基坑降水开挖对邻近高架桥梁桥墩的影响及控制对策
杨忠华
【摘 要】对某地铁车站基坑降水开挖对邻近高架桥墩的影响进行了分析研究.简要介绍了该地铁车站的工程概况,以地铁车站下穿临近桥梁桥墩部分为背景,采用考虑流固耦合作用的三维数值模拟方法.探讨了深基坑降水开挖对邻近桩基的影响规律,并对几种加固措施的位移控制效果进行了分析,结果表明:通过优化降水方案来控制邻近桩基变形的效果比较明显;隔离桩、主动区加固和被动区加固都能一定程度地抑制桩基的水平位移.
护士节主持词【期刊名称】《铁道勘察》
【年(卷),期】2011(037)003用国旗做头像违法吗
【总页数】6页(P46-51)
【关键词】基坑;降水;开挖;邻近桩;主动区加固;被动区加固;控制效果
【作 者】杨忠华
【作者单位】中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉430063
【正文语种】中 文
拍手【中图分类】TU753;U231.+4
1 概述
1.1 研究背景
城市地铁基坑工程逐渐呈现出“超大、超深、超近距离近接施工”等特点[1]。深基坑的开挖卸载必然导致坑周地表沉降和地层移动,基坑围护结构在坑外水土压力的作用下发生指向基坑内部的水平位移[2],基坑底部易发生隆起变形。侯学渊等认为:基底隆起是竖向应力释放的结果,可能危害周围既有构筑物的安全。[3]
当边界条件较为复杂,地层变化多样或地下水作用明显时,开挖引起的自由场位移无法用经验公式或解析解来进行描述,此时以往的理论方法就难以胜任了。而目前已经开展的数值模拟工作主要侧重于分析基坑开挖对邻近桩基的影响规律,没有考虑基坑降水及开挖过程中地下
水与土体的流固耦合作用,针对各种工程加固措施(如隔离桩、主动区加固、被动区加固等)对邻近桩基的变形控制效果及控制规律的研究还较少见。
1.2 工程概况
某地铁车站总长183.114 m,底板埋深20.5 m,基坑底位于4-1粉砂层和4-2粉细砂层上。车站处于某市解放大道与京汉大道之间的江汉路正下方,平行于江汉路布设,车站西侧为一既有地下通道,东侧为京汉大道上的高架桥梁,西南侧距离基坑3.5 m左右处有地上3层、地下1层的大型商场(基础类型为筏片基础),车站东北侧有28层世纪大厦大楼(为桩基),距基坑约13 m。
1.3 工程地质条件及水文条件
(1)地质条件
根据地质调查和钻孔揭露,工程区表层分布人工填土层,其下呈现典型的二元结构,上部为黏性土,局部夹淤泥质土,中下部为稍密—中密粉细砂、密实中粗砂,底部局部分布砾卵石,下伏基岩除局部分布白垩系—第三系东湖(K-Edh)砾岩、砂岩外,主要为志留系中统坟头组泥岩和粉砂岩,地质分布见图1。
(2)水文条件
场区地下水按埋藏条件主要为上层滞水和层间承压水两种类型。一是上层滞水:上层滞水主要赋存于人工填土层中,含水与透水性不一,地下水位不连续,无统一的自由水面,水位埋深为0.5~2.0 m;二是承压水:承压水为本区主要地下水,主要赋存于第四系全新统冲积粉砂(4-1)、粉细砂和中粗砂砾石层(4-3)中,与上覆粉质黏土、粉土、粉砂互层(3-5)构成统一承压含水层。长江水是地下水动态变化的主要因素,承压水头与长江水位涨落密切相关,年变幅为3~4 m。大气降水的入渗补给对承压水影响较小。
1.4 地铁车站总体施工方案及施工顺序
本工程车站主体结构采用基坑围护、坑内降水、内设钢管支撑或混凝土支撑的方式施工。下穿高架桥墩处采取盖挖顺作法施工,并预先对高架桥墩进行加固,其余段均采用明挖顺作法施工。桥墩处基坑剖面如图1。
图1 高架桥墩处基坑剖面(单位:cm)
图2 高架桥墩加固平面
(1)高架桥墩加固施工
先对高架桥墩桩基进行注浆加固,后进行直径为800 mm间距为1 m的隔离桩施工。为防止隔离桩施工中发生串孔和塌孔,桩基施工前先进行取芯抽样检查再施工隔离桩,桩基施工采取跳跃施工顺序。桥墩加固与地下连续墙位置关系如图2。
(2)基坑主体结构施工
主体围护结构形式采用80 cm厚地下连续墙,地下连续墙采用刚性工字钢接头。围护结构支撑:顶板抬高段设置5道支撑,其中第一道采用钢筋混凝土支撑,2~5道设置钢支撑,第4道为双拼钢支撑;盖挖段设5道支撑,除第2道支撑采用钢支撑外,其余均采用钢筋混凝土支撑。
在大型商场及既有地下通道等构筑物离基坑较近处,为防止和减少基坑开挖造成的影响,在连续墙外侧施做高压旋喷桩;车站横穿高架桥墩段(盖挖段)基底采用φ1 200旋喷桩被动区土体加固,加固厚度3 m。基坑内降水采用深井降水技术。本车站主体基坑共布置12口降水井,设置成1排,纵向间距15 m左右。降水井直径800 mm,内设直径400 mm钢套管,降水井深入基坑底板下部约为14 m。
在完成连续墙围护、抗拔桩、临时立柱及冠梁且降水达标后,开始进行基坑土方开挖。土方开挖遵循“纵向分段、竖向分层、由上至下、边开挖边支护、先支后挖”的施工原则,竖向从上至下分层进行。。
当基坑成型长度达到40 m以上,则开始主体结构施工。采取纵向分段,竖向分层的跳段施工方式,施工顺序也是从东向西推进,竖向从车站底板开始自下而上施做,即:底板→地下二层墙、柱及中板→地下一层墙、柱及顶板。一个人心累伤感说说
2 基坑降水开挖数值计算模型
2.1 计算范围、单元类型及材料参数的选取
O’Rourke[4]和Cording[5]等人对影响围护结构水平变形的主要参数进行了深入的研究,Clough[6]及Wong[7]等率先采用平面整体有限元方法探讨了有内支撑的深基坑开挖问题。Blackburn[8]对福特设计中心深基坑工程进行了三维弹塑性数值模拟,上述工作对本工程有很重要的参考价值。
在对本工程进行数值仿真分析过程中,着重对盖挖段周围一定范围内的土体及构筑物和标准
段的部分基坑进行了三维建模。具体分析范围如图3所示,以地铁车站标准段中心位置为起点,沿基坑长度方向往高架桥延伸220 m,沿基坑宽度方向两侧延伸各115 m,竖向取至地表以下60 m的深度(基岩面以下约12 m),总计算模型尺寸为220 m×230 m×60 m。
分析中,钢筋混凝土支撑、钢支撑、混凝土冠梁及围檩等采用梁单元进行模拟,高架桥墩基础桩、隔离桩采用实体单元模拟,抗拔桩采用桩单元进行模拟,土体(包括旋喷桩加固体和注浆加固体)采用六面体单元进行模拟。只因你太美
基坑降水开挖阶段涉及的对象主要有:土体、基底旋喷桩加固体、钢支撑、混凝土撑、冠梁、围檩等,其力学参数见表1。空军飞行员
表1 材料主要物理力学参数材料ρ/(kg/m3)E/MPaμφ/(°)c/kPa杂填土166040.44124粉土粉砂互层1800160.422210粉细砂1870150.4305粉质黏土1850160.421618强风化泥岩21001500.3625100旋喷桩加固区22001500.3428100高架桥墩、隔离桩、地下连续墙、混凝土撑、冠梁及围檩2500310000.2——钢支撑、临时立柱78502100000.28——
2.2 边界条件及荷载
模型的力学边界条件为:高架桥墩上表面为垂直荷载边界(应力边界),四侧为法向约束,底面固定(位移约束)。
同时,在基坑降水开挖阶段,基坑需要进行降水和开挖,存在明显的地下水流动问题。因此,模型中考虑地下水与土体的流固耦合作用。由于地下连续墙及止水帷幕已隔断承压水进入基岩,且由现场抽水试验可知,降水井内水位恢复相当缓慢,这表明深入基岩的止水帷幕和地下连续墙对地下水的阻隔效果较好,渗漏量很小。因此,对基岩、连续墙的透水边界条件进行适当简化,即假定基岩、连续墙为不透水介质。在模型的右、前、后三侧,由于地下水受长江的水力补给,设定为定水头边界;由于基坑为狭长矩形,模型左侧截断边界处基本不会有地下水流入(出),故设置为不透水边界;降水井侧壁处设置为定流量的泄漏边界。
2.3 计算模型的网格划分
整个模型网格划分如图3所示。其中共有24.25万个实体单元,27.62万个网格点,3 212个结构单元(梁单元和桩单元)。
图3 网格划分
2.4 施工过程模拟及分析
具体模拟过程为:形成初始应力场;施工高架桥墩及桩基,并施加Q2墩及Q3墩墩顶荷载,形成基坑施工前的应力场;设置地下连续墙、隔离桩等,并进行注浆加固和旋喷桩加固;位移场归零(本文只分析基坑降水开挖引起的位移,不考虑隔离桩成孔及地下连续墙成槽引起的地层和桩基变形规律),进行基坑降水(一次性将基坑内部水位降至地表以下22.80 m);挖除第一层土体,施做第一道支撑;开挖第二层土体,施做第二道支撑……;依次施工,直至土方开挖完成;施做底板及部分侧墙、中柱,拆除第五、四道支撑;施做中板及部分侧墙、中柱,拆除第三、二道支撑;施做顶板,拆除第一道撑,并回填至地表。其中,在进行每层土体的开挖和支撑时,还考虑到基坑纵向的分段开挖(计算域内分为5个节段),整个过程共有44个计算步。
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