爆破開挖對深基坑吊腳樁支護(hù)體系性能影響數(shù)值模擬研究

林 潮，平 揚(yáng)

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東 深圳 518001)

一般的深基坑工程都是在一元介質(zhì)(純巖石或者純土)中開挖，在沿海山地丘陵地區(qū)的土巖二元地層結(jié)構(gòu)是一種特殊情況，由于上部土體較淺，在基坑開挖深度范圍內(nèi)，地層不是簡單的單一土層結(jié)構(gòu)，而是上層是土體，下層是巖體的二元結(jié)構(gòu)。考慮到經(jīng)濟(jì)與技術(shù)因素，基坑開挖到巖石以下，樁體嵌入到巖石的深度是有限的，但開挖深度在樁體嵌巖深度以下，當(dāng)開挖到基底時，樁腳在基坑深度中部位置，樁體如同吊在空中，工程中稱這種樁為“吊腳樁”[1- 2]。隨著沿海地區(qū)城市發(fā)展，在土巖二元地層結(jié)構(gòu)中此類深基坑工程越來越多，深基坑吊腳樁支護(hù)體系性能引起了許多學(xué)者的研究。

劉紅軍[1，3- 4]采用有限元法對“吊腳樁”不同預(yù)留巖肩寬度、樁體嵌巖深度進(jìn)行模擬分析，討論了樁體位移和彎矩的變化規(guī)律，提出合理的設(shè)計參數(shù)；李東[5]研究了二元地層結(jié)構(gòu)土壓力分布規(guī)律并給出設(shè)計計算方法，通過數(shù)值模擬方法驗證吊腳樁設(shè)計的合理性并對樁體嵌巖深度、預(yù)留巖肩寬度等因素進(jìn)行分析；袁海洋[6]基于plaxis2D分析了吊腳樁剛度對支護(hù)的影響；白曉宇等[7]分析了龍門吊移動荷載作用下吊腳樁的變形規(guī)律及動力響應(yīng)問題。盡管已經(jīng)開展了大量研究，但目前的研究多數(shù)還是集中在深基坑吊腳樁在靜力作用下支護(hù)性能及影響因素分析。由于土巖二元地層下部為基巖，需要采用鉆眼爆破法進(jìn)行開挖施工。爆破震動可能造成吊腳樁及邊墻發(fā)生局部破壞，巖土體發(fā)生松動，對吊腳樁支護(hù)性能產(chǎn)生不利影響，而這方面目前研究相對較少。

本文以觀瀾調(diào)蓄池深基坑工程為例，通過數(shù)值模擬方法，研究爆破震動作用下深基坑吊腳樁支護(hù)體系的動力響應(yīng)，分析爆破針對吊腳樁樁前巖肩的影響，并探討相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)措施。

1 工程概況

1.1 深基坑概況

觀瀾調(diào)蓄池位于觀瀾河右岸，觀瀾應(yīng)急污水廠對面，占地面積3.1萬m2?；娱_挖深度為15.9～21.7m，周長約740m，場地西側(cè)為觀瀾河，距離約為30m；東側(cè)靠近觀瀾高爾夫球場宿舍樓，距離約為12m，距離基坑邊約8m有小路，路下局部埋有管線；南側(cè)地勢較陡，北側(cè)地勢平坦，無建筑物。

1.2 工程地質(zhì)條件

場地內(nèi)地層分為：第四系人工堆積層、第四系沖洪積層、殘坡積層、侏羅系粉砂巖，由新到老分述如下：

(1)第四系人工堆積物：場地內(nèi)分布于西南靠觀瀾河一帶，厚度1～2m，松散狀，主要含礫粉質(zhì)粘土回填，局部含建筑垃圾、生活垃圾。

(2)第四系沖洪積層：主要分布于場地西側(cè)靠觀瀾河一帶，基坑范圍內(nèi)分布較少。主要為粉質(zhì)粘土、粉砂、礫砂。

(3)殘坡積層：場地多有分布，山頂局部缺失，層厚0.9～7.1m，為粉砂巖、砂巖風(fēng)化殘坡積而成的含礫粉質(zhì)粘土。

(4)侏羅系粉砂巖：場地內(nèi)均有分布。以粉砂巖為主，局部夾石英砂巖，按風(fēng)化程度分為：全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化和微風(fēng)化。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，主要的巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 觀瀾調(diào)蓄池主要巖土層的物理力學(xué)參數(shù)建議值

1.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

基坑?xùn)|側(cè)：離用地紅線約9m，為觀瀾高爾夫球場宿舍樓，根據(jù)場地條件，采用上部永久性放坡結(jié)合下部沖孔灌注樁加錨索支護(hù)，樁間設(shè)噴混凝土護(hù)面，放坡段采用錨桿格構(gòu)護(hù)坡，局部中風(fēng)化巖層在基坑內(nèi)出露較早，考慮到在中風(fēng)化巖體中成樁較難，沖孔樁嵌入中風(fēng)化巖體一定深度，樁下巖石邊坡采用噴錨支護(hù)；

基坑西側(cè)：距離基坑20～28m為觀瀾河，根據(jù)場地規(guī)劃，采用樁錨支護(hù)，樁下巖石邊坡采用噴錨支護(hù)，樁間設(shè)噴砼護(hù)面，在接箱涵位置采用沖孔樁+鋼管支撐及土釘墻支護(hù)；

基坑北側(cè)：距基坑20m外分布魚塘，根據(jù)場地條件，采用上部永久性放坡加下部樁錨支護(hù)，樁間設(shè)噴混凝土護(hù)面，放坡段采用錨桿格構(gòu)護(hù)坡，非嵌入式支護(hù)樁下巖石邊坡采用噴錨支護(hù)；

基坑南側(cè)：距離較遠(yuǎn)處為焦坑水庫，根據(jù)場地條件，采用上部永久性放坡結(jié)合下部樁錨支護(hù)，樁下巖石邊坡采用噴錨支護(hù)，樁間設(shè)噴混凝土護(hù)面，放坡段采用錨桿格構(gòu)護(hù)坡，非嵌入式支護(hù)樁下巖石邊坡采用噴錨支護(hù)。基坑各側(cè)的支護(hù)設(shè)計安全等級均為一級。

根據(jù)水文地質(zhì)條件及周邊水系分布，考慮到場地強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖的透水性及中風(fēng)化裂隙水豐富，基坑采用帷幕灌漿止水?；佑谰眯赃吰掳凑掌侣?∶1放坡，并采用鋼筋混凝土格構(gòu)梁+錨桿進(jìn)行支護(hù)，其中格構(gòu)梁菱形布置，錨桿亦按“菱形”布置，格構(gòu)梁施工完畢后，在格構(gòu)梁內(nèi)客土噴混植生進(jìn)行綠化。

根據(jù)觀瀾調(diào)蓄池基坑支護(hù)設(shè)計安全等級、場地地質(zhì)及環(huán)境條件，深基坑圍護(hù)主要采用“吊腳樁”型式的樁錨支護(hù)，調(diào)蓄池頂部以上支護(hù)作為永久性支護(hù)，典型剖面的吊腳樁支護(hù)如圖1所示。

圖1 吊腳樁支護(hù)示意圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

為分析爆破震動對吊腳樁支護(hù)體系的影響，沿著典型斷面取50m×9m建立數(shù)值計算模型，如圖2所示，模型范圍內(nèi)包含5根樁，共由199725個單元與38270節(jié)點構(gòu)成，模型邊界采用動態(tài)邊界。

現(xiàn)場爆破要求距基坑開挖線內(nèi)側(cè)周邊2.5m范圍內(nèi)采用分工風(fēng)鎬鑿巖修邊，2.5～10m采用靜態(tài)爆破，10～30m采用淺孔爆破，30m外采用深孔爆破。由于爆破震動衰減很快，通常在1～2s內(nèi)結(jié)束，且由于采用分段爆破，其振動峰值主要由單段最大裝藥量控制。為提高計算效率，對爆破過程的模擬簡化如下：只考慮兩排炮孔的影響，通過在炮孔內(nèi)施加速度或者壓力荷載模擬爆破，其加載的峰值根據(jù)單段裝藥量進(jìn)行換算，即采用不同的爆破震動峰值速度時程來模擬爆破影響，進(jìn)而分析爆破震動對吊腳樁支護(hù)體系的影響。炮孔布置如圖3所示，炮孔間距2m，深度近似3m，裝藥深度2m。爆破震動時監(jiān)測特征點布置如圖4所示。

圖2 數(shù)值計算模型

圖3 爆破作用模擬時炮孔布置

圖4 爆破震動模擬時監(jiān)測特征點布置

2.2 爆破荷載的施加

通過對模型施加動荷載來模擬材料在動力作用下的響應(yīng)，動力荷載輸入是：加速度時程，速度時程，應(yīng)力時程和集中力時程。爆破開挖過程中，爆破產(chǎn)生的沖擊波波形主要部分可以簡化為一個三角波，為使問題簡化，在炮孔周邊節(jié)點采用速度加載，加載曲線如圖5所示，不考慮其它荷載的影響。

圖5 爆破荷載加載壓力時程曲線

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 塑性區(qū)分布

采用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型，輸入動荷載加速度時程進(jìn)行深基坑工程動力響應(yīng)分析，得到不同時刻基坑不同部位單元的塑性區(qū)狀態(tài)，如圖6所示。

從圖6可以看出，當(dāng)爆破剛剛開始時，炮孔受爆破壓力作用，在3～4倍炮孔范圍內(nèi)，單元完全屈服，屬于爆破粉碎區(qū)，此后應(yīng)力波向外傳播逐步衰減，達(dá)到基坑壁時振動強(qiáng)度已經(jīng)大為衰減，其值可以采用薩道夫斯基公式進(jìn)行預(yù)測與模擬。應(yīng)力波通過基坑壁向地表傳播，由于基坑擋墻一側(cè)自由，上部亦自由，因此振動放大效應(yīng)非常明顯，造成表層土與樁間水泥漿產(chǎn)生塑性區(qū)。在爆破效應(yīng)作用完全終止后，巖土介質(zhì)內(nèi)的塑性區(qū)，影響范圍約在孔排距的1.0～1.5倍，因此如果炮孔距離擋墻過近，容易造成塑性區(qū)深入坑壁，造成局部失穩(wěn)。通過分析各單元屈服形式，結(jié)果表明，在靠近炮孔位置，巖體主要以剪切破壞為主，而在吊腳樁頂部，水泥漿破壞形式主要為拉壞。

2.3.2 爆破震動放大效應(yīng)

由于應(yīng)力波傳播的自由面效應(yīng)，在基坑開挖爆破過程中，存在速度振動放大效應(yīng)。圖7給出基坑底部速度分布圖，圖8給出速度放大效應(yīng)剖面圖。從圖中可以看出，自基底到吊腳樁頂部，速度放大效應(yīng)明顯，以5cm/s為基準(zhǔn)，基坑底部的速度約為1.5cm/s，吊腳樁部位可向基坑變形，放大效應(yīng)也非常明顯，速度約為3.5cm/s，基坑頂部土體內(nèi)速度最大，約為4.5cm/s，由于基頂土運(yùn)動方向主要向上，故塑性區(qū)多分布于局部放坡段。根據(jù)放大效應(yīng)反映出的規(guī)律，當(dāng)基底振動速度為5cm/s時，灌注樁底部振動速度可放大兩倍，達(dá)到10cm/s，樁頂部可達(dá)到20cm/s。

圖6 爆破作用下不同時刻塑性區(qū)分布

圖7 坑底拐角處速度峰值分布規(guī)律(相對振動速度)

圖8 速度放大效應(yīng)(剖面，5cm/s為基準(zhǔn))

2.3.3 特征點速度時程

為分析爆破地震波自坑底繞射，沿著坑壁巖體與吊腳樁向上傳播時的振動特性。監(jiān)測點記錄水平振動速度時程如圖9所示。從圖9可以看出，雖然爆破震動自炮孔向水平方向隨距離快速衰減，但如果以坑底振動作為參考標(biāo)準(zhǔn)，坑壁振動傳播至樁底時，振動強(qiáng)度約上升1.5～2.0倍，而吊腳樁支護(hù)部分巖土體，由于樁體強(qiáng)度、剛度較高，且樁間土經(jīng)過注漿處理，有錨索支護(hù)，樁體基本呈彈性狀態(tài)，振動強(qiáng)度接近，此后爆破地震波傳播至表層殘積土中，由于該土層模量極低，且振動強(qiáng)度放大約2.0倍，造成坡腳部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，出現(xiàn)拉破壞。特征點速度時程反映的規(guī)律也就是爆破震動放大效應(yīng)的規(guī)律。

圖9 特征監(jiān)測點速度時程

3 爆破震動對預(yù)留巖肩的影響

吊腳樁底部深入巖體，靠近基坑部分預(yù)留一定寬度的平臺(也稱為巖肩)以保證樁體的穩(wěn)定性，但由于巖體裂隙發(fā)育，一旦爆破震動強(qiáng)度過大，很容易造成塊體脫落，引起樁底平移。為此，采用塊體離散單元方法建立模型，分析基坑壁不同節(jié)理分布情況下吊腳樁及周圍巖土體的應(yīng)力狀態(tài)、動力響應(yīng)，進(jìn)而探討合理的減振措施。研究中基坑壁節(jié)理分布主要有兩種情況：①兩組節(jié)理，一組與x軸傾斜45°，一組傾斜135°；②兩組節(jié)理，一組水平向，一組垂直向。節(jié)理法向與切向剛度均取2e9GPa/m，黏聚力為100kPa，摩擦角25°，抗拉強(qiáng)度100kPa。炮孔距離基坑壁10m，炮孔壁振動速度10m/s，包含節(jié)理的模型如圖10所示。限于篇幅，這里只給出傾斜節(jié)理的計算結(jié)果，塑性區(qū)分布如圖11所示，速度時程如圖12所示，最終的變形圖如圖13所示。模擬結(jié)果表明:節(jié)理的傾向?qū)︻A(yù)留巖肩受爆破影響非常明顯，在同等爆破作用下，傾斜45°節(jié)理極容易產(chǎn)生掉塊等局部破壞現(xiàn)象，而水平+垂直節(jié)理組僅在巖肩頂部局部有變形增大跡象。

圖10 模型圖

圖11 爆破作用后塑性區(qū)分布

分別降低爆破地震振動的幅值，研究不同情況下坑壁底部振動強(qiáng)度與塑性區(qū)分布規(guī)律，如圖14所示，結(jié)果表明，只有當(dāng)基底振動速度小于10cm/s時，巖土層中才不會產(chǎn)生塑性區(qū)。

4 防災(zāi)減災(zāi)措施

爆破震動是持續(xù)時間很短的高應(yīng)變率相關(guān)問題，坑底平面內(nèi)振動強(qiáng)度可用薩道夫斯基公式進(jìn)行近似預(yù)測[8]，考慮基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的高程放大效應(yīng)，可預(yù)測出吊腳樁結(jié)構(gòu)不同位置的振動效應(yīng)，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計增加吊腳樁的穩(wěn)定性。

圖12 爆破作用下主要監(jiān)測點速度時程

圖13 爆破后預(yù)留平臺變形(局部破壞)

圖14 基坑底部振動強(qiáng)度與塑性區(qū)的關(guān)系

根據(jù)前面數(shù)值模擬分析及規(guī)律總結(jié)，對土巖二元地層結(jié)構(gòu)深基坑爆破開挖施工，給出建議控制標(biāo)準(zhǔn)及措施進(jìn)行振動影響控制，見表2，以便有效控制爆破對吊腳樁支護(hù)體系的影響。

表2 正常裝藥條件下吊腳樁振動速度建議控制標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)論

(1)爆破震動是衰減很快的動力學(xué)過程，在炮孔區(qū)為爆破粉碎區(qū)，應(yīng)力波向外傳播逐步衰減，達(dá)到基坑壁時振動強(qiáng)度已大為衰減，其值可以采用薩道夫斯基公式進(jìn)行預(yù)測。

(2)由于基坑的自由面使得應(yīng)力波傳播中出現(xiàn)動力放大效應(yīng)，吊腳樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的振動水平約為坑底近坑壁的2～4倍。動力放大效應(yīng)最大處為地表殘積土、模量小、強(qiáng)度低，遭受爆破震動時容易松動破壞，尤其是放坡拐角位置。

(3)節(jié)理的傾向?qū)︻A(yù)留巖肩受爆破影響非常明顯，在同等爆破作用下，傾斜45°節(jié)理極容易產(chǎn)生掉塊等局部破壞現(xiàn)象，降低爆破震動幅值，只有當(dāng)基底振動速度小于10cm/s時，巖土層中才不會產(chǎn)生塑性區(qū)。

(4)為保證吊腳樁支護(hù)體系的穩(wěn)定，給出振動速度控制建議值。基底邊緣振動速度10～20cm/s以下，而預(yù)留樁前巖肩速度控制在8～15cm/s，地表土振動速度控制小于10cm/s以下，可一定程度降低預(yù)留巖肩的破壞，如果節(jié)理發(fā)育、傾向不利應(yīng)取低值，節(jié)理不發(fā)育取控制指標(biāo)區(qū)高值。