邊坡偏壓對于鄰近地鐵車站基坑穩(wěn)定性影響分析

李 浩, 劉 毅, 彭 振, 唐曉杰, 李元海

(1.中交(廣州)建設(shè)有限公司，廣東 廣州 511458；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司 技術(shù)中心，湖北 武漢 430040；3.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

為緩解隨城市化推進(jìn)所帶來的日益增長的交通壓力，我國的地鐵建設(shè)近年來得到了大力發(fā)展.在地鐵修建過程中，其車站多以基坑形式進(jìn)行施作，而城市基坑工程的設(shè)計(jì)及施工往往受到各種條件制約，包括鄰近的建筑結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的工程地質(zhì)條件等[1-3].隨著城市地鐵網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張，邊坡偏壓作為一種典型的地質(zhì)情況變得越發(fā)難以避免.與傳統(tǒng)基坑不同，偏壓基坑的受力模式以及由于開挖所引起的環(huán)境效應(yīng)將發(fā)生很大改變[4-6]，這給基坑的設(shè)計(jì)、支護(hù)及施工帶來了挑戰(zhàn)[7-9].

對于偏壓基坑的開挖穩(wěn)定性問題，當(dāng)前學(xué)者基于數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測等手段已開展了相關(guān)的研究.石鈺鋒等[10]和LIU J.等[11]針對工程實(shí)例，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征，指出偏壓環(huán)境下的基坑變形控制是保障施工安全的關(guān)鍵要素.雷崇采用有限元軟件PLAXIS模擬了大偏壓深基坑開挖全過程，并提出在大偏壓作用下基坑兩側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力與常規(guī)基坑存在較大差異，設(shè)計(jì)中需根據(jù)實(shí)際受力采用相應(yīng)的支護(hù)及加固措施[12].劉波等針對偏壓非等深基坑的開挖效應(yīng)問題采用有限元進(jìn)行模擬分析，得出偏壓環(huán)境下的地表沉降分布具有明顯的空間效應(yīng)[13].上述研究表明，偏壓環(huán)境對于基坑的影響主要體現(xiàn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力分布以及地表沉降等方面.隨著鄰近的邊坡高度變化，這些涉及基坑穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素由于地應(yīng)力分布的改變亦會隨之受到不同程度影響[14-15].現(xiàn)有研究多基于特定的工程實(shí)例進(jìn)行分析，鮮有涉及邊坡偏壓條件變化對于基坑穩(wěn)定性的影響規(guī)律，有必要開展進(jìn)一步的研究.

本文依托深圳市軌道交通2號線蓮塘口岸站工程背景，立足偏壓基坑的穩(wěn)定性問題，采用有限差分軟件FLAC對不同邊坡高度條件下的土體沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布特征進(jìn)行了模擬分析，并獲得其變化規(guī)律.本文的分析結(jié)果對于偏壓基坑的設(shè)計(jì)及工程安全的控制具有重要的參考意義.

1 工程概況

蓮塘口岸站為深圳市城市軌道交通2號線三期工程的第一個車站，車站基坑采用順逆結(jié)合施工方式進(jìn)行開挖，最大開挖深度達(dá)到地下31 m.車站西南角為貓窩山，地形東低西高，坡底高程18.6 m，坡頂高程44.1 m，高差大，坡度陡，對基坑產(chǎn)生偏壓作用.基坑開挖前進(jìn)行削坡支護(hù)處理，南側(cè)邊坡分二級支護(hù).削坡后坡腳距基坑13.7 m，北側(cè)為一級邊坡，距基坑24.4 m.

研究區(qū)表層廣泛分布素填土及粉質(zhì)粘土.素填土顏色呈灰黃、褐黃、褐紅等雜色，結(jié)構(gòu)一般呈松散～稍密狀態(tài)，主要由粘性土混少量砂礫組成，局部夾有碎塊石.粉質(zhì)粘土呈灰褐色，可塑狀，在研究區(qū)內(nèi)呈透鏡體狀不連續(xù)分布.下伏基巖為強(qiáng)～微風(fēng)化石英砂巖，強(qiáng)風(fēng)化巖體呈硬土狀，中風(fēng)化及微風(fēng)化巖層節(jié)理裂隙發(fā)育.

2 有限差分?jǐn)?shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

采用FLAC二維模型對不同工況下的基坑開挖全過程進(jìn)行建模分析.研究區(qū)地層基本呈層狀分布，削坡面范圍較大，可采用平面模型進(jìn)行簡化分析.根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算結(jié)果，基坑開挖影響寬度約為深度的3～4倍，影響深度約為開挖深度的2～4倍[16].因此，本次數(shù)值計(jì)算模型的長度定為150 m，最大高度定為93 m.模型的左右邊界施加水平方向約束，底部邊界施加豎向約束.數(shù)值模型以30 902個節(jié)點(diǎn)劃分15 179個單元.如圖1所示，基坑第一級及第二級邊坡分別設(shè)置4根和5根φ22全長粘結(jié)錨桿.同時基坑范圍內(nèi)在地面以下0.5、6、10.5、15.5、20、25m處設(shè)置6道水平支撐.第一、三、五道支撐采用鋼筋混凝土支撐，尺寸為800 mm×1 000 mm，第二、四、六道支撐采用鋼支撐φ800(t=20 mm).基坑模擬開挖分6步進(jìn)行，分別開挖至地下1.5、7、11.5、16.5、21、26、30 m深度.

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算區(qū)內(nèi)土體采用摩爾-庫倫模型，巖土參數(shù)(表1)依據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室的測試結(jié)果確定.冠梁采用彈性單元體，彈性模量及泊松比分別取30 GPa和0.3.圍護(hù)樁、全長錨桿及水平支撐采用FLAC內(nèi)置結(jié)構(gòu)單元pile、cable以及beam進(jìn)行模擬(表2).

表1 巖土體模型物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

為分析不同偏壓強(qiáng)度對于基坑穩(wěn)定性的影響，選取不同邊坡高度進(jìn)行基坑開挖穩(wěn)定性分析.取實(shí)際偏壓條件作為分析參照，共采用5種計(jì)算方案，邊坡高度數(shù)據(jù)如表3所示.不同高程的邊坡均采用二級削坡錨固，基坑支護(hù)參數(shù)一致.本文定義偏壓強(qiáng)度為數(shù)值模擬的邊坡高度與實(shí)際高度的比值，共設(shè)置5種偏壓強(qiáng)度情況進(jìn)行分析.

表3 偏壓強(qiáng)度分析計(jì)算方案

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

取實(shí)際偏壓環(huán)境下的模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測值進(jìn)行對比分析.如圖2(a)所示，現(xiàn)場監(jiān)測值與模擬數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)坡處的地表沉降變化趨勢基本一致，且處于同一數(shù)量級內(nèi)，最大誤差小于1 mm，可見模型及其參數(shù)設(shè)置合理.如圖2(b)所示，數(shù)值分析所獲得的近坡樁水平變形模式與實(shí)際監(jiān)測大致相同，最大水平變形出現(xiàn)在樁體中部，而樁頂水平變形基本相同，監(jiān)測值為3 mm，模擬值為2 mm，誤差較小.從對比結(jié)果上看，模擬結(jié)果可基本反映工程現(xiàn)場中變形數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，下文的分析對實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義.

3.2 偏壓強(qiáng)度對于地表沉降影響

圖3為實(shí)際工況下(偏壓強(qiáng)度=1)基坑開挖完成后的地層沉降云圖(圖中基坑右側(cè)為遠(yuǎn)坡，且不顯示結(jié)構(gòu)單元)，圖中地層隆起為正、沉降為負(fù).由圖中可以看出，地層的隆起區(qū)主要分布在坑底及基坑圍護(hù)墻處，并呈現(xiàn)向基坑外側(cè)衰減的趨勢.沉降區(qū)主要分布在遠(yuǎn)坡處地表附近，沉降區(qū)形狀為凹槽式分布，這與相關(guān)的研究結(jié)果是相符合的[17].地層隆起、沉降分布特性一定程度上也驗(yàn)證了本次分析參數(shù)及模型邊界選取的合理性.

本次模擬所分析的5種逐漸升高的偏壓情況下，開挖影響范圍分別為37 m、38 m、39 m、41 m、41 m.可以發(fā)現(xiàn)隨鄰近邊坡高度(偏壓強(qiáng)度)的增加，沉降區(qū)的影響范圍逐漸向基坑外側(cè)擴(kuò)展.此外，隨偏壓的加大，地層沉降區(qū)范圍有向深部土體擴(kuò)展的趨勢，5種偏壓情況下，沉降區(qū)影響深度分別為9 m、10 m、12 m、13 m、14 m.

圖2 模擬數(shù)據(jù)—實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Fig.2 Comparison of the monitor and simulated data

圖3 原型基坑周圍地層沉降云圖(單位：米)Fig.3 Nephogram of practical ground subsidence around the foundation (Unit: m)

基坑外側(cè)的沉降分布情況對于周邊建筑物的變形控制以及基坑工程的施工安全具有重要意義，為定量識別邊坡高度對于基坑外側(cè)地表沉降的影響規(guī)律，提取了遠(yuǎn)坡側(cè)的地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.如圖4所示，5種偏壓條件下，遠(yuǎn)坡處地表均呈現(xiàn)為凹槽式沉降：基坑圍護(hù)墻處出現(xiàn)小范圍的隆起，之后向坑外處產(chǎn)生逐漸增大的沉降現(xiàn)象，并在距基坑圍護(hù)墻一定距離處出現(xiàn)最大沉降點(diǎn).隨后地表沉降值逐漸減小直至影響邊界.隨偏壓強(qiáng)度的增大，地表最大沉降值逐漸增大，出現(xiàn)最大沉降點(diǎn)的位置逐漸向基坑外側(cè)移動，從距基坑圍護(hù)墻7 m處逐漸擴(kuò)至11 m處，這與偏壓造成的地應(yīng)力分布變化有關(guān).

圖4 遠(yuǎn)坡處地表沉降影響范圍Fig.4 Surface settlement scope at the area away from the slope

結(jié)合圖3和圖4，邊坡高度的變化對于遠(yuǎn)坡處沉降影響程度較小，但對于地表最大沉降值的影響較為明顯.提取各偏壓條件下遠(yuǎn)坡處的地表最大沉降值進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖5所示.從結(jié)果上看，地表最大沉降值隨邊坡高度的增加呈指數(shù)型增長的趨勢，最大沉降值與邊坡高度的關(guān)系式為：y=-1.42+3.13e(x+21.9)/97.9.其中相關(guān)系數(shù)R2為0.998，說明擬合度較高，可反映地表最大沉降的變化趨勢.

圖5 遠(yuǎn)坡處地表最大沉降值擬合曲線Fig.5 Fit curves of maximum surface settlement at the area away from the slope

3.3 偏壓強(qiáng)度對于圍護(hù)樁變形影響

圍護(hù)樁作為控制基坑土體變形、保障基坑工程安全的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其變形行為對于基坑穩(wěn)定性的控制具有重要意義[18].圖6為5種逐漸升高的偏壓環(huán)境下基坑近坡樁及遠(yuǎn)坡樁的變形曲線.從圖中可以看出：不同偏壓環(huán)境下，近坡樁和遠(yuǎn)坡樁的變形模式基本相同，呈現(xiàn)一種類“弓形變形”，最大水平變形出現(xiàn)在樁體中部，樁頂及樁底處變形值較小.此種“弓形變形”特征反應(yīng)出基坑中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)更易于發(fā)生水平變形.

隨著偏壓的增大，近坡樁及遠(yuǎn)坡樁的“弓形變形”特征逐漸向“前傾型”轉(zhuǎn)變，樁頂變形逐漸增大.不同偏壓環(huán)境下，近坡樁及遠(yuǎn)坡的樁底的變形值基本不變，但樁頂及樁體中部產(chǎn)生了較大幅度的變形增量.這種現(xiàn)象在近坡處體現(xiàn)得尤為明顯.圖中可以看到，5種逐漸升高的偏壓環(huán)境下，近坡樁的樁頂變形從-9 mm增加至15 mm，樁體中部的最大變形量從6 mm增至37 mm.而遠(yuǎn)坡樁受邊坡偏壓的影響，原本向坑內(nèi)的變形量逐漸減小，并向坑外產(chǎn)生了小幅的變形.

圖6 不同偏壓強(qiáng)度下圍護(hù)樁深與樁變形關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves between pile deformation and buried depth under different bias conditions

由圖6(a)可知，偏壓變化對于遠(yuǎn)坡樁的最大水平變形影響不大，而對于近坡樁影響較為明顯.為定量獲取其最大水平變形與邊坡高度之間的關(guān)系，選取變形數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖7所示.從圖中可以看出，隨邊坡高度的增加，近坡樁最大水平變形值呈指數(shù)型增長，兩者擬合關(guān)系為：y=-13.29+20.8e(x-2.7)/47.6，相關(guān)系數(shù)R2為0.996，擬合度較高.

圖7 不同偏壓強(qiáng)度下近坡樁最大水平變形擬合曲線Fig.7 Fit curves of maximum horizontal deformation of near-slope pile under different bias conditions

為分析邊坡高度與近坡樁及遠(yuǎn)坡樁樁頂變形的關(guān)系，對兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行公式擬合，擬合曲線如圖8所示.近坡樁樁頂變形服從關(guān)系式：y=-42.89+37.8e(x-8.1)/86.2，遠(yuǎn)坡樁服從關(guān)系式：y=-145.74+64.7e(x+273.1)/356.7.兩者的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.999和0.996，擬合度較高，可反映樁頂變形與邊坡高度的關(guān)系.

基坑圍護(hù)墻處的剪應(yīng)力分布情況反映了圍護(hù)樁及基坑土體中易于破壞的風(fēng)險區(qū)域.圖9為5種偏壓環(huán)境下基坑圍護(hù)墻處的剪應(yīng)力分布云圖(基坑左側(cè)為近坡).從圖中可以看出，基坑圍護(hù)墻處的最大剪應(yīng)力主要分布于基坑坑底，且近坡處的受剪情況要明顯高于遠(yuǎn)坡處.由此可見，在圍護(hù)樁設(shè)計(jì)參數(shù)選取過程中，近坡處及坑底處需重點(diǎn)關(guān)注.此外，隨著偏壓強(qiáng)度的增大，圍護(hù)墻處的最大剪應(yīng)力也相應(yīng)增加.5種偏壓條件下，最大剪應(yīng)力從1.5 MPa增至4.6 MPa.樁-土系統(tǒng)中，兩者的相對位移會在樁和土體中產(chǎn)生剪切應(yīng)力[19]，上述剪應(yīng)力分布現(xiàn)象一定程度上表明在基坑底部更易于產(chǎn)生樁-土相對位移，此種情況在實(shí)際工程設(shè)計(jì)與施工中需給予重點(diǎn)監(jiān)測，而在實(shí)際工程中為避免產(chǎn)生較大位移可基于現(xiàn)場狀況采用注漿法進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域加固.

進(jìn)一步擬合基坑圍護(hù)墻處土體的最大剪應(yīng)力值與邊坡高度之間的關(guān)系，得到如下關(guān)系式：y=-465+193.5×e(x+5 972)/6 785.相關(guān)系數(shù)R2為0.999，擬合度較高，可反映最大剪應(yīng)力隨邊坡高度的變化情況.

3.4 不同偏壓強(qiáng)度下基坑側(cè)向土壓分析

基坑圍護(hù)樁后土壓力的大小和分布對支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性驗(yàn)算有著決定性的作用[8].土壓力的大小直接影響基坑及圍護(hù)樁的變形情況.繪制不同邊坡高度環(huán)境下基坑圍護(hù)墻處的土壓力分布曲線，如11圖所示.近坡及遠(yuǎn)坡處基坑圍護(hù)墻側(cè)的土壓力均表現(xiàn)為隨深度的增加而增大.另外，隨邊坡高度的增加，各深度處的側(cè)向土壓力值均相應(yīng)增大，這種現(xiàn)象在近坡處更為明顯.可以發(fā)現(xiàn)，近坡處基坑底部土壓力的增長趨勢更為明顯，且隨邊坡高度的增加，坑底處更容易發(fā)生剪切破壞現(xiàn)象.

圖8 不同偏壓強(qiáng)度下圍護(hù)樁頂變形擬合曲線Fig.8 Fit curves of pile-top deformation under different bias conditions

圖9 基坑圍護(hù)墻土層最大剪應(yīng)力分布云圖(單位： Pa)Fig.9 Nephogram of max shear stress within the ground near the retaining wall (Unit: Pa)

圖10 土層最大剪應(yīng)力與邊坡高度關(guān)系曲線Fig.10 Relation curves between max shear stress and slope height

圖11 不同偏壓強(qiáng)度下基坑周圍土壓力分布曲線Fig.11 Soil pressure distribution curve around the foundation pit under different bias conditions

4 結(jié)論

本文通過建立數(shù)值計(jì)算模型分析了5種偏壓情況下基坑地表沉降、圍護(hù)樁變形及剪應(yīng)力的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)地表沉降范圍及最大沉降值均隨邊坡高度的增加而增大.邊坡高度對于遠(yuǎn)坡處地表最大沉降值的影響較為明顯，最大沉降值與邊坡高度的擬合關(guān)系為：y=-1.42+3.13e(x+21.9)/97.9.

(2)近坡樁樁頂及樁體中部受偏壓影響較大，遠(yuǎn)坡樁在樁頂處出現(xiàn)明顯的變形增量.隨邊坡高度增加，圍護(hù)樁最大水平變形呈指數(shù)型增長.

(3)隨邊坡高度的增加，基坑圍護(hù)墻處的最大剪應(yīng)力分布于基坑底部，表明此處易于發(fā)生剪切破壞.在實(shí)際工程中需重點(diǎn)關(guān)注此種現(xiàn)象，加強(qiáng)此位置的監(jiān)測防控.

(4)隨邊坡高度的增加，近坡及遠(yuǎn)坡處基坑圍護(hù)墻處的側(cè)向土壓均相應(yīng)增大，增長趨勢在近坡處更為明顯.