时,模拟结果显示竖向位移为1.12 mm,现场监测竖向位移为2.22 mm,相对增大了1.1 mm;直到第四序拆除完成时,模拟结果显示竖向位移为3.6 mm,现场监测竖向位移为5.8 mm,相对增大了2.2 mm。分析原因:车站结构拆除是一个不断减重过程,而且由于地下水浮力作用,导致了整体车站结构均是不断增大的;横向对比模拟结果与监测数据,是因为在实际车站结构拆除过程中,地面移动荷载及地下水位增大均是提高竖向位移的原因,而模拟过程一直处于稳定分析过程,并未受人为或其他不确定因素的影响,因此,实际监测数值会略大一些。通过监测数据结果显示,车站结构在拆除过程中并未达到或超过规范竖向位移控制线,说明抗浮抗拔桩的作用效果明显,是适用的、可行的。

5 结论

本文基于ABAQUS有限元软件对抗浮抗拔桩不同持力层厚度的最大主应力云图、上拔荷载-上拔位移曲线、桩侧阻力变化规律进行研究,并将研究结果运用于实际工程中,得到以下结论。

1)随着持力层的增加,不管有无地下水作用的模型桩的最大拉应力都在不断增大,最大应力出现在桩顶及桩下侧。在相同持力层厚度条件下,有地下水作用下的模型桩的最大拉应力略小一些。

2)随着持力层厚度的不断增大,模型桩的抗拔能力也在不在增大,在相同持力层厚度条件下,有水作用会降低模型桩的抗拔能力。

3)沿模型桩深度方向,桩侧摩阻力是不断增大的,横向对比不同持力层厚度条件下的桩侧摩阻力变化规律,随着持力层厚度的不断增大,桩侧摩阻力也越来越大,有水作用下桩侧摩阻力-抗拔桩深度曲线变化不太规则。

4)将模型桩研究结论运用于实际工程中,通过观察车站结构的竖向位移变化曲线可知,未达到规范控制的最大值,说明本次研究模型桩能有效控制车站结构竖向位移。