二元結(jié)構(gòu)地層基坑嵌巖支護(hù)變形性狀研究

黃明輝， 陳樂意

(南昌航空大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330063)

因南昌區(qū)域內(nèi)巖層埋藏深度較淺，工程中為滿足基坑支護(hù)穩(wěn)定需求，常采用嵌巖支護(hù)形式對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化處理。此時(shí)圍護(hù)構(gòu)件穿越于力學(xué)強(qiáng)度相差較大的砂土體與風(fēng)化巖層巖介質(zhì)中，支護(hù)構(gòu)件在受力形式及變形破壞狀態(tài)方面表現(xiàn)出“二元化”形態(tài)，對(duì)基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)及施工工藝提出了較高要求[1-4]。

鑒于嵌巖支護(hù)基坑的工程難度及應(yīng)用的普遍性，許多學(xué)者對(duì)此開展過研究。烏青松等[5]針對(duì)桂林地區(qū)“上硬下軟”特性的紅黏土-石灰?guī)r地質(zhì)，提出一種鋼筋混凝土與微型鋼管樁相結(jié)合的聯(lián)合支護(hù)體系，并對(duì)該種支護(hù)體系展開進(jìn)一步的驗(yàn)算分析。驗(yàn)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在紅黏土中采用混凝土排樁，石灰?guī)r中采用微型鋼管樁的支護(hù)形式，其經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)并滿足基坑支護(hù)穩(wěn)定要求。馬康等[6]基于土巖組合地層的地質(zhì)條件，采用積分形式推導(dǎo)出基坑支護(hù)樁在嵌巖支護(hù)下的3種臨界嵌固深度，研究得出一種基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)適宜嵌固深度的計(jì)算方法。通過工程實(shí)際案例驗(yàn)證表明該種計(jì)算方法具有明顯的優(yōu)越性，可為嵌巖支護(hù)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供有利參考。何健等[7]以沿海剝蝕殘丘地貌為背景，針對(duì)該區(qū)域地質(zhì)特性，介紹了一種吊腳嵌巖灌注樁與內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支護(hù)形式，并提出一種圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌巖深度的計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)踐結(jié)果表明，此種支護(hù)形式在流塑淤泥層與風(fēng)化花崗巖巖層中適應(yīng)性較強(qiáng)，并能較大程度地減小基坑工程施工作業(yè)的綜合成本。

研究表明，嵌巖支護(hù)基坑的變形規(guī)律與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)一定的復(fù)雜性，其具有明顯的“二元化”規(guī)律，而國(guó)內(nèi)學(xué)者有關(guān)二元化特性地層與基坑嵌巖支護(hù)作用機(jī)理等方面的研究尚有不足，需要展開更進(jìn)一步的探析。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目基坑為南昌某軌道交通地鐵車站工程，該站為地下2層島式站臺(tái)車站，采用明挖法施工。根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件及工程特點(diǎn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的組合支護(hù)形式，標(biāo)準(zhǔn)段沿基坑豎向設(shè)置為3道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，包含1道鋼筋混凝土支撐與2道鋼支撐。連續(xù)墻墻體厚度為800 mm，材料采用C35水下等級(jí)混凝土，因基坑支護(hù)穩(wěn)定需求，連續(xù)墻墻體嵌固段需打入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖?；炷羶?nèi)支撐采用C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土材料，支撐截面形式為800 mm×1 000 mm。鋼支撐材料采用Q235強(qiáng)度等級(jí)鋼材，鋼支撐直徑609 mm、壁厚16 mm。按照基坑設(shè)計(jì)要求，地下連續(xù)墻可兼作為車站主體結(jié)構(gòu)，基坑工程連續(xù)墻與內(nèi)支撐體系平面布置示意見圖1。

圖1 基坑內(nèi)支撐平面布置示意

1.2 地質(zhì)條件

經(jīng)建筑場(chǎng)地實(shí)地勘察，依據(jù)土體成因與工程性質(zhì)，基坑區(qū)域鉆探深度內(nèi)土體自地表向下主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、圓礫、礫砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等幾個(gè)地層單元構(gòu)成。本項(xiàng)目分析模型中，設(shè)定地表土體及各土層為均質(zhì)分布，均為各項(xiàng)同性材料，且各地層為成層的水平狀分布。有限元分析模型中，土體選取非線性材料模擬，并采納Hardening-Soil[8-9]彈塑性土體本構(gòu)模型參與計(jì)算。為保障有限元分析精確度，采用原位測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)等方法統(tǒng)計(jì)基坑場(chǎng)地巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的最大值、最小值、平均值、變異系數(shù)、樣本數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值，并按現(xiàn)行規(guī)范要求及工程經(jīng)驗(yàn)給定巖土體設(shè)計(jì)建議值，各土層對(duì)應(yīng)工程特性參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 三維有限元模型建立

關(guān)于基坑工程開挖支護(hù)對(duì)臨近土層的影響范圍，以往已有許多學(xué)者展開相關(guān)論述。由有限元及基坑施工經(jīng)驗(yàn),基坑施工影響寬度范圍為基坑設(shè)計(jì)深度的3～4倍，影響深度范圍為基坑設(shè)計(jì)深度的2～3倍。借助有限元分析軟件Midas GTS建立基坑開挖支護(hù)的三維仿真模型，考慮本項(xiàng)目基坑平均設(shè)計(jì)深度14.9 m，為消除模型邊界效應(yīng)，取模型尺寸為497 m(長(zhǎng)度)×169 m(寬度)×54 m(高度)，基坑整體模型如圖2所示。

基坑工程的運(yùn)作屬于一個(gè)邊開挖邊進(jìn)行防護(hù)的動(dòng)態(tài)過程，在有限元分析的過程中，數(shù)值計(jì)算過程應(yīng)與實(shí)際工程施工過程相一致。為真實(shí)還原基坑工程施工狀態(tài)，選取表2所示有限元分析步驟對(duì)基坑開挖支護(hù)展開數(shù)值分析。

表2 有限元分析步驟

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1 支護(hù)體系變形

基坑施工狀態(tài)下，因坑內(nèi)土體開挖卸荷，改變場(chǎng)地內(nèi)土體初始應(yīng)力狀態(tài)，造成連續(xù)墻內(nèi)外兩側(cè)受力失衡、圍護(hù)樁臨近土層應(yīng)力重新分布，在坑外主動(dòng)土壓力作用下，引起連續(xù)墻朝向坑內(nèi)發(fā)生側(cè)移。此時(shí)，連續(xù)墻承擔(dān)了全部的水土壓力及地面超載引起的側(cè)向壓力，并沿水平向傳遞給內(nèi)支撐系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)支撐體系與連續(xù)墻墻體發(fā)生協(xié)同變形。

在圖2所示坐標(biāo)軸中，指定正方向的變形值為正值。則基坑開挖支護(hù)作用下，連續(xù)墻與內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)水平位移云圖如圖3、圖4所示。由圖中所示圍護(hù)構(gòu)件水平位移云圖可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移主要發(fā)生于坑底以上區(qū)域范圍，并在第二道內(nèi)支撐臨近位置達(dá)到最大。其中內(nèi)支撐系統(tǒng)與連續(xù)墻墻體在x方向的側(cè)移主要發(fā)生于大、小端頭井兩側(cè)位置處，而y向側(cè)移則主要發(fā)生于連續(xù)墻長(zhǎng)邊及內(nèi)支撐腰梁位置處。受相鄰墻體水平位移限制，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在x方向側(cè)移中，大端頭井一側(cè)的連續(xù)墻及內(nèi)支撐變形程度大于小端頭井一側(cè)。

圖3 支護(hù)構(gòu)件x向水平位移云圖

圖4 支護(hù)構(gòu)件y向水平位移云圖

為分析施工狀態(tài)下的連續(xù)墻變形形態(tài)，在模型中選取基坑大端頭井一側(cè)墻體進(jìn)行變形分析。由模型運(yùn)算結(jié)果，揭示圖5所示連續(xù)墻變形云圖。由開挖前后墻體變形狀態(tài)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同位置處的變形值差異明顯。由圖6坑角距離與墻身位移關(guān)系可知，基坑陰角可有效抑制其周邊土壓力及位移發(fā)展[10],隨著基坑開挖深度增加，連續(xù)墻側(cè)向變形也持續(xù)隨之增大，連續(xù)墻變形受相鄰墻體限制，導(dǎo)致連續(xù)墻在基坑陰角位置處出現(xiàn)位移程度較小的現(xiàn)象。

圖5 大端頭井側(cè)連續(xù)墻變形

圖6 坑角距離與墻身位移關(guān)系

根據(jù)坑角距離與墻身位移關(guān)系曲線，測(cè)線所在位置處的連續(xù)墻墻體，在基坑坑角處側(cè)向位移僅為3.00 mm，而在基坑中部位置處可達(dá)16.487 mm。差值幅度高達(dá)81.804%。墻身水平位移隨遠(yuǎn)離坑角方向逐漸增大而后穩(wěn)定，在連續(xù)墻中部達(dá)到最大位移值，并沿墻身中部位置處呈對(duì)稱狀態(tài)，表現(xiàn)出明顯的坑角效應(yīng)[11-12]。

圖7 連續(xù)墻側(cè)移位測(cè)點(diǎn)選取

為研究各工況下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移差異，選取圖7所示4個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，各工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移情況如圖8、圖9所示。由圖中關(guān)系曲線可知，在工程施工初期，基坑內(nèi)側(cè)土體開挖卸荷土方量較小，基坑工程施工對(duì)臨近土層中應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)程度有限，因此墻體變形值較小。隨著基坑開挖深度增大，土體水平向應(yīng)力釋放迅速增大，墻頂處側(cè)移狀態(tài)保持穩(wěn)定，而墻身腹部受坑外主動(dòng)土壓力較大且缺乏有效的水平向約束，導(dǎo)致其朝向坑內(nèi)產(chǎn)生凸起現(xiàn)象。因砂土層與基巖強(qiáng)度相差較大，連續(xù)墻在砂土層中變形程度較大，而嵌固在基巖部分的支護(hù)結(jié)構(gòu)受到較大約束力作用，導(dǎo)致其變形程度較小?；邮┕ね戤吅螅ёo(hù)結(jié)構(gòu)各處水平位移值均小于連續(xù)墻報(bào)警值30 mm，表現(xiàn)出良好的支護(hù)效果。

圖8 各工況下連續(xù)墻y向側(cè)移曲線

圖9 各工況下連續(xù)墻x向側(cè)移曲線

對(duì)比連續(xù)墻各測(cè)點(diǎn)處變形狀態(tài)可知，連續(xù)墻在不同平面位置處，因支護(hù)受力差異，墻體變形亦有所不同。受基坑開挖支護(hù)的坑角效應(yīng)影響，長(zhǎng)邊位置處墻體變形程度明顯大于短邊處,大端頭井側(cè)墻體水平位移大于小端頭井一側(cè)。當(dāng)基坑某支護(hù)段內(nèi)連續(xù)墻分布較為規(guī)則且內(nèi)支撐跨度相近時(shí)，距離基坑陰角越近的測(cè)點(diǎn)，墻身變形程度越小。在圖中所示基坑長(zhǎng)邊的4個(gè)測(cè)點(diǎn)中，因測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)4緊鄰基坑端頭井一側(cè)陰角，故基坑開挖完成后該測(cè)點(diǎn)處墻體側(cè)移量最小,僅不足14 mm。而測(cè)點(diǎn)2位置處距離基坑坑角較遠(yuǎn)且支撐跨度較大，故該測(cè)點(diǎn)處墻體水平位移大于其余測(cè)點(diǎn)。基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合地鐵基坑狹長(zhǎng)型的幾何特征，充分考慮基坑變形的空間效應(yīng)，限制支護(hù)構(gòu)件長(zhǎng)邊位置處產(chǎn)生過大變形。

3.2 坑外地表沉降

圖10 基坑開挖完畢后土體豎向位移

由有限元計(jì)算結(jié)果，可得圖10所示基坑內(nèi)外兩側(cè)土體沉降云圖。基坑開挖支護(hù)狀態(tài)下，因坑內(nèi)土體開挖卸荷，引起土層水平向應(yīng)力釋放，連續(xù)墻、內(nèi)支撐等支護(hù)構(gòu)件在坑外土壓力作用下，沿不同深度位置處亦與周圍土體一起朝向坑內(nèi)產(chǎn)生不同程度的協(xié)同變形?；又ёo(hù)變形狀態(tài)下，坑外土體發(fā)生塑性流動(dòng)，朝向基坑內(nèi)側(cè)及底部產(chǎn)生滑移，為填補(bǔ)深層土體側(cè)移量，上部淺埋地層會(huì)產(chǎn)生差異性沉降。根據(jù)模型沉降云圖可見，坑外地表主要沉降范圍發(fā)生于遠(yuǎn)離基坑側(cè)壁4～12 m寬度內(nèi)，沉降主要影響區(qū)域約為0.74倍的基坑開挖深度。

因基坑各測(cè)點(diǎn)處的支護(hù)構(gòu)件側(cè)移量均有不同，基坑外側(cè)各處地表沉降亦具有明顯差異。由圖11、圖12所示基坑外側(cè)土體沉降狀況可知，基坑周圍土體在基坑開挖過程中呈不均勻沉降，沉降最大值發(fā)生在距離基坑壁一定距離處，周邊地表沉降曲線近似呈現(xiàn)為拋物線狀，出現(xiàn)寬度約為7 m的沉降槽。隨著與基坑側(cè)壁距離增大，基坑開挖支護(hù)對(duì)土體擾動(dòng)影響減弱。當(dāng)開挖至基坑底部后，地表沉降值在距離基坑側(cè)壁7.5 m左右處達(dá)到最大，地表最大沉降值可達(dá)19.337 mm。

圖11 各工況下基坑長(zhǎng)邊外側(cè)土層沉降分布

圖12 各工況下基坑短邊外側(cè)土層沉降分布

為分析基坑外側(cè)不同位置處的地表沉降差異，分別選取基坑長(zhǎng)邊外的2條監(jiān)測(cè)線及短邊外的2條監(jiān)測(cè)線進(jìn)行分析。由圖11和圖12中數(shù)據(jù)，測(cè)線3、測(cè)線4分別位于基坑端頭井一側(cè)，該處支護(hù)體系剛度較大，因此基坑施工未對(duì)坑外地表沉降造成過大影響。而測(cè)線1、測(cè)線2位于基坑長(zhǎng)邊，支撐跨度較大且墻體布置為不規(guī)則的多邊形，基坑受力形式復(fù)雜，導(dǎo)致該測(cè)線以外地表沉降值較大。經(jīng)各測(cè)線外地表沉降統(tǒng)計(jì)，各測(cè)線位置處土體最大沉降值均不足20 mm，滿足基坑沉降控制要求。

3.3 巖土體總位移

基坑工程施工狀態(tài)下，受坑內(nèi)土體卸載影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)受力狀態(tài)變化，隨著基坑開挖深度的增加，坑外土壓力值也隨之增長(zhǎng)。由于基坑內(nèi)外土體應(yīng)力場(chǎng)的改變，對(duì)支護(hù)構(gòu)件變形產(chǎn)生影響，引起基坑內(nèi)外兩側(cè)巖土體產(chǎn)生協(xié)同變形。由圖13所示模型總位移剖面示意可知，砂土層的土體強(qiáng)度弱于下伏基巖強(qiáng)度。當(dāng)基坑土體卸荷時(shí)，支護(hù)構(gòu)件在砂礫石層中出現(xiàn)支護(hù)薄弱區(qū)域，此時(shí)墻后砂礫層中土體變形發(fā)展迅速，形成貫通地表的潛在軟弱滑移帶?；邮┕ぶ猎O(shè)計(jì)深度后，軟弱滑移帶區(qū)域內(nèi)土體最大總位移可達(dá)22.209 mm，嵌固段以下土層中土體擾動(dòng)影響較弱，該區(qū)域內(nèi)土體總位移發(fā)展緩慢，位移值均不足3 mm?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)在二元結(jié)構(gòu)地層中的變形差異，避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)與上部砂土體產(chǎn)生過量位移，影響基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)性能發(fā)揮。

圖13 模型總位移剖面示意

3.4 坑底土體隆起

圖14 坑底隆起云圖

基坑工程施工狀態(tài)下，因坑內(nèi)土體開挖卸荷造成坑底以上土體自重應(yīng)力消除、垂直方向應(yīng)力釋放，改變坑底土體初始應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致坑內(nèi)開挖面土體發(fā)生回彈。另一方面，隨基坑施工深度不斷加大，基坑內(nèi)外兩側(cè)土體壓力差也隨之增大，在自重及坑外超載作用下，坑外土體通過地下連續(xù)墻底部向坑內(nèi)移動(dòng)，進(jìn)一步促進(jìn)坑底土體隆起。經(jīng)開挖支護(hù)下的模型有限元計(jì)算結(jié)果，坑底土體隆起狀況如圖14所示。根據(jù)云圖狀況可知，坑底土體隆起在基坑中部區(qū)域達(dá)到最大，受連續(xù)墻自重及土層塑性流動(dòng)影響，連續(xù)墻周圍土體處回彈影響最小，并表現(xiàn)為沉降狀態(tài)。

由于坑底立柱樁與坑底土體間摩阻力影響，立柱樁施工對(duì)被動(dòng)區(qū)土體而言起到拉錨作用，并對(duì)周邊土體起到明顯約束作用,因此坑底開挖面上，立柱樁周圍土體隆起變形得到有效控制。立柱樁強(qiáng)度及剛度相對(duì)土體較大，因此坑底立柱樁可有效提高坑底土體整體力學(xué)性能[13]，有助于控制基坑底部隆起變形。

提取土體隆起數(shù)據(jù)，繪制施工完成后的坑底隆起曲線如圖15所示。由圖中數(shù)據(jù)可知，隨著坑內(nèi)土體開挖深度增大，坑底土體豎向應(yīng)力釋放越大，坑底隆起變形亦持續(xù)增大。在連續(xù)墻附近，因連續(xù)墻與臨近土體相互約束，連續(xù)墻對(duì)臨近土體產(chǎn)生摩擦作用，因此坑底土層隆起變形值在連續(xù)墻附近最小，坑底土體變形整體呈現(xiàn)中間大、兩邊小的隆起形態(tài)，并在基坑周邊地層中出現(xiàn)塑性區(qū)域。

圖15 施工完成后坑底土體豎向變形

由各監(jiān)測(cè)線上土體隆起狀況來看，2條監(jiān)測(cè)線處坑底土層寬度范圍各有差異，而其監(jiān)測(cè)峰值卻較為接近，土體隆起值均在10 mm左右。根據(jù)土體豎向位移云圖及隆起趨勢(shì)曲線展開分析，可知支撐立柱樁可有效限制坑底土體隆起變形。當(dāng)立柱狀存在時(shí)，基坑底部土層隆起曲線并非呈現(xiàn)典型的“拱形”分布，立柱樁對(duì)周邊土體的摩擦影響致使土體豎向位移得到顯著減小。工程中可考慮立柱樁對(duì)土體的協(xié)同變形作用，以控制由坑底土體隆起引起的不利影響。

4 結(jié)語

以南昌某地鐵車站深基坑支護(hù)工程為背景，對(duì)基坑開挖支護(hù)過程進(jìn)行數(shù)值建模分析。通過分析連續(xù)墻與內(nèi)支撐側(cè)移、內(nèi)支撐與立柱豎向變形、坑外地表沉降、坑底土層隆起狀態(tài)，分析二元結(jié)構(gòu)地層基坑嵌巖支護(hù)的變形一般規(guī)律，可得如下主要結(jié)論：

(1)基坑坑角處支護(hù)結(jié)構(gòu)可有效抑制周邊土壓力及位移發(fā)展，連續(xù)墻側(cè)移受相鄰墻體水平位移限制，導(dǎo)致連續(xù)墻在基坑陰角位置處位移限制較大，墻身水平位移隨遠(yuǎn)離坑角方向逐漸增大而后穩(wěn)定，在連續(xù)墻中部達(dá)到最大位移值，表現(xiàn)出明顯的坑角效應(yīng)。

(2)受立柱樁與坑底土體之間摩阻力影響，立柱樁對(duì)被動(dòng)區(qū)土體起到拉錨作用，積極約束樁體臨近土體產(chǎn)生豎向位移，立柱樁可有效提高坑底土體整體力學(xué)性能，有助于控制基坑底部隆起變形。

(3)基坑施工至設(shè)計(jì)深度后，支護(hù)構(gòu)件嵌固段以下土層中土體擾動(dòng)影響較弱，支護(hù)構(gòu)件在砂礫石層中位移發(fā)展程度較大，墻后砂礫層中土體變形發(fā)展迅速，形成貫通地表的潛在軟弱滑移帶。