基于剛度矩陣的軟土地基支護墻體水平位移測量

竇成

(中鐵十八局集團第二工程有限公司 河北 唐山 063000)

軟土層的變形與穩定問題是公路改建工程中的難題,也是軟土地基處理的主體。為了確保軟土地基支護墻體施工時的安全穩定,有必要對支護墻體出現的位移進行準確的預測。通過定量分析,能夠確定路基應力和應變系數,實現動態控制加載速率,并對軟土地基支護墻體進行實時監控。謝濤等[1]提出了一種基于地基路堤變形演化特性的位移測量方法,以基礎路堤的變形演化特性為基本特征量,以土體側應變為核心,以樁位移為表征,作為監測地基支護墻位移的基本特征量;卜康正等[2]提出了一種基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的測量技術,在Mindlin位移解和Winkler基礎模型的基礎上,采用基坑開挖復合隧道位移計算方法,導出了復合地基中樁側摩阻力。對公路改建工程中的軟土地基進行了分析,采用“雙孔效應”的迭代疊加,實現隧道豎向與水平位移的疊加,完成地基支承墻的位移測量。以上兩種方法在軟土環境下模擬數據采集較差,單元節點和支護墻節點受力剛度計算誤差較大,導致測量精準度較低。而在實際施工過程中,對各種變形數據進行監測是十分必要的,因為其復雜性和工況模型的假設不能充分反映整體工況。因此,本文在公路復建工程中,對軟土地基支護墻體水平位移測量技術進行了研究。

1 工程概況

以某市某區公路復建工程為例,道路總長度約8.229 km,某段路基寬度25.5 m、28.5 m,平均填筑高度約20 m,路線主要經過耕地、旱地和沙地。金沙江沿岸,云南省昆明市、昭通市和四川省交匯地段的土層多為松散砂層沉積層,砂層較厚,砂層在線路上廣泛分布,一般分布在1～2層,局部分布3層[3]。大體上從南向北。砂質指數差,可塑性差,水分含量低。軟土地基支護墻體結構示意圖見圖1。

圖1 軟土地基支護墻體結構示意圖

如圖1所示,PHC單排管樁與多排根樁相結合的軟土地基支護結構不能滿足軟土開挖的需要,因此將支撐樁頂筋與走廊鋼筋混凝土結構整體連接,形成桁架受力模式[4]。在基層風化過程中,地下水是孔隙水的重要來源,其對混凝土結構腐蝕程度較小,對鋼筋腐蝕程度較大。

2 軟土地基支護墻體水平位移測量

軟土地基支護墻體所選擇的填筑路基位置條件惡劣、地形變化明顯,對于該位置的位移測量,應設置觀測點埋設坐標。

2.1 軟土觀測點埋設坐標

1)支護墻體穩定性觀測點位置。支護墻穩定觀測,主要觀察支護墻充填過程中地面是否發生位移和抬升。同一段相同的觀測項目,需在每隔100～200 m斷面處設置一個觀測斷面,在橋頭設置2～3個觀測斷面。在橋梁的縱坡、填土、開挖交界處等特殊路段,根據實際情況增加1～2個觀測點[5]。同一段不同的觀測項目,應在同一斷面布置測點。

2)支護墻體位移觀測點布設位置。選取路堤兩側足尖處及距溝外10 m處的地面位移觀測點,為了預測可能的滑面位置及地表斷面,通常在路堤外設置3～4個位移側樁,同一觀測段的側樁埋設在同一條水平軸線上[6]。

3)沉降觀測點布設位置。沉降點的沉降觀測一般埋入沉降板中,并埋設在基礎支撐墻中央、肩部和坡腳處。

2.2 儀器與測量基準

2)工作基準樁。將50 cm上部混凝土樁固定在無縫鋼管或混凝土預制樁上,并澆筑1 m×1 m×0.2 m的觀測平臺。樁頂距平臺15 cm,在樁的頂部有探頭。

3)校準基點樁?？梢杂脧U棄的無縫鋼管或預制混凝土樁接觸巖石或某種深度的硬土,對樁周采取永久性保護措施,定期檢查工作樁[8]。

4)沉降板。沉降板是由底板、測量桿和外殼組成的,觀測板中心焊一根直徑25 mm的鋼管,每個管段長度為300 mm[9]。該鋼管的外延部分通過外環箍螺紋連接,管身由50 mm鍍鋅圓管保護,每300 mm鍍鋅圓管由螺栓連接,禁止用鋼管連接[10]。沉積板埋設后找平砂石,并水平安裝,管道與垂直方向平行[11]。沉降板及位移樁設置如圖2所示,沉降板由水準點、位移樁、沉降板和中心線組成,共包括7個觀測點。

圖2 沉降板及位移樁設置圖

5)分層沉降儀。分層沉降儀由沉降管、磁環、波紋管組成,其中磁環位于路基的中心,承載層上的每層設有磁環。對于軟土厚度較大的區域設置兩個磁環,并根據周圍環境,埋設觀測點,由此確定磁環深度[12]。根據地質條件,在路基中鉆入承重層,并在相應位置和深度安裝磁環。放下沉淀管,使用膨脹土填封孔隙,保證磁環與支護墻體同步沉降。使用分層沉降儀測量各個磁環位置,并計算各個層次的沉降量[13]。

6)深層土體位移計。深層土體位移計是一種設置在土體中的位移計,用位移計測量土體的水平位移,其埋設深度取決于地質條件。埋置時在坡腳打孔,將測斜管插入孔內,用沙子填充[14]。利用位移計測量任意深度的管道傾角,再計算出管道的位移和方向。

7)孔隙水壓力計。用頻率計確定路基中心孔,根據中心孔設定導體深度并用膨脹土封裝孔隙,以保護軟土支撐墻體的坡腳。利用孔隙水壓力計測量同一深度孔隙的水壓,保證每個觀測點保持3～5個不同深度的孔隙。

2.3 地基支護墻體水平位移測量方案

2.3.1基于共同作用方程的墻體支承剛度計算

式(7)和式(8)中：Bj(x)為城市j的投資收益。由于在第2.1節中已確定港口投資與固定成本(D)與變動成本(V)之間的關系，因此下面將確定港口投資與勞動者報酬(Lj(xj))之間的關系。

數值模擬中,假設兩側墻的上壓隨開挖過程而變化,在挖方和頂面的墻體上設置上體彈簧。壁面變形到基坑側,其側壓力水平下降,但不能小于主動上壓,該方法能較好地反映支護結構的位移變化[15]。支護墻體的上升壓力主要由基礎剛度和支座剛度決定,一般而言,上壓為初始的軸力和橫撐,由支座(或上錨桿)施加,受主動上壓力和被動上壓力變化。此外,在滿足其使用要求的情況下,應盡量采用較為經濟的施工方法。

作用于壁面的上壓力包括靜壓力和形變壓力,可用下式表示:

F=F0+Fd

(1)

式(1)中,F表示墻體壓力總強度;F0表示墻體受到靜態壓力強度;Fd表示墻體受到動態壓力強度,該強度隨墻體位移變化而改變,其計算公式為:

Fd=±λ·x

(2)

式(2)中,λ表示地基反力系數;x表示水平位移。

采用力學計算模型,將地基視為Winkler地基,將地基支護墻體單元節點與板節點相重疊,忽略地基支護墻體橫截面尺寸,得到共同作用方程:

W=[Zr+ZB+ZZ+Zus+Zβs]·x

(3)

式(3)中,Zr表示冠梁支承剛度矩陣;ZB表示支撐懸臂式墻體支承剛度矩陣;ZZ表示未開挖側的地基支護墻體彈性支承剛度矩陣;Zus表示開挖側的地基支護墻體土支承剛度矩陣;Zβs表示未開挖側的地基支護墻體土支承剛度矩陣。

2.3.2墻體單元節點位移測量

根據支護墻體壓力計算結果,測量墻體位移變化情況,ZQTl點、ZQT2點和ZQT4點水平位移測量詳細內容如下。

1)ZQTl點水平位移。ZQTl監測點位于基坑中心點處,選取監測斷面不同土體開挖深度的水平位移測量數據,如表1所示。由表1可知,支護墻體挖深3 m,可等效為懸臂梁,將支撐墻頂水平向基坑內移動。在基坑深度為-0.5 m和-1.0 m時,ZQTl點水平位移均達到最大為 2.1 mm,受鋼筋支撐作用的時空效應。在20 m深度的情況下,支護墻體上端的水平位移近似為零。在連續開挖時,支護墻的頂部開始向外移動,位移和范圍逐漸增大,其中最大位移為1.1 mm。在挖方深度達到30 m時,基坑上部連續墻全部移出,位移最大為5.1 mm。

表1 ZQTl點水平位移測量數據 單位:mm

2)ZQT2點水平位移。ZQT2監測點位于距離地基支護墻體南側約5m處,選取監測斷面不同土體開挖深度的水平位移測量數據,如表2所示。由表2可知,當開挖深度為3 m時,ZQT2點水平最大位移為0.9 mm;當開挖深度為10 m時,ZQT2點水平最大位移為3.0 mm;當開挖深度達到30 m時,最大位移為13.0 mm。

表2 ZQT2點水平位移測量數據 單位:mm

3)ZQT4點水平位移。ZQT4監測點位于距離地基支護墻體南側約15 m處,選取監測斷面不同土體開挖深度的水平位移測量數據,如表3所示。由表3可知,支護墻體挖深在10 m以下時,將向坑外移,在基坑深度為-4.0 m時,最大位移為1.6 mm;當開挖深度為20 m時,最大位移為5.0 mm;當開挖深度為30 m時,最大位移為8.0 mm。

3 實驗結果與分析

由墻體水平位移測量數據分析可知,當開挖深度為30 m時,地基支護墻體開始向坑外位移,以此為研究對象,分別使用基于地基路堤變形演化特性的測量技術,基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的測量技術,以及所提方法(基于剛度矩陣的位移測量技術),對比分析ZQTl點、ZQT2點和ZQT4點水平位移,對比結果如圖3所示。

(a)ZQTl點水平位移

由圖3a可知,使用基于地基路堤變形演化特性的測量技術,在基坑深度為-0.5 mm時,與實際位移一致。在基坑深度為-3.0 mm、-3.5 mm、-4.0 mm時,與實際位移相差較大,最大相差2.5mm;使用基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的測量技術,在基坑深度為-0.5 mm時,與實際位移一致。在基坑深度為-3.5 mm時,與實際位移相差較大,最大相差2.1 mm;使用基于剛度矩陣的位移測量技術,只有在基坑深度為-3.5 mm時,與實際位移不一致,相差0.02 mm。

由圖3b可知,使用地基路堤變形演化特性的測量技術,在基坑深度為-0.5 mm、-4.0 mm時,與實際位移一致。在基坑深度為-2.5 mm時,與實際位移相差較大,最大相差8.0 mm;使用基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的測量技術,在基坑深度為-0.5 mm、-3.0 mm時,與實際位移一致。在基坑深度為-1.0 mm、-2.5 mm、-4.0 mm時,與實際位移相差較大,最大相差2.0 mm;使用基于剛度矩陣的位移測量技術,在基坑深度為-2.5 mm時,與實際位移相差最大為1.0 mm。

由圖3c可知,使用地基路堤變形演化特性的測量技術,在基坑深度為-0.5 mm時,與實際位移一致。在基坑深度為-2.0 mm時,與實際位移相差較大,最大相差3.0 mm;使用基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的測量技術,在基坑深度為-0.5 mm時,與實際位移一致。在基坑深度為-2.5 mm時,與實際位移相差較大,最大相差3.0 mm;使用基于剛度矩陣的位移測量技術,在基坑深度為-2.0 mm時,與實際位移相差最大為0.1 mm。

通過上述分析,使用基于剛度矩陣的位移測量技術對ZQTl點、ZQT2點和ZQT4點水平位移測量精準度較高。

4 結束語

在工程實踐中,公路復建工程軟土地基有多種處理方法,應根據實際情況應用軟土地基支護墻體的位移測量技術。本文提出了基于剛度矩陣的軟土地基支護墻體水平位移測量技術,以剛度矩陣為基礎,對支護墻體進行壓力計算,發現在公路復建工程中,軟土地基支護墻體的變形規律明顯,墻壁的頂部首先移入坑內。由于開挖過程中軟土地基支護墻體位移較大,墻體中部明顯向內凹陷。