基于刚度矩阵的软土地基支护墙体水平位移测量

窦成

(中铁十八局集团第二工程有限公司 河北 唐山 063000)

软土层的变形与稳定问题是公路改建工程中的难题,也是软土地基处理的主体。为了确保软土地基支护墙体施工时的安全稳定,有必要对支护墙体出现的位移进行准确的预测。通过定量分析,能够确定路基应力和应变系数,实现动态控制加载速率,并对软土地基支护墙体进行实时监控。谢涛等[1]提出了一种基于地基路堤变形演化特性的位移测量方法,以基础路堤的变形演化特性为基本特征量,以土体侧应变为核心,以桩位移为表征,作为监测地基支护墙位移的基本特征量;卜康正等[2]提出了一种基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的测量技术,在Mindlin位移解和Winkler基础模型的基础上,采用基坑开挖复合隧道位移计算方法,导出了复合地基中桩侧摩阻力。对公路改建工程中的软土地基进行了分析,采用“双孔效应”的迭代叠加,实现隧道竖向与水平位移的叠加,完成地基支承墙的位移测量。以上两种方法在软土环境下模拟数据采集较差,单元节点和支护墙节点受力刚度计算误差较大,导致测量精准度较低。而在实际施工过程中,对各种变形数据进行监测是十分必要的,因为其复杂性和工况模型的假设不能充分反映整体工况。因此,本文在公路复建工程中,对软土地基支护墙体水平位移测量技术进行了研究。

1 工程概况

以某市某区公路复建工程为例,道路总长度约8.229 km,某段路基宽度25.5 m、28.5 m,平均填筑高度约20 m,路线主要经过耕地、旱地和沙地。金沙江沿岸,云南省昆明市、昭通市和四川省交汇地段的土层多为松散砂层沉积层,砂层较厚,砂层在线路上广泛分布,一般分布在1～2层,局部分布3层[3]。大体上从南向北。砂质指数差,可塑性差,水分含量低。软土地基支护墙体结构示意图见图1。

图1 软土地基支护墙体结构示意图

如图1所示,PHC单排管桩与多排根桩相结合的软土地基支护结构不能满足软土开挖的需要,因此将支撑桩顶筋与走廊钢筋混凝土结构整体连接,形成桁架受力模式[4]。在基层风化过程中,地下水是孔隙水的重要来源,其对混凝土结构腐蚀程度较小,对钢筋腐蚀程度较大。

2 软土地基支护墙体水平位移测量

软土地基支护墙体所选择的填筑路基位置条件恶劣、地形变化明显,对于该位置的位移测量,应设置观测点埋设坐标。

2.1 软土观测点埋设坐标

1)支护墙体稳定性观测点位置。支护墙稳定观测,主要观察支护墙充填过程中地面是否发生位移和抬升。同一段相同的观测项目,需在每隔100～200 m断面处设置一个观测断面,在桥头设置2～3个观测断面。在桥梁的纵坡、填土、开挖交界处等特殊路段,根据实际情况增加1～2个观测点[5]。同一段不同的观测项目,应在同一断面布置测点。

2)支护墙体位移观测点布设位置。选取路堤两侧足尖处及距沟外10 m处的地面位移观测点,为了预测可能的滑面位置及地表断面,通常在路堤外设置3～4个位移侧桩,同一观测段的侧桩埋设在同一条水平轴线上[6]。

3)沉降观测点布设位置。沉降点的沉降观测一般埋入沉降板中,并埋设在基础支撑墙中央、肩部和坡脚处。

2.2 仪器与测量基准

2)工作基准桩。将50 cm上部混凝土桩固定在无缝钢管或混凝土预制桩上,并浇筑1 m×1 m×0.2 m的观测平台。桩顶距平台15 cm,在桩的顶部有探头。

3)校准基点桩。可以用废弃的无缝钢管或预制混凝土桩接触岩石或某种深度的硬土,对桩周采取永久性保护措施,定期检查工作桩[8]。

4)沉降板。沉降板是由底板、测量杆和外壳组成的,观测板中心焊一根直径25 mm的钢管,每个管段长度为300 mm[9]。该钢管的外延部分通过外环箍螺纹连接,管身由50 mm镀锌圆管保护,每300 mm镀锌圆管由螺栓连接,禁止用钢管连接[10]。沉积板埋设后找平砂石,并水平安装,管道与垂直方向平行[11]。沉降板及位移桩设置如图2所示,沉降板由水准点、位移桩、沉降板和中心线组成,共包括7个观测点。

图2 沉降板及位移桩设置图

5)分层沉降仪。分层沉降仪由沉降管、磁环、波纹管组成,其中磁环位于路基的中心,承载层上的每层设有磁环。对于软土厚度较大的区域设置两个磁环,并根据周围环境,埋设观测点,由此确定磁环深度[12]。根据地质条件,在路基中钻入承重层,并在相应位置和深度安装磁环。放下沉淀管,使用膨胀土填封孔隙,保证磁环与支护墙体同步沉降。使用分层沉降仪测量各个磁环位置,并计算各个层次的沉降量[13]。

6)深层土体位移计。深层土体位移计是一种设置在土体中的位移计,用位移计测量土体的水平位移,其埋设深度取决于地质条件。埋置时在坡脚打孔,将测斜管插入孔内,用沙子填充[14]。利用位移计测量任意深度的管道倾角,再计算出管道的位移和方向。

7)孔隙水压力计。用频率计确定路基中心孔,根据中心孔设定导体深度并用膨胀土封装孔隙,以保护软土支撑墙体的坡脚。利用孔隙水压力计测量同一深度孔隙的水压,保证每个观测点保持3～5个不同深度的孔隙。

2.3 地基支护墙体水平位移测量方案

2.3.1基于共同作用方程的墙体支承刚度计算

式(7)和式(8)中：Bj(x)为城市j的投资收益。由于在第2.1节中已确定港口投资与固定成本(D)与变动成本(V)之间的关系，因此下面将确定港口投资与劳动者报酬(Lj(xj))之间的关系。

数值模拟中,假设两侧墙的上压随开挖过程而变化,在挖方和顶面的墙体上设置上体弹簧。壁面变形到基坑侧,其侧压力水平下降,但不能小于主动上压,该方法能较好地反映支护结构的位移变化[15]。支护墙体的上升压力主要由基础刚度和支座刚度决定,一般而言,上压为初始的轴力和横撑,由支座(或上锚杆)施加,受主动上压力和被动上压力变化。此外,在满足其使用要求的情况下,应尽量采用较为经济的施工方法。

作用于壁面的上压力包括静压力和形变压力,可用下式表示:

F=F0+Fd

(1)

式(1)中,F表示墙体压力总强度;F0表示墙体受到静态压力强度;Fd表示墙体受到动态压力强度,该强度随墙体位移变化而改变,其计算公式为:

Fd=±λ·x

(2)

式(2)中,λ表示地基反力系数;x表示水平位移。

采用力学计算模型,将地基视为Winkler地基,将地基支护墙体单元节点与板节点相重叠,忽略地基支护墙体横截面尺寸,得到共同作用方程:

W=[Zr+ZB+ZZ+Zus+Zβs]·x

(3)

式(3)中,Zr表示冠梁支承刚度矩阵;ZB表示支撑悬臂式墙体支承刚度矩阵;ZZ表示未开挖侧的地基支护墙体弹性支承刚度矩阵;Zus表示开挖侧的地基支护墙体土支承刚度矩阵;Zβs表示未开挖侧的地基支护墙体土支承刚度矩阵。

2.3.2墙体单元节点位移测量

根据支护墙体压力计算结果,测量墙体位移变化情况,ZQTl点、ZQT2点和ZQT4点水平位移测量详细内容如下。

1)ZQTl点水平位移。ZQTl监测点位于基坑中心点处,选取监测断面不同土体开挖深度的水平位移测量数据,如表1所示。由表1可知,支护墙体挖深3 m,可等效为悬臂梁,将支撑墙顶水平向基坑内移动。在基坑深度为-0.5 m和-1.0 m时,ZQTl点水平位移均达到最大为 2.1 mm,受钢筋支撑作用的时空效应。在20 m深度的情况下,支护墙体上端的水平位移近似为零。在连续开挖时,支护墙的顶部开始向外移动,位移和范围逐渐增大,其中最大位移为1.1 mm。在挖方深度达到30 m时,基坑上部连续墙全部移出,位移最大为5.1 mm。

表1 ZQTl点水平位移测量数据 单位:mm

2)ZQT2点水平位移。ZQT2监测点位于距离地基支护墙体南侧约5m处,选取监测断面不同土体开挖深度的水平位移测量数据,如表2所示。由表2可知,当开挖深度为3 m时,ZQT2点水平最大位移为0.9 mm;当开挖深度为10 m时,ZQT2点水平最大位移为3.0 mm;当开挖深度达到30 m时,最大位移为13.0 mm。

表2 ZQT2点水平位移测量数据 单位:mm

3)ZQT4点水平位移。ZQT4监测点位于距离地基支护墙体南侧约15 m处,选取监测断面不同土体开挖深度的水平位移测量数据,如表3所示。由表3可知,支护墙体挖深在10 m以下时,将向坑外移,在基坑深度为-4.0 m时,最大位移为1.6 mm;当开挖深度为20 m时,最大位移为5.0 mm;当开挖深度为30 m时,最大位移为8.0 mm。

3 实验结果与分析

由墙体水平位移测量数据分析可知,当开挖深度为30 m时,地基支护墙体开始向坑外位移,以此为研究对象,分别使用基于地基路堤变形演化特性的测量技术,基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的测量技术,以及所提方法(基于刚度矩阵的位移测量技术),对比分析ZQTl点、ZQT2点和ZQT4点水平位移,对比结果如图3所示。

(a)ZQTl点水平位移

由图3a可知,使用基于地基路堤变形演化特性的测量技术,在基坑深度为-0.5 mm时,与实际位移一致。在基坑深度为-3.0 mm、-3.5 mm、-4.0 mm时,与实际位移相差较大,最大相差2.5mm;使用基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的测量技术,在基坑深度为-0.5 mm时,与实际位移一致。在基坑深度为-3.5 mm时,与实际位移相差较大,最大相差2.1 mm;使用基于刚度矩阵的位移测量技术,只有在基坑深度为-3.5 mm时,与实际位移不一致,相差0.02 mm。

由图3b可知,使用地基路堤变形演化特性的测量技术,在基坑深度为-0.5 mm、-4.0 mm时,与实际位移一致。在基坑深度为-2.5 mm时,与实际位移相差较大,最大相差8.0 mm;使用基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的测量技术,在基坑深度为-0.5 mm、-3.0 mm时,与实际位移一致。在基坑深度为-1.0 mm、-2.5 mm、-4.0 mm时,与实际位移相差较大,最大相差2.0 mm;使用基于刚度矩阵的位移测量技术,在基坑深度为-2.5 mm时,与实际位移相差最大为1.0 mm。

由图3c可知,使用地基路堤变形演化特性的测量技术,在基坑深度为-0.5 mm时,与实际位移一致。在基坑深度为-2.0 mm时,与实际位移相差较大,最大相差3.0 mm;使用基于Mindlin位移解和Winkler地基模型的测量技术,在基坑深度为-0.5 mm时,与实际位移一致。在基坑深度为-2.5 mm时,与实际位移相差较大,最大相差3.0 mm;使用基于刚度矩阵的位移测量技术,在基坑深度为-2.0 mm时,与实际位移相差最大为0.1 mm。

通过上述分析,使用基于刚度矩阵的位移测量技术对ZQTl点、ZQT2点和ZQT4点水平位移测量精准度较高。

4 结束语

在工程实践中,公路复建工程软土地基有多种处理方法,应根据实际情况应用软土地基支护墙体的位移测量技术。本文提出了基于刚度矩阵的软土地基支护墙体水平位移测量技术,以刚度矩阵为基础,对支护墙体进行压力计算,发现在公路复建工程中,软土地基支护墙体的变形规律明显,墙壁的顶部首先移入坑内。由于开挖过程中软土地基支护墙体位移较大,墙体中部明显向内凹陷。