圓形基坑支護(hù)的受力分析

圓形基坑支護(hù)的受力分析

懸索橋錨座是橋梁工程中的重要施工組成部分。錨的安全和良好的施工往往關(guān)系到建設(shè)項(xiàng)目的成敗。隨著橋梁工程的不斷發(fā)展，建設(shè)規(guī)模越來越大，錨碇基坑也向著越來越深的方向發(fā)展。近年來，國內(nèi)多座懸索橋錨碇基坑近些年來，圓形地連墻作為基坑支護(hù)形式被廣泛采用。王衛(wèi)東等目前，關(guān)于橋梁錨碇基礎(chǔ)圓形地連墻的內(nèi)力和變形計(jì)算，主要采用《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3363-2019)1基坑土體開挖廣西龍門大橋橫跨龍門海峽，連接了欽州和防城港兩座城市，是廣西濱海公路的重要控制性工程。龍門大橋采用了懸索橋結(jié)構(gòu)，主橋最大跨度為1098m，東錨碇基坑開挖深度為14m。根據(jù)工程水文地質(zhì)情況及錨碇設(shè)計(jì)需要，采用外徑為90m的大直徑樁基+地連墻銑接頭的圓形圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為錨碇基坑的支護(hù)形式，其中，大直徑樁基直徑3.5m。為避免樁基底部發(fā)生滲流以及踢腳破壞，水中部分樁基嵌入中風(fēng)化巖層深度不小于5m。地連墻施工Ⅱ期槽段共48個，長2.8m，寬1.5m。樁基及Ⅱ期槽段采用C30水下混凝土。Ⅱ期槽段與大直徑樁基在軸線處搭接長度為0.457m，采用銑接法連接。支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后，沿圓周將基坑土體分成14個區(qū)域，并采用島式開挖法分層對稱開挖土體。各層土體的施工工期由土體開挖控制，各層土體開挖厚度控制在3m以內(nèi)。頂板厚6～8m，采用C40混凝土。為提高基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定性，基礎(chǔ)內(nèi)部采用填芯混凝土，強(qiáng)度等級為C20。龍門大橋東錨碇構(gòu)造示意如圖1所示。根據(jù)東錨碇區(qū)鉆孔統(tǒng)計(jì)，鉆孔揭露上覆第四系地層為角礫及碎石，部分地段基巖裸露，出露基巖為志留系下統(tǒng)連灘組強(qiáng)風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化頁巖、中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化頁巖。其中，強(qiáng)風(fēng)化巖厚度大，發(fā)育層底標(biāo)高為-88.40～-21.90m（埋深24.70～91.20m），起伏較大；橫縱方向砂巖、頁巖交錯分布，該區(qū)域中等風(fēng)化層頂埋深24.70～50.60m，層頂標(biāo)高為-35.74～-17.42m，層位相對穩(wěn)定。錨碇以（14)-2中風(fēng)化頁巖、（15)-2中風(fēng)化砂巖作為天然地基持力層，東錨碇地質(zhì)剖面如圖2所示?，F(xiàn)場通過對龍門大橋東錨碇區(qū)域SZK21、CZZK19、CZZK20、CZZK17、CZZK18、SZK22、SZK19、SZK35共計(jì)8個鉆孔進(jìn)行地質(zhì)勘探，獲得該區(qū)域地層分布條件及土體強(qiáng)度等參數(shù)。基于安全性考慮，選取SZK19鉆孔資料作為土層資料，對SZK19鉆孔附近的樁基進(jìn)行計(jì)算，樁基長度為27.1m，樁頂標(biāo)高為4m，樁底標(biāo)高為-23.1m，開挖至樁身標(biāo)高-10m位置處。計(jì)算分析時將基坑各土層等效為成層土，土層的名稱和物理力學(xué)參數(shù)見表1；圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表2。將坑內(nèi)土體共分為5層進(jìn)行開挖，并采用島式開挖的方法進(jìn)行施工。首先分區(qū)域?qū)ΨQ開挖基坑土體，然后再開挖基坑中間的土體?；油馏w開挖前進(jìn)行分層疏干降水，基坑內(nèi)部土體的降水水位控制在開挖面以下1～1.5m。假定基坑的周邊堆載重量為20kN/m2考慮巖體材料的土壓力和摩擦角分別根據(jù)《公路橋涵規(guī)范》、《建筑邊坡規(guī)范》中推薦的計(jì)算模型對東錨碇基坑水土壓力以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行計(jì)算分析。由于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移相對較小，因此按照靜止土壓力考慮作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力，采用水土分算的方法計(jì)算水土壓力。根據(jù)《公路橋涵規(guī)范》，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)分別施加靜止土壓力與水壓力，在基坑內(nèi)部設(shè)置土彈簧與水土抗力，計(jì)算公式如下所示：式中：E圓形地下連續(xù)墻墻體的環(huán)向效應(yīng)以沿深度分布的等效彈性支承來替代，按照下式進(jìn)行計(jì)算：式中：K單位寬度地連墻墻體上的內(nèi)環(huán)梁或內(nèi)襯的等效彈性系數(shù)按下式計(jì)算：式中：K對于巖層地質(zhì)，目前常采用庫倫土壓力或朗肯土壓力公式計(jì)算巖石的側(cè)向壓力，而不是在計(jì)算時對巖質(zhì)邊坡與土質(zhì)邊坡的不同進(jìn)行區(qū)分設(shè)結(jié)構(gòu)面與最小主應(yīng)力方向夾角為β，按莫爾圓可得：因此當(dāng)φ<β<π/2時，巖體才有可能沿結(jié)構(gòu)面滑移。本工程案例中，強(qiáng)風(fēng)化頁巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖屬于Ⅳ類巖體，中風(fēng)化頁巖屬于Ⅱ類或Ⅲ類巖體，因此有必要考慮巖體本身對側(cè)向壓力的影響。根據(jù)《建筑邊坡規(guī)范》，對于巖層地質(zhì)，應(yīng)以巖體等效內(nèi)摩擦角并按照側(cè)向土壓力的方法來計(jì)算作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的巖石側(cè)壓力。由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移較小，因此采用靜止土壓力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，等效內(nèi)摩擦角計(jì)算方法如圖3和式（8）、式（9）所示：式中：θ為巖體破裂角；γ為巖體容重；h為土層厚度；φ2.1土壓力系數(shù)對比根據(jù)《公路橋涵規(guī)范》，計(jì)算開挖至基坑底部時作用在圓形地連墻的水土壓力、水土抗力，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表4、表5。根據(jù)《建筑邊坡規(guī)范》，計(jì)算等效摩擦角、等效黏聚力，以及開挖至基坑底部時作用在圓形地連墻的水土壓力，計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表6、表7。通過對比表4和表6發(fā)現(xiàn)，《建筑邊坡規(guī)范》計(jì)算出來的等效內(nèi)摩擦角要比土體內(nèi)摩擦角小得多，且靜止土壓力系數(shù)以及主動土壓力系數(shù)均小于《公路橋涵規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果。如圖4所示，《公路橋涵規(guī)范》計(jì)算得到的坑外土壓力以及坑內(nèi)土壓力均大于《建筑邊坡規(guī)范》計(jì)算得到的坑外土壓力以及坑內(nèi)土壓力。隨著開挖深度的增大，兩種規(guī)范方法所計(jì)算出來的土壓力差異也在逐漸增大。當(dāng)基坑開挖至底部時，坑外土壓力以及坑內(nèi)土壓力的計(jì)算差異達(dá)到最大，其中，坑外土壓力最大計(jì)算差異達(dá)395.72kPa，坑內(nèi)土壓力最大計(jì)算差異達(dá)110.45kPa。橋梁錨碇基坑具有較大、較深的特點(diǎn)，采用不同的規(guī)范計(jì)算方法所得到的土壓力會產(chǎn)生較大差異，從而進(jìn)一步影響基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形。2.2地下壓力彎矩的計(jì)算分別將以上兩種規(guī)范方法計(jì)算得到的土壓力施加在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，然后采用彈性地基梁法對巖石側(cè)壓力產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行計(jì)算。圓形地下連續(xù)墻的環(huán)向效應(yīng)等效為彈簧單元，單位寬度等效分布彈性系數(shù)K3土壓力對比分析分別根據(jù)兩種規(guī)范方法所推薦的計(jì)算模型對龍門大橋東錨碇基坑土壓力、墻體彎矩進(jìn)行對比分析。由于東錨碇基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移較小，因此按照靜止土壓力公式計(jì)算作用在圓形地連墻上的土壓力，并采用水土分算的方法進(jìn)行分析。對于巖層地質(zhì)，《公路橋涵規(guī)范》采用原始內(nèi)摩擦角進(jìn)行巖石側(cè)壓力計(jì)算；《建筑邊坡規(guī)范》考慮了巖石結(jié)構(gòu)面滑移特性，采用等效內(nèi)摩擦角計(jì)算巖石側(cè)壓力。計(jì)算結(jié)果表明，采用《公路橋涵規(guī)范》計(jì)算得到的坑外土壓力以及坑內(nèi)土壓力均大于《建筑邊坡規(guī)范》計(jì)算得到的坑外土壓力以及坑內(nèi)土壓力；隨著開挖深度的增大，兩種規(guī)范方法所計(jì)算出來的土壓力差異也在逐漸增大。橋梁錨碇基坑具有較大、較深的特點(diǎn)，采用不同