降雨影响下紧邻桥梁软土基坑围护结构受力变形研究.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第24 期2023,23(24):10479-08科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-12-02修订日期:2023-06-05基金项目:国家自然科学基金面上项目(42177162);江西省重点基金项目(20202ACB202005)第一作者:褚东升(1987),男,汉族,河南驻马店人,硕士,高级工程师。研究方向:桥梁与岩土工程设计。E-mail:chuds 。通信作者:代文超(1997),男,汉族,山东青岛人,硕士研究生。研究方向:隧
2、道与地下工程。E-mail:1632159570 。引用格式:褚东升,代文超,占宇飞,等.降雨影响下紧邻桥梁软土基坑围护结构受力变形研究J.科学技术与工程,2023,23(24):10479-10486.Chu Dongsheng,Dai Wenchao,Zhan Yufei,et al.Force deformation of the enclosure structure of the soft soil foundation pit adjacent to thebridge under the influence of rainfallJ.Science Technology and
3、Engineering,2023,23(24):10479-10486.降雨影响下紧邻桥梁软土基坑围护结构受力变形研究褚东升1,代文超2,占宇飞3,詹刚毅4,石钰锋2,3,陈焕然2(1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广州 510230;2.华东交通大学土木建筑学院,南昌 330013;3.华东交通大学江西建筑设计院有限公司,南昌 330013;4.中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)摘 要 某基坑受连续降雨影响,基坑围护结构及其紧邻桥梁桩基受力变形影响较大,施工安全风险大增。为此,基于饱和与非饱和土体强度参数变化规律和线性内插法对坑内土体力学参数进行计算,结合现场实测数据,采
4、用有限元模拟分析了坑内降水及开挖所引起的围护结构受力变形规律及紧邻桥梁桩基变形规律,并探讨了降雨时长对基坑围护结构变形影响。结果表明:基坑开挖至坑底,围护结构发生“踢脚”大变形,易引起第一道混凝土支撑受拉脱落,最大水平位移发生在围护结构底部;桥梁桩基减弱了因开挖引起的基坑周围土体滑移,造成围护结构两侧受力不对称,导致其远离桩基侧变形过大;降雨引起坑内部分土体软化,使得围护结构水平位移进一步增大;在基坑非饱和区范围内且降雨强度一定时,围护结构水平位移量随降雨时长呈非线性加速增长趋势。关键词 基坑;围护结构;降雨;饱和与非饱和土体;受力变形中图法分类号 TU94+1;文献标志码 AForce De
5、formation of the Enclosure Structure of the Soft Soil FoundationPit Adjacent to the Bridge under the Influence of RainfallCHU Dong-sheng1,DAI Wen-chao2,ZHAN Yu-fei3,ZHAN Gang-yi4,SHI Yu-feng2,3,CHEN Huan-ran2(1.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510230,China;2.College of Civil Engineering,East
6、 China Jiao Tong University,Nanchang 330013,China;3.Jiangxi Architectural Design&Construction Institute Co.,Ltd.,East China Jiao Tong University,Nanchang 330013,China;4.China Railway Shanghai Design Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200070,China)Abstract A foundation pit is affected by continuous ra
7、infall,the pit enclosure structure and its adjacent bridge pile foundation areaffected by force deformation,and the construction safety risk is greatly increased.Based on the change law of strength parameters ofsaturated and unsaturated soil and the linear interpolation method to calculate the mecha
8、nical parameters of the soil in the pit,com-bined with the field measurement data,the finite element simulation was used to analyze the deformation law of the enclosure structurecaused by the precipitation and excavation in the pit and the deformation law of the pile foundation of the adjacent bridg
9、e,and to dis-cuss the influence of the rainfall duration on the deformation of the enclosure structure of the pit.The results show that when the pit isexcavated to the bottom of the pit,the enclosure structure has a large deformation of“kick”,which is easy to cause the first concretesupport to fall
10、off under tension,and the maximum horizontal displacement occurs at the bottom of the enclosure structure;the bridgepile foundation weakens the soil slip around the pit caused by excavation,resulting in asymmetric force on both sides of the enclosurestructure,leading to its deformation far from the
11、pile foundation.The rainfall causes the softening of some soils in the pit,which furtherincreases the horizontal displacement of the enclosure structure,within the unsaturated area of the pit and when the rainfall intensity iscertain,the horizontal displacement of the enclosure structure shows a non
12、-linear accelerated growth trend with the rainfall duration.Keywords foundation pit;enclosure structure;rainfall;saturated and unsaturated soils;force deformation 随着城市化进程不断深入,基坑工程所面临的环境条件越来越复杂,其中降雨对基坑工程的安全威胁较大,降雨入渗会使得一定范围土体软化造成支护结构变形增大,甚至出现基坑失稳塌陷1-4。投稿网址:目前,学者们针对降雨入渗对基坑及边坡失稳问题,利用不同手段开展了大量研究。赵建军等5等采用
13、室内试验方法研究孔隙水压力随降雨时长变化规律,分析边坡失稳过程。杜怡韩等6采用工程地质勘察与物理模型试验等方法,研究了强降雨下滑坡的稳定性及破坏机制,总结出强降雨对滑坡体土压力的影响规律以及不同工况下墙后土压力的分布规律。王磊等7、王力等8开展现场试验,研究了土体孔隙水压力、含水率与降雨过程的响应关系,分析降雨作用下边坡入渗规律。梁树等9采用模型试验、现场试验和数值模拟相结合的方法,综合分析降雨作用下黏土基坑边坡入渗深度变化规律,并提出入渗深度的经验公式。任东兴等10通过数值模拟分析降雨入渗影响区土体强度参数变化,探讨边坡在暴雨条件下应力变化特征及其稳定性。孙振华等11以实际工程为依托,应用有
14、限元软件模拟基坑边坡在降雨作用下渗流应力耦合场的变化规律及分布特征。李炎隆等12采用数值计算得到降雨入渗后边坡渗流场,再将渗流作用等效为荷载,采用强度折减法分析边坡的安全系数。崔凤展等13采用数值模拟与现场监测方法,分析在强降雨作用下基坑边坡受力变形规律,并提出相应的稳定控制措施。杜忠原等14等基于理论分析和数值模拟,探讨不同降雨条件下,边坡加固体的结构内力变化及边坡破坏形式对边坡稳定性的影响,目前针对基坑围护结构整体受降雨影响的相关研究较少,大都集中降雨条件下边坡稳定的研究。鉴于此,以临近桥梁的基坑项目为依托,基于饱和与非饱和土体强度参数变化规律和线性内插法对坑内土体力学参数进行计算,通过有
15、限元模拟和现场实测相结合,分析坑内降水及开挖所引起的围护结构受力变形规律及紧邻桥梁桩基耦合变形,并探讨降雨时长对基坑围护结构变形影响,并提出相应的控制措施,以期为类似工程提供借鉴。1 工程概况某紧邻桥梁基坑采用明挖法施工,基坑长为60 m,宽度为 11.7 m,开挖深度为 9.7 m,采用桩长为 16.7 m 的 SMW 工法桩进行围护。基坑内设置 3道支撑,第一道撑为水平间距6 m 的混凝土支撑,第二、三道撑为水平间距 3 m、直径 0.6 m 的钢支撑。坑底采用桩长 23 m、间距4.5 m、直径0.8 m 的沉管桩;距基坑 6.71 m 处为一座20 m 跨径的简支梁桥,桥台采用双排桩基
16、础,排间距4 m,桩径1.5 m,桩长48 m。桥梁与基坑的相对位置关系如图 1 所示。场地内覆盖层自上而下分层为:人工填土、淤泥图 1 相对位置示意图Fig.1 Schematic diagram of relative position质土、粉质黏性土、中粗砂,下伏基岩为中风化花岗岩,如图 2 所示。其中深厚软弱的淤泥质土层和中粗砂层作为围护结构和桥梁桩基的主要持力层,且地下水丰富,地下水类型主要为孔隙性潜水,地下水径流复杂且深度较大,并接受大气降水。2 数值分析2.1 模型建立根据工程情况,采用有限元软件建立三维有限元模型,为消除模型边界效应,取模型尺寸为基坑深度的3 5 倍,即 x 方
17、向为100 m、y 方向为100 m、z 方向为 80 m。数值模型中,两侧面为法向位移约束,底部为完全约束,顶部为自由面,三维有限元整体模型图如图 3 所示。图 3 基坑整体模型示意图Fig.3 Schematic diagram of the overall model08401科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:图 2 横断面示意图Fig.2 Cross-sectional schematic表 1 土层参数Table 1 Soil layer parameters地层/(kN m-3)Eref50
18、/MPaErefoed/MPaErefur/MPac/kPa/()G0/MPa0.7K/(m d-1)d/m杂填土16.23.93.918.310.012.0480.000 28.64 10-13淤泥质土18.33.23.225.68.513.4530.000 28.64 10-523粉质黏土19.89.29.241.67.021.3920.000 23.71 10-39中粗砂18.519.019.057.01.032.01710.000 25.00 10-128中风化花岗岩21.09009002 20011338.04020.000 23.71 10-720 注:Eref50为描述主偏量加载
19、引起的塑性应变;Erefoed为主压缩引起的塑性应变;Erefur为反映土体弹性卸载/重加载时的弹性模量;由于土体在应变较小时会表现出较大的模量,因此引入 G0为初始剪切模量;0.7为割线剪切模量衰减到初始剪切模量 70%时所对应的剪应变;为重度;c 为黏聚力;为内摩擦角;K 为渗透系数;d 为厚度。2.2 本构模型及参数选取场地土体采用 HSS(小应变硬化土)本构模型,能够准确地反映基坑开挖对周围土体的应力应变关系,并且考虑了土在小应变中的刚度非线性变化特征,适合多种土类的破坏和变形特征描述。各土层物理力学参数根据地勘报告取值,具体参数如表1 所示。由于基坑降水,每层开挖前一定深度的被动区土
20、体由饱和土体变为非饱和土体,由饱和与非饱和渗流、土体抗剪强度指标随含水率变化理论可知,不同饱和度土体的物理力学参数各不相同,参考文献15的研究成果,饱和度为 84%的非饱和淤泥质土体达到饱和后黏聚力降低 15%、内摩擦角降低14%、压缩模量降低 38%,采用线性内插法,得到降水后坑内地下水位以上土体参数如表 2 所示,由于184012023,23(24)褚东升,等:降雨影响下紧邻桥梁软土基坑围护结构受力变形研究投稿网址:表 2 饱和/非饱和淤泥质土土层参数Table 2 Soil layer parameters of saturated/unsaturated silty soils地层/(
21、kN m-3)Eref50/MPaErefoed/MPaErefur/MPac/kPa/()G0/MPa0.7非饱和17.25.55.544.312.716.192.20.000 2饱和18.33.23.225.68.513.453.10.000 2杂填土强度较低,性质较差,故考虑降水后只改变其重度。同时为模拟坑外降雨过程,在坑外土体表面施加与降雨量一致的均布荷载。桥梁承台采用实体单元模拟,桥梁桩基和沉管桩均采用嵌入桩单元;混凝土支撑采用梁单元模拟,钢支撑采用点对点锚杆单元;新型水泥土搅拌桩墙通过抗弯刚度等效为地连墙,采用板单元模拟,并且在板与地层接触面之间设置界面单元,折减系数为 0.75。
22、其中结构单元均采用线弹性本构,将临近桥梁桩基一侧围护结构称为 wall A,另一侧称为 wall B,三维模型细部结构如图 4 所示。图 4 模型细部结构图Fig.4 Model detail structure diagram2.3 模拟过程及工况根据现场施工情况将基坑开挖的关键过程进行分步模拟,地下水位取勘察报告中所记录的最高水位 0 m,每次降水水位均在开挖线以下 1 m,降雨强度根据夏季强降雨值取75 mm/d。根据实际施工过程,通过设定网格的生死单元来模拟施工,具体模型施工计算过程如下。Step 1 对模型整体进行地应力平衡。Step 2 激活临近桥梁上部结构及桩基。Step 3 位
23、移清零并施做围护结构。Step 4第一次降水,坑内水位以上未开挖土体更改为非饱和土体。Step 5 第 一 次 开 挖 3.2 m,开 挖 线 位 于-0.2 m,激活冠梁及混凝土支撑。Step 6第二次降水,坑内水位以上未开挖土体更改为非饱和土体。Step 7 第 二 次 开 挖 3.2 m,开 挖 线 位 于-6.4 m,激活第二道钢支撑。Step 8第三次降水,坑内水位以上未开挖土体更改为非饱和土体。Step 9 第 三 次 开 挖 3.3 m,开 挖 线 位 于-6.7 m,激活第三道钢支撑,同时激活坑内沉管桩。Step 10 降雨,将坑内降雨入渗土体更改为饱和土体,坑外施加均布荷载。
24、3 模拟结果分析3.1 结果可靠性验证为了验证本文模拟结果的可靠性,对降雨后wall B 的水平位移计算值与现场实测值进行对比,如图 5 所示。可以看出,计算曲线与实测曲线变形趋势基本吻合,围护结构最大水平位移基本相等,其中由于数值模拟中将 SMW 工法桩等效成地连墙,增加了围护结构的整体刚度和稳定性,故在基坑开挖降雨时计算值略小于现场实测值。总体而言,模拟结果能够反映降雨作用下基坑的受力变形特性及对临近桥梁桩基变形影响。图 5 桩身水平位移计算值与实测值对比图Fig.5 Comparison of the calculated and measuredhorizontal displacem
25、ent of the pile body3.2 基坑围护结构水平位移分析图 6 为基坑围护结构水平位移曲线,可以看出,基坑开挖至坑底后,由于基坑所处软土地层和围护结构插入深度不足的影响,被动土压力小于主动土压力,围护结构水平位移激增,整体由原来的“鼓肚子”形式变为“踢脚”形式,最大值出现在围护结构28401科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:最底端,同时坑内沉管桩受围护结构“踢脚”大变形影响,发生较大偏移,最大偏移量达 33.5 mm,如图 7所示。wall B 水平位移最大值为33.9 mm,同比上一阶
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