武 越

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，成都 610021)

1 概述

隨著城市化進程的不斷發(fā)展，地上和地下空間有效利用越來越得到重視[1-2]。尤其在我國地面資源緊缺的區(qū)域，其地下空間利用率也較高。但這些區(qū)域的工程項目所涉及的基坑工程，往往存在著深度大、周圍影響因素較多、施工難度大等特點[3-5]。特別是對于地下水補給排關(guān)系復雜且?guī)r土體水敏性較高的基坑工程，頻繁降雨和地下水位變化引起的水巖-劣化效應是影響基坑開挖及支護穩(wěn)定性關(guān)鍵因素之一，容易造成基坑坍塌、邊坡失穩(wěn)等工程災害[6-8]。張婉吟[9]就緊鄰地鐵深基坑開挖利用有限元軟件對滲流場和周圍地表沉降進行模擬，將實際數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)經(jīng)行對比分析，總結(jié)了臨近地鐵深基坑周圍地表沉降規(guī)律。胡世英[10]利用geostudio數(shù)值模擬軟件對近海淤泥地層基坑工程進行模擬，分析基坑開挖后應力場、滲流場與位移變形等，總結(jié)出近海淤泥地層基坑工程變形規(guī)律。劉俊城[11]對富水砂土基坑滲水事故進行現(xiàn)場調(diào)研，利用實測數(shù)據(jù)分析事故原因，應用 Midas-GTS-NX軟件建立有限元模型，得出隔離樁能增長滲流路徑降低水力梯度，起到削弱動水力對墻體的作用。姜曉博[12]以室內(nèi)試驗為基礎，分析推到了水—巖劣化本構(gòu)模型。武坤鵬[13]以船廠基坑為依托，分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬方法，研究了臨水軟土中鋼板樁支護結(jié)構(gòu)變形，得出鋼板樁支護結(jié)構(gòu)變形較大，應及時采取加固措施。國內(nèi)外大量學者對基坑工程開展了深入研究，但大多研究集中于常規(guī)基坑工程和地下水滲流對基坑工程的影響。即便是在工程的常規(guī)設計中，也多采用的是靜態(tài)浸水的飽和參數(shù)來考慮巖土體強度的衰減，較少考慮水分往復變化造成的水—巖劣化效應對深基坑開挖變形與支護穩(wěn)定性的影響。

本文以西南某基坑工程為研究背景，采用現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)試驗和仿真分析的手段研究了基坑巖土體在干濕循環(huán)作用下的性能演化規(guī)律，分析并預測了巖土體應力場、基坑變形、地表沉降及懸臂式圍護結(jié)構(gòu)受力及變形。研究成果可為水—巖劣化下深基坑開挖變形與支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究提供參考依據(jù)。

2 工程概況

工程區(qū)位于四川西南某古建筑改造工程，場地原始地貌為西南地區(qū)典型的侏羅系紅砂巖和砂泥巖沉積地層，區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件復雜，地下水位變化受大氣降水補給影響顯著。研究選取的基坑工程開挖長50 m，寬35 m，開挖深度為15 m，現(xiàn)場施工情況如圖1所示。基坑開挖影響區(qū)范圍內(nèi)主要為泥巖、砂巖和白云巖基巖地層。其中強風化砂質(zhì)泥巖遇水后極易出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，宏觀力學強度也會出現(xiàn)明顯衰減。場區(qū)所處環(huán)境晝夜溫差大，晴雨天交替頻繁，日間溫度可達38℃?；又苓叺叵滤灰草^高。受降雨及開挖工序的影響，需長期對坑內(nèi)進行降水處理。因此，基坑上部的紅層泥巖會長期經(jīng)受浸水和干燥的干濕循環(huán)歷程。對于基坑開挖后的坑壁穩(wěn)定性帶來了極大的影響。為了對比分析水-巖劣化效應對基坑開挖后的穩(wěn)定性影響，選取現(xiàn)場取得的巖樣及基坑開挖后的典型剖面分別進行室內(nèi)試驗和數(shù)值建模計算的綜合分析研究。

3 室內(nèi)試驗

3.1 試驗準備及方案

試樣取自于基坑東側(cè)以泥質(zhì)膠結(jié)為主的沙溪廟組紅層泥巖，呈層狀構(gòu)造，偶含鈣質(zhì)集塊。原巖結(jié)構(gòu)破壞嚴重，風化裂隙較為發(fā)育。室內(nèi)基礎土工試驗測得其天然含水率為6.4%，密度為2.33 g/cm3。物質(zhì)成分分析表明，泥巖內(nèi)部的高嶺土、長石和石英的含量分別為23.2%，32.1%和20.4%，同時還含有少量伊利石、方解石等，可以看出具有較強的親水性，容易受到地下水的擾動影響。將取回的泥巖試樣采用干鉆法制成H=10 cm，D=5 cm的標準圓柱體試樣(控制巖樣尺寸誤差不大于1 mm)，將兩塊透水石及與截面等大的濾紙分別設置于試樣的兩端。將樣品置于飽和箱內(nèi)進行抽真空120 min后，通過膠皮軟管注入蒸餾水進行飽和。待試樣飽水24 h，置于70℃恒高溫的烘箱內(nèi)烘干24 h，整個過程視作一次干濕循環(huán)。根據(jù)現(xiàn)場氣象水文條件，共設置3組循環(huán)工況并設置一組0次循環(huán)的對照組，最后對不同工況條件下的試樣進行抗剪強度參數(shù)的室內(nèi)試驗分析(具體工況見表1)。此外，針對基坑場區(qū)范圍內(nèi)的強風化泥巖、弱風化砂巖和灰?guī)r進行了不同含水狀態(tài)下的常規(guī)土工試驗(單軸抗壓強度)。

表1 試驗設計

3.2 試驗結(jié)果分析

不同含水狀態(tài)下的場區(qū)巖體單軸抗壓強度如圖2所示，可以看出不同種類的巖石強度均與含水率具有一定聯(lián)系，并且隨著含水率的增加，強度整體呈下降趨勢，但其中全風化泥巖的單軸抗壓強度受水的影響最為明顯。隨著巖樣含水率的增加，灰?guī)r的單軸抗壓強度降低了5.57%，弱風化砂巖的單軸抗壓強度降低了16.12%，相對而言受含水率變化影響較小。但是在飽水狀態(tài)下，泥巖的力學強度下降了84.87%。因此在本工程的研究分析中，應重點考慮基坑開挖后水作用對泥巖層力學性質(zhì)的影響。

圖2 單軸抗壓強度變化規(guī)律示意

由圖3可以看出，巖樣的抗剪切性能整體隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)衰減。特別是在早期的干濕循環(huán)過程中，抗剪性能呈現(xiàn)出先平緩降低后顯著衰減的變化過程。主要是由于離散分布在巖體中的親水礦物在水運移過程中無論遇水膨脹還是失水收縮，均直接引起了試樣內(nèi)部泥巖微單元體的損傷破壞。泥化膨脹后單元結(jié)構(gòu)解體，又進一步衍生出更多微裂縫從而破壞了巖體的完整性。在多次的干濕循環(huán)作用下，試樣內(nèi)摩擦角隨循環(huán)次數(shù)增加依次降低了4.29%，12.05%和27.23%；粘聚力降幅區(qū)間為11.45%～59.54%。這表明干濕循環(huán)作用導致巖體的抗剪強度主要依靠顆粒的滑動摩擦提供，顆粒粘結(jié)所形成的抗剪斷效應顯著降低。可以推測，靜水浸泡和動水運移的耦合作用進一步加劇了巖體力學性能的衰減，這在多次干濕循環(huán)作用下更加顯著。

圖3 抗剪強度參數(shù)變化規(guī)律示意

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 模型建立及邊界條件

本基坑工程采用懸臂式圍擋進行基礎支護，支護結(jié)構(gòu)嵌固深度約5 m，厚度約1.8 m。根據(jù)已有工程經(jīng)驗，基坑開挖的影響約為開挖深度的1～2倍，寬度及長度影響范圍約為開挖深度的2～3倍，基于此構(gòu)建數(shù)值模型，尺寸為175 m×190 m×40 m。依據(jù)現(xiàn)場勘察情況進行地質(zhì)條件劃分，一共分為3層：第1層紅層泥巖厚度約7 m；第2層砂巖厚度約4 m；第3層白云巖厚度約為29 m。以基坑開挖長度方向為模型Y軸，寬度方向為模型X軸，共劃分網(wǎng)格數(shù)為17 490個，節(jié)點數(shù)為14 023個(如圖4所示)。

圖4 開挖模型網(wǎng)格劃分示意

經(jīng)現(xiàn)場勘探情況可知，該區(qū)域地應力以自重應力為主，計算模擬過程中對模型底面及四周施加法向位移限制，上表面為自由面。由于本次模型需重點分析基坑巖土體及支護結(jié)構(gòu)變形受力情況。故地層及支護結(jié)構(gòu)均采用實體單元進行建模，參數(shù)賦值見表2所示。為充分考慮地下水變化及區(qū)域氣象的降雨蒸發(fā)作用，假定開挖過程中模型經(jīng)歷了3次深度的干濕循環(huán)過程，且?guī)r土層參數(shù)基于室內(nèi)干濕循環(huán)試驗數(shù)據(jù)取值。針對不同水巖劣化程度的基坑開挖工況進行模擬分析。

表2 模型材料參數(shù)參考值

4.2 模擬結(jié)果分析

4.2.1巖土體應力場分布

1)初始地應力計算

基坑開挖區(qū)域初始地應力隨土層深度增加而線性增加。提取不同地層深度處水平和豎直方向上初始應力分別繪制于圖5?？梢缘贸鐾煌翆又挟斏疃让吭黾? m，水平和豎直方向上自重應力分別增加23.1 kPa、11.6 kPa，豎直方向上增加值為該土層土體天然重度，水平方向上和豎直方向上自重應力比值為一固定值即土體側(cè)壓力系數(shù)，設置為0.5?；拥拈_挖對于土體為卸荷作用，開挖深度越深所卸荷載越多，越易導致基坑底部隆起，準確計算出初始應力才能精確判斷和預測基坑應力場和變形規(guī)律，為工程項目開展提供支撐。有無地下水和不同地下水循環(huán)次數(shù)對土體自重應力、黏聚力以及內(nèi)摩擦角均產(chǎn)生影響，無地下水導致該區(qū)域內(nèi)土體自重應力、黏聚力及內(nèi)摩擦角增加，循環(huán)次數(shù)越多黏聚力及內(nèi)摩擦角劣化越明顯，所以初始地下水條件對基坑開挖數(shù)值計算影響重大。

a 水平應力云

b 豎直應力云圖5 巖土體應力云示意

2)開挖后應力場分布

建立土體在不同循環(huán)條件下懸臂式基坑開挖數(shù)值模型，圖6為基坑開挖后應力場分布云圖，從圖中可見，在開挖后遠離基坑處應力場變化不大，均分層分布，土體在懸臂式圍護結(jié)構(gòu)懸臂段靠近基底處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，最高達562 kPa。由表3分析可知，應力集中處壓應力隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增加，最小值507 kPa，最大值562 kPa，循環(huán)0至2次時增加緩慢，循環(huán)2至3次時增長較快。該現(xiàn)象說明，水-巖劣化效應降低了土體強度指標(黏聚力、內(nèi)摩擦角)弱化了土體抗剪強度，增加了圍護結(jié)構(gòu)懸臂段末端處應力，為圍護結(jié)構(gòu)設計提出了更高要求標準。

表3 巖土體最大壓應力演化

4.2.2基坑變形特征

圖7為不同循環(huán)條件下基坑形變示意，從圖中可見，就同一地下水條件而言，基坑開挖后中心處豎向位移最大，距基坑中軸線距離越大豎向位移越小。不同地下水條件下基坑中同一位置處，循環(huán)次數(shù)越多豎向位移越大。未進行循環(huán)時，中心和坑底邊緣處豎向位移分別為12 mm、5 mm。而在循環(huán)3次后，坑底中心處豎向位移最大為25 mm，相較于未劣化時增加了116%。該現(xiàn)象是由于基坑上部土體開挖卸荷后，坑底中心處應力釋放最多故豎向變形較大，而地下水的存在降低了土體強度指標導致多次循環(huán)后豎向變形大于正常條件下變形。

圖7 基坑形變示意

4.2.3地表沉降規(guī)律

總體上來看，靠近基坑靠近邊緣及遠離基坑邊緣處地表沉降最小，距邊緣17 m處地表沉降最大。將不同循環(huán)條件下地表沉降數(shù)值提取，地表位置作橫坐標，繪制得不同循環(huán)條件下基坑外地表豎向位移變形圖(見圖8)。由圖可見，土體沉降量隨循環(huán)次數(shù)增加而增加，在距基坑邊緣17 m處，循環(huán)0次后所對應豎向位移為7.5 cm，循環(huán)3次后所對應豎向位移增加了11 cm，共沉降18.5 cm。地表沉降影響范圍也隨循環(huán)次數(shù)增加而相應增加，在循環(huán)0次后，地表沉降5 cm處距基坑邊緣5 m處，在循環(huán)3次后，地表沉降5 cm處距基坑邊緣3 m處。綜上，地下水—巖劣化效應不僅增加基坑外地表沉降，且擴大地表豎向沉降影響范圍區(qū)域，對基坑附近人員和建筑安全產(chǎn)生負面影響。施工過程中應密切觀測基坑外地表沉降，遇地下水等因素影響時應加大觀測頻率[14]。

圖8 地表沉降位移示意

4.2.4支護樁受力及變形規(guī)律

將不同循環(huán)條件下基坑開挖后懸臂式圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)豎向應力繪制于圖9中，由圖可見，圍護結(jié)構(gòu)靠近基坑內(nèi)側(cè)受壓，靠近基坑外側(cè)受拉，最大值均在坑底處，兩側(cè)基本為對稱分布。在圍護結(jié)構(gòu)同一位置，不同循環(huán)次數(shù)所對應應力不同，循環(huán)次數(shù)愈多圍護結(jié)構(gòu)所受應力越大，其中最大壓應力為580 kPa。在懸臂式圍護結(jié)構(gòu)設計中應注意水—巖劣化效應造成的結(jié)構(gòu)受力增加，對薄弱處應復核計算強度保證圍護結(jié)構(gòu)安全不破壞。將基坑開挖后靠近基坑內(nèi)側(cè)處圍護結(jié)構(gòu)水平變形繪制于圖10中。圍護結(jié)構(gòu)水平位移沿開挖深度逐漸減少，同一循環(huán)次數(shù)下圍護結(jié)構(gòu)最上端處最大，隨循環(huán)次數(shù)增加該處水平位移增加，最大增加至3.8 cm。可以看出，水—巖劣化效應增加開挖后圍護結(jié)構(gòu)所受側(cè)向土壓力，導致圍護結(jié)構(gòu)水平位移增加，容易造成結(jié)構(gòu)破壞、基坑內(nèi)凈空不足等不良影響。對于水—巖劣化嚴重的消極情況可采取基坑上部安裝鋼支撐措施，改造為內(nèi)撐式圍護結(jié)構(gòu)，利用軸力平衡側(cè)向土壓力以減少水平位移和結(jié)構(gòu)受力。

圖9 結(jié)構(gòu)受力云示意

圖10 樁體位移變化示意

5 結(jié)語

本文基于室內(nèi)試驗及數(shù)值模擬軟件，針對不同干濕循環(huán)次數(shù)下的某基坑工程進行計算分析，研究水—巖劣化效應對深基坑開挖及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，基坑巖土體抗剪強度逐漸降低。內(nèi)摩擦角衰減幅度為4.29%～27.23%，粘聚力最大衰減了59%。特別是在第三次干濕循環(huán)后，水巖劣化作用對粘聚力影響更大。

2)相較于常規(guī)基坑開挖，由于水巖劣化效應導致巖土體強度指標降低，地表最大沉降增加到18.5 cm，基坑底部隆起幅度增加了116%，約25 mm。支護側(cè)向形變及應力集中現(xiàn)象均呈現(xiàn)不同程度的惡化，樁墻位移量最大增加了約1.5倍?？梢娝畮r劣化效應對基坑的穩(wěn)定性造成嚴重影響。

3)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水-巖劣化效應逐步顯著。在干濕循環(huán)3次后，土體強度指標下降明顯，造成地基承載力不足，基坑形變及支護結(jié)構(gòu)受力的復雜性顯著增加。因此，在實際工程建設中，如遇氣象水文條件復雜時，應考慮水巖劣化效應的影響，及時強化支護措施并加強監(jiān)測。