白曉宇，張明義，袁海洋

（1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033；2.青島理工大學 藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266033；3.青島易境工程咨詢有限公司，山東 青島 266000）

1 引言

土巖組合基坑指基坑開挖深度范圍內(nèi)上部是土層，下部是基巖的基坑。由于基巖的強度高、穩(wěn)定性好，尤其是中風化巖以下部位具有較好的豎向承載能力和邊坡自穩(wěn)能力，繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的支護方式不但造價高，而且土層支護施工工藝在基巖中會遇到一些問題[1－5]。當采用通常的樁錨（撐）體系時，在堅硬巖層中施做灌注樁難度大、工效差、樁的入巖深度不夠，難以形成理想的樁錨（撐）支護體系。導致支護樁處于無嵌固狀態(tài)，形成吊腳樁。時至今日，吊腳樁作為一種重要的基坑支護形式，在青島、大連、深圳及武漢等土巖基坑中得到了廣泛的應用。

龍門吊依其大跨度內(nèi)荷載穩(wěn)定、作業(yè)空間大、帶載行走、占地面積小、操作司機能目視到作業(yè)區(qū)、作業(yè)更安全等獨特的優(yōu)勢，逐漸從碼頭、貨場專用設備中脫穎而出，應用到明挖法地鐵車站施工領(lǐng)域，成為明挖地鐵車站吊運設備的首選。龍門吊適用于狹窄場地，基坑兩頭有堆放貨場地，也適用于基坑側(cè)面有施工便道的場地使用[6]。當然，它在土巖組合地層的地鐵明挖基坑施工中也不例外，作為吊用設備及架設支撐的首選。由于龍門吊軌道距基坑邊線較近而且?guī)лd行走，作為移動荷載會使排樁產(chǎn)生振動，對基坑安全施工產(chǎn)生影響。因此，對龍門吊移動荷載作用下的吊腳樁的動力響應分析有重要意義。目前國內(nèi)外關(guān)于龍門吊移動荷載對排樁支護的吊腳樁變形和動力響應未見報道，樁基動力響應的研究僅限于動載荷位置固定的情形[7－10]，如在某種特有的頻率下飽和土中排樁的隔振分析[11－12]以及飽和土體中移動荷載作用下單樁的動力響應[13－17]。

本文結(jié)合青島地鐵一期工程（3號線）永平路站土巖組合明挖基坑的設計及施工情況，采用現(xiàn)場監(jiān)測和Plaxis有限元模擬相結(jié)合的方法研究了青島地鐵土巖結(jié)合明挖基坑中吊腳樁在龍門吊移動荷載用下的變形規(guī)律及樁土動力響應。

2 工程概況

2.1 車站概況

永平路站位于青島市振華路與永平路交叉路口，沿振華路呈東西向布置，為地下二層島式車站。地下一層為站廳層，地下二層為站臺層。結(jié)構(gòu)類型為雙層雙跨箱形框架結(jié)構(gòu)。車站主體總長為179.8 m，標準段寬度為20 m。車站頂板覆土厚度為3.0～4.7 m，軌面埋深為14.6～17.0 m，底板埋深為16.1～18.5 m。采用明挖順作法施工，支護結(jié)構(gòu)采用灌注樁+支撐+錨索的組合支護方式。

2.2 工程地質(zhì)概況

該車站位于青島典型的土巖組合地層之中。場區(qū)第四系厚度為0.00～6.50 m，主要由第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）及上更新統(tǒng)洪沖積層（Q3al+pl）組成。土層層序依次為素填土、黏土及含黏性土粗礫砂。第四系以下基巖以粗?；◢弾r為主，花崗斑巖、煌斑巖呈脈狀穿插其間，受滄口斷裂構(gòu)造影響，糜棱巖，砂土狀碎裂巖及碎裂狀花崗巖較發(fā)育，層序依次為強風化花崗巖上、下兩個亞帶、花崗巖中風化帶、微風化帶花崗斑巖，基巖面總體較平緩。各巖土層物理參數(shù)如表1所示。

表1 場區(qū)主要巖土層的物理參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of soils and rocks

2.3 水文地質(zhì)概況

場區(qū)地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。地下水水位埋深約為1.60～4.70 m。洪沖積層孔隙水含水層以第四系砂層及填土層為主，由于含黏性土粗礫砂分布不連續(xù)，厚度變化較大，填土層厚度變化較大，水位埋深也略有起伏。強風化巖厚度較大，風化裂隙水及構(gòu)造裂隙水均較發(fā)育，其中風化裂隙水主要賦存于巖石強風化帶中。構(gòu)造裂隙水主要賦存于斷裂兩側(cè)的構(gòu)造影響帶及節(jié)理裂隙發(fā)育帶中?；鶐r裂隙水雖水量不大，但與第四系孔隙潛水水力聯(lián)系明顯。場區(qū)地下水主要依靠大氣降水入滲和地表水體入滲補給，水位具有明顯的豐、枯水期變化，受季節(jié)影響明顯。地下水豐水期水位上升，枯水期水位下降。地下水的流向主要受區(qū)域侵蝕基準面和地貌的控制，從地下水位反映的形態(tài)看，地下水徑流方向是由西北向東南。地下水水位隨季節(jié)及降雨情況有一定的變化，各鉆孔勘察深度內(nèi)均見地下水?？辈炱陂g地下水穩(wěn)定水位埋深為1.61～4.70 m，絕對標高為11.87～15.21 m，年內(nèi)變幅1～2 m。

2.4 基坑支護結(jié)構(gòu)設計方案

根據(jù)永平路站的結(jié)構(gòu)型式、場地地質(zhì)及周圍環(huán)境特征，結(jié)合深基坑設計施工經(jīng)驗、工期以及經(jīng)濟性，經(jīng)計算分析，主體圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐+錨索（見圖1）。車站主體基坑標準段圍護樁采用直徑為800 mm鉆孔灌注樁，混凝土強度等級為C30，重度γ=25 kN/m3，彈性模量Ep=3.0×104MPa，泊松比ν=0.20，樁中心距為1 200 mm，設計樁長約為11.0 m，嵌巖深度為1.5 m，用直徑1 200 mm的旋噴樁止水，旋噴樁入巖深度為0.5 m，鉆孔灌注樁與主體外輪廓線的凈距為1.5 m；樁間掛鋼絲網(wǎng)片、噴射C25混凝土。標準段沿基坑豎向設置一道φ 609 mm鋼支撐（壁厚t=14 mm，彈性模量Es＝2.0×105MPa，泊松比ν=0.26）加1～3道錨索，錨索采用抗拉設計強度為1 320 MPa的φS15.2 mm（1×7）制作，水平間距為2.4 m，豎向間距為2.5 m。基坑下部巖層采用微型鋼管樁支護，鋼管外徑為168 mm，壁厚為5.0 mm，鋼管內(nèi)灌注水泥砂漿。鋼管底插入基坑底部不小于1.5 m，鋼管水平間距為1.0 m。巖層錨桿第1道采用預應力錨索MG4，水平間距為2.0 m，且與灌注樁鎖腳錨索MG3交錯布置，沿錨桿水平向設置肋梁，錨桿參數(shù)表2。其余為一道普通巖層錨桿（全長粘結(jié)），錨桿長度為5.0 m，水平間距為2.0 m，豎向間距為2.0 m，鉆孔直徑不小于110 mm。

圖1 基坑支護剖面圖（單位：mm）Fig.1 Section of excavation support(unit:mm)

表2 錨桿參數(shù)Table 2 Anchor parameters

3 有限元模型建立及模擬方法

采用Plaxis模擬基坑開挖變形，為簡化計算，對有限元模型采用如下假設：①基坑的開挖采用平面應變模型；②土體視為彈塑性體，上部土體采用摩爾-庫侖模型，下部巖體用線彈性模型進行模擬；③圍護樁、鋼支撐及錨索視為彈性受力狀態(tài)；④圍護樁施工及開挖引起的土體應力變化不予考慮[1]。

由于基坑比較規(guī)則對稱，取一半的基坑進行模擬，該方向由于考慮沉降變形所以總寬度取40 m，基坑開挖深度取16 m，在該方向模型總長度為30 m。邊界約束條件為：底部邊界施加完全固定約束，左側(cè)及右側(cè)邊界施加水平約束。在一般設置中，使用標準重力加速度（9.8 m/s2），時間單位為s。

龍門吊按照傳力方式將其簡化為4個輪壓。設此龍門吊自重為100 t，最大起重為6 t，總計106 t，考慮龍門吊最不利起吊狀態(tài)，即偏心受壓在一側(cè)，小車在最左側(cè)，距離邊跨1.0 m，如圖2所示。根據(jù)靜力平衡，可求得軌道L處單個輪壓為272.95 kN。

假設軌道直接鋪設在冠梁上，在輪壓下其局部壓應力影響范圍lc根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[18]可知，lc=a+5hy+2hR，其中，a為集中荷載沿梁跨度方向的支承長度，對鋼軌上的輪壓可取50 mm；hy為自梁頂面至腹板計算高度上邊緣的距離，取20 mm；hR為軌道的高度，對梁頂無軌道的梁hR=0，取30 mm，計算得lc=210 mm。

該基坑龍門吊移動速度為20 m/min，對一根直徑為800 mm灌注樁的影響范圍為l=800+210=1 010 mm，即通過樁體的時間t=l/v=1.01×60/20=3.03 s。假設移動荷載為一正弦波的前半段，所以該正弦波的周期T為6.06 s，其頻率f=2π/T=1.036，根據(jù)這些參數(shù)可以在Plaxis有限元軟件中輸入一個動力荷載P。

圖2 龍門吊實物圖與計算簡圖Fig.2 Photo and calculation diagram of gantry crane

土體和圍護樁都采用15節(jié)點單元來模擬，地基土共設6個土層，樁體周圍設置界面單元以便更好地模擬樁與土體的相互作用，界面需要深入樁下土層0.5 m。根據(jù)本算例的特點，圍護樁采用無厚度的彈性板單元模擬，鋼支撐通過軟件中的錨定桿單元模擬，錨索采用點對點錨桿單元和土工格柵單元組合模擬，其中用點對點錨桿單元來模擬錨索的自由段，用土工格柵單元模擬錨索的錨固段[19]，而巖土體和結(jié)構(gòu)的相互作用通過界面單元實現(xiàn)。由于Plaxis軟件具有自動劃分網(wǎng)格的功能，所以網(wǎng)格劃分比較方便。需要指出的是，根據(jù)本工程的特點，網(wǎng)格劃分精度選擇中等粗糙程度，并對支撐、錨索錨固段及樁體周圍的網(wǎng)格進行加密，如圖3、4所示，并樁頂作用一個動力荷載P。盡管Plaxis二維模型不可能精確模擬錨索應力狀態(tài)及其與土的相互作用，但在假設錨固段相對于土體沒有相對滑動的情況下，可以在總體水平上模擬應力分布和結(jié)構(gòu)的變形及穩(wěn)定性，這樣既能減少計算時間又能得到較為理想的計算結(jié)果。

圖3 計算模型Fig.3 Calculation model

圖4 模型網(wǎng)格劃分及加密Fig.4 Grid division and encryption of model

由于基坑開挖是一個逐步實施的過程，Plaxis可以關(guān)閉或激活幾何模型中的荷載、土層或結(jié)構(gòu)對象，通過對水壓力，開挖土層以及結(jié)構(gòu)對象的激活或者關(guān)閉可以模擬實現(xiàn)分步開挖的過程。

為了結(jié)果更好地反應實際的基坑開挖，根據(jù)基坑開挖施工階段的特點，該車站由3個計算步組成：第1步生成開挖完成的基坑；第2步通過激活半個周期的簡諧波荷載給樁施加動力荷載；第3步分析樁土的動力響應。后兩步都是動力分析計算。

4 計算結(jié)果及分析

通過Plaxis有限元軟件建立模型、劃分網(wǎng)格、孔隙水壓力計算、土壓力計算等過程，最后得出基坑開挖完成后水平位移云圖如圖5所示。

圖5 開挖完畢后水平位移云圖Fig.5 Nephogram of horizontal displacement after foundation pit excavation

從圖可以看出，樁頂及吊腳樁的樁腳處的水平位移較大，尤其在樁腳處水平位移最大。關(guān)于圍護樁嵌巖深度、預留巖肩寬度、樁腳處鎖腳錨桿軸力對土巖基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，文獻[1]進行過詳細介紹，不再贅述。由于圍護樁的約束作用，靠近坑邊的地表變形較小，基坑開挖對周邊地表變形的影響基本在2h（h為基坑開挖深度）范圍之內(nèi)，且h 范圍內(nèi)的影響較大。

圍護結(jié)構(gòu)變形的大小不僅對其自身的穩(wěn)定性及強度有重要作用，而且對基坑周邊土層的位移有直接影響，將圍護結(jié)構(gòu)的位移控制在合理的范圍內(nèi)是保證基坑施工和周邊環(huán)境（建構(gòu)筑物、管線及道路）安全的前提[5]。圖6為基坑開挖完后，圍護樁樁身水平位移模擬值與實測值對比曲線。

由圖6可知，圍護樁樁身水平位移實測值在樁頂較大，樁身水平位移由樁頂?shù)綐抖讼仍龃笤贉p小，最大位移值發(fā)生在距離樁頂約4.5 m的位置，位移值為8.6 mm，Plaxis對樁身位移的模擬結(jié)果與實測值很接近。圍護樁上部分的整體位移比下部分的大，這是由于圍護樁上部為易產(chǎn)生變形的第四系土層和強風化花崗巖，下部為物理力學性質(zhì)穩(wěn)定、不易變形的中風化和微風化花崗巖層，有較好的自穩(wěn)能力。另外，樁腳處也有變形，并不是完全固定。樁頂、最大樁身位移處及樁端這幾處受移動荷載影響較大，因此，動力計算時選取樁頂A 點，樁頂下4.5 m處C 點，樁端E 點作為位移節(jié)點。

圖6 樁身水平位移模擬值與實測值Fig.6 Calculated and monitored horizontal displacements of bored pile shaft

圖7給出了基坑開挖完后圍護樁樁身彎矩模擬值與實測值對比曲線?？梢钥闯?，Plaxis有限元軟件也能較準確地反應圍護樁樁身的彎矩分布情況，樁頂下4.5 m處正彎矩最大，與樁身變形曲線相對應。在距樁頂約6.0 m處樁身出現(xiàn)反彎點，該位置接近第2道預應力錨索施工位置處。在距樁頂9.5 m處出現(xiàn)較大的負彎矩，主要是由于樁端嵌入一定深度的基巖，樁腳處位移受到基底巖層的約束。因此，再選取最大負彎矩處的F 點作為應力節(jié)點進行動力分析。

圖7 樁身彎矩模擬值與實測值Fig.7 Calculated and monitored bending moments of bored pile shaft

5 動力分析

基坑監(jiān)測中圍護樁樁身的水平位移和沿樁身長度方向的土壓力是比較重要的，因為它們直接反映了基坑的變形與支撐或者錨拉體系的受力情況，通過分析動力荷載對這兩方面的影響，可以比較清晰地得出龍門吊移動時對基坑的不利影響，以便采取相應的控制措施。

5.1 樁身水平位移動力響應

模型第1步首先計算基坑開挖完畢平衡后初始應力場，在無外載荷時，土體在自重應力的作用下，初始階段平衡力的變化比較大，而后較平緩地向極限平衡狀態(tài)發(fā)展，可見基坑初始狀態(tài)穩(wěn)定性良好。第2步動力計算之前將位移歸為0，保留應力，以該階段為初始狀態(tài)，模擬分析樁體A、C、E 3點的動力響應。樁體A、C、E 3點的動力響應如圖8所示。

圖8 樁身A、C、E 3點水平位移動力響應Fig.8 Dynamic response of horizontal displacement at points A，C，E on bored pile shaft

從圖可以看出，樁頂A 點的水平位移動力響應最小，樁腳嵌巖處E 點的水平位移動力響應最大，E 點的水平位移為A 點水平位移的30倍，具體數(shù)值見表3。由表可以看出，A 點的最大水平位移發(fā)生在t′=0.3 s的時刻，此時車輪行進距離為l′=t′l/t=0.3×1 010/3.03=100 mm，說明龍門吊車輪剛行駛至樁邊，且此時刻樁頂水平位移為負值，即樁頂A 點向背離基坑臨空面方向移動。C、E 兩點均在t′=0.7 s時刻水平位移達到最大值，且E點的水平位移較大，此時車輪行進距離為l′=t′l/t=0.7×1 010/3.03=236 mm，說明龍門吊車輪正處在樁截面邊緣與樁體中心處，且向樁中心處移動。在龍門吊移動過程中，當龍門吊的車輪即將到達樁體中心時，樁端的水平位移受移動荷載動力響應效應較為明顯，明顯大于樁頂處，但當龍門吊經(jīng)過后，移動荷載引起的樁身水平位移恢復為0，說明移動荷載引起的樁身變形發(fā)生在彈性范圍內(nèi)。

5.2 土壓力動力響應

圖9為樁體C、E、F 3點的土壓力動力響應。由圖可知，樁身C、E、F 3點動力響應大致相同，其中E 點波動稍偏大，說明龍門吊移動荷載會給土壓力帶來一定的影響，尤其是樁腳E 點處土壓力變化比較大，總體來說在移動荷載作用下，土壓力動力響應沿樁身相差不大。在0.5 s時刻內(nèi)，當移動荷載剛出現(xiàn)時，土壓力迅速減小，結(jié)合該移動荷載對樁體水平位移的影響，說明此時刻樁體偏離了土體，但在很短的時間內(nèi)土壓力又恢復到平穩(wěn)狀態(tài)，而且在1.0～3.0 s內(nèi)受移動荷載的影響逐漸減小，表明移動荷載剛施加（龍門吊剛啟動）的一瞬間是最危險時刻，隨后在龍門吊經(jīng)過的過程中其影響逐漸減小，最終減小至靜力平衡狀態(tài)。各點最大土壓力及發(fā)生時刻見表4。

表3 移動荷載下樁身各點最大水平位移Table 3 Each point maximum horizontal displacement on bored pile shaft subjected to moving loads

圖9 樁身C、E、F 3點土壓力動力響應Fig.9 Dynamic response of earth pressure at points C，E，F(xiàn) on bored pile shaft

表4 移動荷載下各點最大土壓力Table 4 Each point maximum earth pressure of on bored pile shaft subjected to moving loads

6 結(jié)論

（1）深基坑工程可以采用有限元軟件進行超前分析，通過合理地選取參數(shù)以及建立模型，可以反映或者預測基坑施工中的一些問題，采用Plaxis有限元軟件模擬基坑，可以較好地反映支護結(jié)構(gòu)的受力和變形，這將作為土巖組合深基坑設計、施工的輔助工具。

（2）在龍門吊移動荷載作用下，雖然樁頂水平位移較大，但樁頂?shù)乃轿灰苿恿憫钚?，而嵌巖處雖然水平位移較小，但移動荷載下嵌巖處的動力響應最大，二者數(shù)值相差30倍。

（3）在龍門吊移動荷載作用下，樁身正彎矩和負彎矩最大值位置處的土壓力動力響應較大，而且當移動荷載剛經(jīng)過時其影響最大，建議合理的設置龍門吊移動速度，以免對圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

（4）樁腳處水平位移響應和土壓力響應都比較大，說明吊腳樁嵌巖處的處理將直接關(guān)系到圍護結(jié)構(gòu)的安全性，應采取增加圍護樁嵌巖深度、增加預留巖肩寬度及增大樁腳處鎖腳錨桿預應力等措施，以增大樁腳嵌巖處的約束剛度。

（5）對于有龍門吊的土巖基坑，建議增加圍護結(jié)構(gòu)的剛度，減小基坑無支撐暴露的時間，及時施做樁腳處的鎖腳錨桿，采用信息化施工等手段確?；蛹爸苓叚h(huán)境安全。

（6）在土巖基坑的設計、施工及監(jiān)測中，建議考慮移動荷載（龍門吊）對吊腳樁產(chǎn)生的附加位移更為合理。

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