被動區(qū)花崗巖殘積土弱化對深基坑的影響

(1.廣西華藍(lán)巖土工程有限公司, 南寧 530001； 2.長江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院, 湖北 荊州 434023)

1 研究背景

花崗巖殘積土是風(fēng)化花崗巖的一種，風(fēng)化花崗巖是出露的花崗巖經(jīng)一系列物理、化學(xué)風(fēng)化作用后形成的產(chǎn)物。我國花崗巖分布十分廣泛，東北、東南、西部地區(qū)均存在花崗巖地層[1]。其中，東南沿海地區(qū)分布較為集中，廣東、福建兩地花崗巖出露面積約占陸地總面積的30%～40%[2]，香港地區(qū)出露花崗巖面積占陸地總面積的比例高達(dá)65%[3]。花崗巖的風(fēng)化程度與其所處的氣候條件、環(huán)境條件密切相關(guān)，通常氣溫越高，雨量越多，風(fēng)化層厚度越大。東南沿海地區(qū)特殊的亞熱帶季風(fēng)氣候及潮濕溫?zé)岬牡赜颦h(huán)境使得出露花崗巖風(fēng)化程度較高，形成了大量深厚的全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和殘積土地層。廣東、福建等沿海地區(qū)全風(fēng)化花崗巖地層厚度一般在20 m以上，大部分位于20～35 m之間[4]，局部地區(qū)(廈門、漳州)厚度高達(dá)40 m[5]。

花崗巖殘積土遇水時，土體中起膠結(jié)作用的游離氧化物會隨之溶解，土體強(qiáng)度降低、壓縮性增大，使土體表現(xiàn)出軟化特性[6]。此外，浸泡在水中的全風(fēng)化花崗巖還呈現(xiàn)出散粒狀、片狀及塊狀掉剝崩落等崩解現(xiàn)象，使土體遭受結(jié)構(gòu)性破壞[4]。風(fēng)化花崗巖殘積土的上述特性使得其遇水時的力學(xué)性能急劇減弱，給工程建設(shè)帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。例如，廣州地鐵2號線越秀公園站圍護(hù)結(jié)構(gòu)人工挖孔樁施工過程中，花崗巖殘積土軟化崩解導(dǎo)致周邊房屋沉降開裂，最后不得不改變工法，增加了工期和造價(jià)；3號線天河客運(yùn)站坑底花崗巖殘積土軟化造成施工困難，并導(dǎo)致地下連續(xù)墻開裂，給工程施工帶來極大風(fēng)險(xiǎn)[7]。

廣東、福建等沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密集，為方便出行，目前，廣州、福州、廈門、深圳、珠海、三亞、東莞、佛山等地均在開展地鐵工程建設(shè)，涉及到眾多在花崗巖殘積土地區(qū)施工的地鐵車站深基坑。東南沿海特殊的氣候、豐富的雨量及部分地鐵沿線豐富的地下水極易導(dǎo)致深基坑開挖時底部花崗巖殘積土軟化，給工程施工帶來困難，增加周圍環(huán)境保護(hù)的難度。目前，眾多學(xué)者[8-13]開展了坑底被動區(qū)土體加固對深基坑變形影響的研究，鮮有學(xué)者就坑底被動區(qū)土體弱化對深基坑的影響進(jìn)行分析。本文以某花崗巖殘積土地區(qū)地鐵車站深基坑工程為背景，運(yùn)用PLAXIS有限元軟件，建立有限元模型，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，在對有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了坑底被動區(qū)花崗巖殘積土受水浸泡后力學(xué)性能急劇降低對基坑的影響，以期為類似工程提供參考。

2 工程概況

某地鐵車站深基坑位于花崗巖殘積土地區(qū)，車站長392.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段開挖寬度約23.9 m，開挖深度約16.9 m，盾構(gòu)端頭井開挖寬度約27 m，開挖深度約19 m，為地下2層島式站臺車站。標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm地連墻，地下連續(xù)墻深26 m，墻底嵌入全風(fēng)化花崗巖中，嵌入深度約9 m，所用混凝土強(qiáng)度等級為C35。內(nèi)支撐體系采用1道混凝土支撐和2道鋼支撐，第1道支撐采用800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，所用混凝土強(qiáng)度等級為C30，水平間距8 m；其余均為Φ609、厚t=16 mm規(guī)格的鋼支撐，水平間距約為3.5～4.0 m，鋼支撐預(yù)加軸力均為600 kN，基坑開挖地層主要為殘積砂質(zhì)黏性土，場地地下水埋深在1.7～5.6 m之間變化。基坑采用明挖順作法施工，標(biāo)準(zhǔn)段基坑典型斷面示意圖如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面Fig.1 Profile of the retaining structure of deep excavation

3 有限元模型

3.1 模型建立

基于上文地鐵車站深基坑，建立二維有限元數(shù)值計(jì)算模型。模型開挖深度取17 m，開挖寬度取24 m，為減少模型邊界對基坑開挖計(jì)算的影響，坑邊寬度取5倍基坑開挖深度，坑底地層厚度取3倍基坑開挖深度。圍護(hù)結(jié)構(gòu)長度取26 m，嵌入深度取9 m，設(shè)置3道內(nèi)支撐，首道為鋼筋混凝土支撐，位于地表以下1 m，其余2道支撐均為鋼支撐，分別位于地表以下7.0 m和11.5 m。模型中地下水設(shè)置于地表以下3 m，取1/2 基坑進(jìn)行建模，模型幾何尺寸示意圖如圖2所示。

圖2 模型尺寸示意圖Fig.2 Dimensions of the base model

3.2 模型參數(shù)

表1 基巖物理力學(xué)參數(shù)
Table 1 Physical and mechanical parameters ofMohr-Column model for bedrock

土層名稱重度γ/(kN·m-3)有效內(nèi)聚力c′/kPa有效摩擦角φ′/(°)剪脹角ψ/(°)彈性模量E/MPa泊松比ν碎裂狀全風(fēng)化花崗巖22.1402801000.18中等風(fēng)化花崗巖26.7503007 0000.15

表2 花崗巖殘積土HSS模型物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of HSS model for soil layers

模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，單位寬度為800 mm地下連續(xù)墻水平抗彎剛度EwI(E為彈性模量，I為慣性矩，下標(biāo)w表示地下連續(xù)墻)為1.34×106kN·m2，軸向抗壓剛度為2.52×107kN，其重度為24.0 kN/m3，泊松比為0.17。模型支撐均采用錨錠桿單元模擬，根據(jù)上文給定數(shù)據(jù)可得800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐的抗壓剛度EcAc(E為彈性模量，A為截面面積，下標(biāo)c表示鋼筋混凝土)為1.92×107kN，支撐水平間距為8 m，Φ609、厚t=16 mm鋼支撐的抗壓剛度EsAs(下標(biāo)s表示鋼材)為3.172×106kN，支撐水平間距取4 m。

3.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元模型的合理性，結(jié)合實(shí)際施工情況，運(yùn)用上述模型開展有限元計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與模型斷面附近實(shí)測變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析?；幽M開挖順序如表3所示。注意到，在開挖地下水位以下土體之前，均降水至預(yù)計(jì)開挖面以下0.5 m。

表3 基坑開挖工況Table 3 Working conditions of deep excavation

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和地表沉降計(jì)算與實(shí)測 結(jié)果對比Fig.3 Comparison of horizontal deflection of support structure and ground settlement at final excavation depth between finite element calculation and monitoring

圖3給出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和地表沉降有限元計(jì)算值與實(shí)測數(shù)據(jù)曲線對比。圖3中監(jiān)測點(diǎn)的具體位置是：基坑長度392.2 m，在中間位置，即距離兩端196.1 m處，沿寬度方向左右兩邊一邊1個監(jiān)測點(diǎn)，且布置在地下連續(xù)墻的墻頂、墻壁厚度的中間位置。監(jiān)測斷面也是從這2個監(jiān)測點(diǎn)向基坑外面延伸，垂直基坑長度方向。從圖3(a)可知：圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移有限元計(jì)算最大值及最大值位置與實(shí)測數(shù)據(jù)較為接近，在最大值位置以上部分，有限元計(jì)算曲線與實(shí)測值吻合較好；在最大值位置以下部分，圍護(hù)結(jié)構(gòu)踢腳變形較實(shí)測結(jié)果明顯，計(jì)算曲線較實(shí)測值偏大。由圖3(b)可知，地表沉降有限元計(jì)算曲線與實(shí)測數(shù)據(jù)變化趨勢一致，整體較實(shí)測數(shù)據(jù)略微偏大，這可能是由于有限元計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)踢腳變形較實(shí)際情況明顯所致。總體而言，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較為接近，說明了上述模型建立及參數(shù)選取的合理性。

4 坑底土體弱化研究

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和地表沉降隨弱化深度 變化曲線Fig.4 Curves of horizontal displacement of retaining wall and ground settlement varying with softening depth

圖4(a)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨坑底花崗巖殘積土弱化深度變化的曲線。從圖4(a)可知：當(dāng)弱化深度較小時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部受到深層未弱化花崗巖殘積土較強(qiáng)的約束作用，水平位移最大值增量較小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)底端踢腳變形基本不變；當(dāng)弱化深度較大，直至圍護(hù)結(jié)構(gòu)底端標(biāo)高時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值及踢腳變形急劇增大，這與文獻(xiàn)[17]基坑底部被動區(qū)花崗巖殘積土受雨水浸泡崩解，力學(xué)性能急劇惡化時的監(jiān)測現(xiàn)象一致；此外，隨坑底弱化深度增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值位置逐漸向下移動。

圖4(b)為地表沉降隨坑底花崗巖殘積土弱化深度變化曲線。從圖4(b)可知，地表沉降變化曲線呈現(xiàn)“凹槽形”特性，地表沉降最大值位置距基坑邊緣有一定的距離，地表沉降曲線隨坑底花崗巖殘積土弱化深度的變化規(guī)律與圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移一致:當(dāng)坑底花崗巖殘積土弱化深度較小時，地表沉降最大值增量較小;當(dāng)弱化深度較大，直至圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部時，地表沉降最大值急劇增大。

圖5(a)給出了各道支撐軸力隨坑底花崗巖殘積土弱化深度變化的曲線。由圖5(a)可知，隨著坑底被動區(qū)花崗巖殘積土弱化深度的增大，第1道混凝土支撐軸力緩慢減小，共計(jì)減小116 kN；第2道鋼支撐軸力逐漸增大，共計(jì)增大914.8 kN；第3道支撐軸力急劇增長，由安裝時預(yù)加的600 kN增大到最終的4 188 kN。支撐軸力整體呈增大趨勢是因?yàn)榭拥妆粍訁^(qū)土體弱化后力學(xué)性能急劇降低，被動區(qū)土壓力減小，主動土壓力轉(zhuǎn)而由支撐承擔(dān)，其中，第1道支撐軸力有所減小，第3道支撐軸力急劇增大是由于被動區(qū)土體弱化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)踢腳嚴(yán)重，主動區(qū)土體向坑底被動區(qū)流動，使得主動土壓力部分向下轉(zhuǎn)移所致。鋼支撐軸力急劇增大，微小偏心便易誘發(fā)支撐撓曲變形，如圖5(b)所示。

圖6(a)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩隨坑底花崗巖殘積土弱化深度變化的曲線，正彎矩表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)部彎曲，負(fù)彎矩表示向基坑外彎曲。由圖6(a)可以看出，隨著坑底被動區(qū)花崗巖殘積土弱化深度的增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大彎矩逐漸增大?？拥妆粍訁^(qū)土體未弱化前，除底端受到被動區(qū)土體較強(qiáng)約束作用部分的圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩為負(fù)，表現(xiàn)出略微向坑外彎曲外，其余圍護(hù)結(jié)構(gòu)均向基坑內(nèi)部彎曲。隨著坑底花崗巖殘積土弱化深度的增加，坑底被動區(qū)土壓力逐漸減小，墻后土體向坑底被動區(qū)流動，基坑開挖面以下部分彎矩逐漸增大，最終帶動第2道支撐與第3道支撐之間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩由正變負(fù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)由向基坑坑內(nèi)彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚩油鈴澢o(hù)結(jié)構(gòu)彎矩過大，易導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)開裂，如圖6(b)所示。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩隨弱化深度變化曲線及地連墻開裂實(shí)例Fig.6 Variation of bending moment of wall with softening depth and photo of diaphragm wall cracking

由上述分析可知，隨著坑底被動區(qū)花崗巖殘積土弱化深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值、圍護(hù)結(jié)構(gòu)踢腳變形會增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大值位置向墻底移動，臨近坑底支撐的軸力急劇增大，墻后地表沉降最大值亦呈現(xiàn)增長趨勢。綜合上述各因素變化趨勢可以看出，坑底被動區(qū)土體弱化會導(dǎo)致基坑存在較大踢腳式變形失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 論

以花崗巖殘積土地區(qū)某地鐵車站深基坑為背景，運(yùn)用PLAXIS有限元軟件，考慮基坑底部被動區(qū)花崗巖殘積土弱化，系統(tǒng)地開展了坑底被動區(qū)土體弱化深度對基坑變形受力影響的研究，得出以下結(jié)論：

(1)隨著坑底被動區(qū)花崗巖殘積土弱化深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值、地表沉降最大值均呈現(xiàn)出增大趨勢，當(dāng)弱化深度較小時，上述指標(biāo)值增大幅度較小，當(dāng)弱化深度較大時，上述指標(biāo)值急劇增大，給周圍環(huán)境帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。

(2)臨近坑底鋼支撐的軸力會隨著坑底被動區(qū)花崗巖殘積土弱化深度的增加而急劇增大，在實(shí)際工程中，需在坑底附近增設(shè)支撐以分擔(dān)主動土壓力，防止單道支撐受力過大誘發(fā)較大撓曲變形而破壞。

(3)隨著坑底被動區(qū)花崗巖殘積土弱化深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大彎矩會逐漸增大，在實(shí)際工程中，易誘發(fā)圍護(hù)結(jié)構(gòu)開裂，給基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全使用帶來風(fēng)險(xiǎn)。

(4)坑底被動區(qū)較大深度范圍內(nèi)花崗巖殘積土弱化會導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)踢腳變形急劇增大，易誘發(fā)基坑踢腳式變形失穩(wěn)破壞。

坑底被動區(qū)花崗巖殘積土弱化深度較大時，給周邊環(huán)境及基坑自身的安全穩(wěn)定帶來極大威脅。因此在實(shí)際工程中，需及時排除坑底積水，減少坑底花崗巖殘積土弱化深度，避免坑底大范圍花崗巖殘積土弱化。