復(fù)雜環(huán)境條件下超深巖質(zhì)基坑試驗研究

侯俊偉， 唐秋元， 劉家易

(中煤科工集團重慶設(shè)計研究院有限公司， 重慶 400042)

0 引言

錨桿(索)對基坑中存在結(jié)構(gòu)面的巖體可以進行有效加固，從而充分發(fā)揮巖體自身的穩(wěn)定能力。在復(fù)雜環(huán)境條件下的超深巖質(zhì)基坑工程中，往往會遇到順向坡、地下洞室等特殊情況[1]。整體穩(wěn)定受順向?qū)用婊蛲鈨A裂隙面控制的邊坡存在平面破壞、折線破壞、楔體破壞等多種復(fù)雜的破壞模式，若基坑開挖影響范圍內(nèi)存在地下洞室，基坑施工產(chǎn)生的應(yīng)力變化會導(dǎo)致洞室產(chǎn)生位移、變形甚至崩塌等不利現(xiàn)象[2-3]。

眾多學(xué)者對常規(guī)深基坑工程支護結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進行了相關(guān)研究。李子運等[4]通過數(shù)值模擬研究了深基坑開挖對巖土體應(yīng)力分布的影響，得出基坑水平角點位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中的結(jié)論。陽外光[5]結(jié)合重慶南坪某交通樞紐工程深基坑支護錨拉樁支護實例，對錨拉樁施工技術(shù)進行了系統(tǒng)總結(jié)。陶西貴等[6]通過深基坑預(yù)應(yīng)力錨桿的現(xiàn)場實測，討論了預(yù)應(yīng)力錨桿在基坑中的軸力分布規(guī)律。劉永權(quán)等[7]通過推導(dǎo)計算、模擬及實例分析的方式，探討了基坑中預(yù)應(yīng)力錨索的初始張拉鎖定值取值規(guī)律。

目前對復(fù)雜環(huán)境及地質(zhì)條件下的超深巖質(zhì)基坑支護結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及受力機理還缺乏系統(tǒng)研究。在復(fù)雜環(huán)境條件下的超深巖質(zhì)基坑工程支擋結(jié)構(gòu)體系中，由于其受力機理的復(fù)雜性，僅靠設(shè)計過程中的理論計算與有限元分析不足以充分證明支擋結(jié)構(gòu)體系的有效性，宜增加現(xiàn)場試驗取得可靠的第一手數(shù)據(jù)作為基坑支護依據(jù)。本文以某超深巖質(zhì)基坑工程為實例，該基坑深度最大33.20m，基坑邊坡穩(wěn)定性受緩傾角巖層層面及外傾裂隙面控制，同時基坑周邊有已建隧道、市政道路及其他建構(gòu)筑物。采用現(xiàn)場原位試驗、有限元數(shù)值計算、動態(tài)監(jiān)測等多種技術(shù)手段，獲得了準確的巖土體和支護結(jié)構(gòu)力學(xué)性能參數(shù)，提出了安全合理、經(jīng)濟可靠的基坑支護方案和施工工藝。

1 工程概況

項目位于重慶市江北嘴中央商務(wù)區(qū)，擬建建筑為32層高層建筑，地下6層，結(jié)構(gòu)形式為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，持力層為中等風化泥巖或砂巖?；悠矫嫔习础皷|南西北”四方圍合為多邊形，基坑邊坡總長約300m，最大深度33.20m，平均深度大于30m，屬超限深基坑，邊坡類型為巖質(zhì)邊坡。

場地屬構(gòu)造剝蝕淺切丘陵地貌區(qū)，上覆少量第四系全新統(tǒng)人工堆積層，下覆侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖、砂巖，泥巖和砂巖互層分布。原始地形總的趨勢為南側(cè)低，南西角高，北側(cè)及中間地勢較平坦，最高點在場地南西側(cè)。地質(zhì)構(gòu)造屬于龍王洞背斜南端東翼，巖層呈單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀為100°∠15°。巖體中主要發(fā)育二組構(gòu)造裂隙：L1組裂隙產(chǎn)狀34°∠78°，L2組裂隙產(chǎn)狀296°∠71°，裂隙面較粗糙，結(jié)合差，為硬性結(jié)構(gòu)面。泥巖層面及砂泥巖接觸面為軟弱結(jié)構(gòu)面，結(jié)合很差。根據(jù)赤平投影分析，西側(cè)緩傾角順向巖質(zhì)基坑邊坡，地質(zhì)條件復(fù)雜。

基坑工程周邊環(huán)境條件復(fù)雜，四周均為已建或在建工程，周邊建(構(gòu))筑物距離基坑邊緣水平距離較近，基坑西側(cè)和北側(cè)坡頂為正在通行的市政道路，北側(cè)在相鄰25m內(nèi)包含地鐵6號線區(qū)間隧道和淺埋電纜隧道，基坑西側(cè)緊鄰已建江溉路連拱隧道，隧道距離基坑邊線水平距離不足3.0m?；?xùn)|側(cè)為及南側(cè)為在建某銀行大樓深基坑工程，基坑和周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 基坑、監(jiān)測點和周邊環(huán)境圖

圖2 基坑支護工程典型剖面圖

2 初步設(shè)計方案

基坑北側(cè)和西側(cè)采用永久支護結(jié)構(gòu)支擋，邊坡工程安全等級為一級。北側(cè)邊坡穩(wěn)定性受巖體自身強度控制，邊坡破裂角為59°，初步設(shè)計方案采用板肋式錨桿擋墻支護，為避免影響淺埋電纜隧道，板肋式錨桿擋墻上部采用“短錨桿”?；又ёo工程典型剖面見圖2(a)。西側(cè)基坑邊坡坡向與巖層層面方向一致，為順向坡，邊坡穩(wěn)定性由軟弱夾層發(fā)育程度和巖層傾角決定，在開挖過程中可能出現(xiàn)沿砂泥巖軟弱夾層滑動破壞。設(shè)計采用肋柱式錨索(桿)擋墻進行支護，上部4排錨桿作為基坑開挖深度在10m以內(nèi)時的穩(wěn)定性控制及安全儲備用，中間5排錨索承擔順向坡產(chǎn)生的下滑力，下部2排構(gòu)造錨桿用于鎖住坡腳并控制坡腳位移。基坑支護工程典型剖面見圖2(b)。基坑?xùn)|側(cè)和南側(cè)為已開挖的基坑工程，因此僅為臨時支護結(jié)構(gòu)，本文不做詳述。

3 試驗方案、結(jié)果及分析

3.1 巖體直剪試驗

基坑邊坡穩(wěn)定性受緩傾角巖層層面及外傾裂隙面控制，泥巖和砂巖層面夾薄層狀泥化夾層，為軟弱結(jié)構(gòu)面。準確獲取軟弱層面的抗剪強度參數(shù)是邊坡穩(wěn)定性分析和支護設(shè)計的關(guān)鍵[8]?；娱_挖前選擇在基坑原址旁基巖出露位置進行大型直剪試驗，如圖3所示。

圖3 巖石直剪試驗位置圖

3.1.1 試驗方案

試驗依照國家標準《工程巖體試驗標準》(GB/T 50266—2013)、地方標準《工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(DBJ 50/T-043—2016)的有關(guān)規(guī)定進行，本次試驗采用平推法。具體試驗方法如下：

(1)法向荷載施加

最大法向應(yīng)力依次為40，80，120，160，200kPa，每級法向荷載分4～6次等量施加。每施加一次法向荷載，間隔5min測讀一次法向變形，即可施加下一次法向荷載，當加到最后一次法向荷載時，仍按上述時間讀數(shù)，如連續(xù)兩次法向變形讀數(shù)差不超過0.0lmm時，可開始施加剪切荷載。

(2)剪切荷載施加

開始時按預(yù)估最大剪切荷載的8%分級施加，施加每級剪切荷載后即測讀一次剪切變形和法向變形，隔5min再測讀一次，以此類推，直至本級施加的剪切荷載所引起的剪切變形為前一級剪切荷載所產(chǎn)生的剪切變形的1.5倍左右時，剪切荷載改為預(yù)估最大剪切荷載的4%等量施加，直至剪斷。原位巖體直剪試驗現(xiàn)場見圖4。

圖4 原位巖體直剪試驗現(xiàn)場

3.1.2 試驗結(jié)果

在現(xiàn)場選取4個試驗體進行直剪試驗，四組巖體大面積直剪試驗均沿預(yù)定剪切面剪斷，峰值明顯。各組試驗的各個巖性一致、剪斷層面一致、剪斷方向代表了巖層滑動方向，相互無不良應(yīng)力影響，客觀反映了各試驗層面的剪切性能。剪切滑面由泥質(zhì)、礦物質(zhì)充填且具光滑鏡面，摩擦抗剪強度低。部分剪切面明顯含礦物質(zhì)，且剪切面以下少數(shù)砂巖區(qū)開始風化，局部軟弱層有滲水的情況。試驗結(jié)果如表1所示。

各試樣直剪試驗結(jié)果 表1

根據(jù)本次試驗結(jié)果并結(jié)合地勘報告，綜合分析后，建議砂泥巖界面天然狀態(tài)下黏聚力c取25.0kPa，內(nèi)摩擦角φ取14.0°；砂泥巖界面飽和狀態(tài)下黏聚力c取14.8kPa，內(nèi)摩擦角φ取11.0°，砂巖飽和狀態(tài)下黏聚力c取65.0kPa，內(nèi)摩擦角φ取29.0°。

3.2 錨桿(索)相關(guān)試驗

初步設(shè)計方案所采用的錨桿(索)參數(shù)多為經(jīng)驗參數(shù)，而巖土層的分布、鉆孔、注漿等影響因素十分復(fù)雜，錨桿正式施工前有必要進行現(xiàn)場拉拔試驗，目的是為了判明實際施工的錨桿能否滿足設(shè)計要求的性能。若不能滿足時，應(yīng)及時修改設(shè)計或采取補救措施，以保證錨桿工程的安全。

本次錨桿(索)試驗包括錨索錨固段應(yīng)力分布試驗、錨桿(索)拉拔試驗和錨桿(索)蠕變試驗。

錨桿(索)試驗包括1#～7#錨索和8#～11#錨桿(位置見圖2)。砂漿強度等級為M30，錨固傾角為15°，其余參數(shù)如表2所示。

錨桿(索)測試參數(shù) 表2

3.2.1 錨索錨固段應(yīng)力分布試驗

(1)試驗方案

試驗選取1#～3#錨索進行試驗。錨索錨固段長度為7.5m，自由段長度為19.5m。在錨索錨固段不同位置安放內(nèi)埋式應(yīng)變計，錨頭位置設(shè)置錨索測力計，布置如圖5所示。

圖5 內(nèi)埋式應(yīng)變計及錨索測力計布置示意圖

(2)試驗結(jié)果及分析

從15d(錨索鎖定完成日計為0d)起對1#～3#錨索錨固段應(yīng)變進行為期10d的數(shù)據(jù)采集觀察。由于3根錨索測試所得應(yīng)變分布規(guī)律近乎一致，取1#錨索的試驗結(jié)果進行分析。圖6為1#錨索應(yīng)變隨錨固段長度變化曲線(應(yīng)變值取10d內(nèi)采集數(shù)據(jù)的平均值)。錨索在鎖定后錨固段應(yīng)變在起始端最大，隨著錨固段長度的增加逐漸減小，呈近雙曲線型分布[9]。錨索應(yīng)變在錨固段0～3.0m范圍內(nèi)衰減較快，在3.0～7.5m范圍內(nèi)緩慢降低。

圖6 1#錨索應(yīng)變-錨固段長度曲線

圖7 1#錨索預(yù)應(yīng)力-時間曲線

從錨索從鎖定之日開始進行為期60d的預(yù)應(yīng)力數(shù)據(jù)采集，圖7為1#錨索預(yù)應(yīng)力隨時間變化曲線。1#錨索在張拉后0～60d內(nèi)總預(yù)應(yīng)力損失為11.2%。在鎖定后0～15d內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失為9.4%，在張拉后16～60d以內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失為1.8%，錨索預(yù)應(yīng)力損失在鎖定后初期較大，后期趨于穩(wěn)定。

圖8 1#錨索軸力-錨固段長度曲線

圖8為測試15d時1#錨索錨固段軸力與錨固段長度關(guān)系曲線。由于錨索自由段沿長度方向軸力相等，因此由錨索測力計測得的錨頭處軸力與錨固段長度為0時錨索軸力大小相等。假定錨索張拉后錨固段變形處于彈性變形階段，除錨固段初始位置以外，其余錨固段的應(yīng)力利用測得的應(yīng)變值，根據(jù)力學(xué)彈性理論胡克定律計算得到，然后根據(jù)已知的錨固段截面面積將應(yīng)力換算成錨固段軸力。從圖8可看出，錨索錨固段軸力分布規(guī)律和應(yīng)變分布規(guī)律基本一致。

3.2.2 錨桿(索)拉拔試驗

(1)試驗方案

選取4#～6#錨索和8#～10#錨桿進行拉拔試驗，主要目的是確定錨桿(索)極限承載力和變形參數(shù)，檢驗錨桿設(shè)計參數(shù)和施工工藝。最大試驗荷載不宜超過桿體承載力標準值的0.9倍，4#～6#錨索最大試驗荷載值取2 094kN，8#～10#錨桿最大試驗荷載值取665kN。

試驗采用單循環(huán)加、卸載法，為了使加載裝置與反力裝置緊密貼合，試驗前對桿體進行預(yù)拉，預(yù)拉荷載取最大試驗荷載的5%。加、卸載等級、測讀間隔時間按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)[10]表C.2.4要求進行。

(2)試驗結(jié)果及分析

由于各錨索和錨桿測試所得變形規(guī)律相近，取4#錨索和8#錨桿作為代表對試驗結(jié)果進行描述分析。4#錨索循環(huán)加載時荷載和錨頭總位移關(guān)系曲線見圖9。荷載與錨頭塑性位移、彈性位移關(guān)系曲線，見圖10。

8#錨桿循環(huán)加荷時荷載和錨頭總位移關(guān)系曲線見圖11。荷載與錨頭塑性位移、彈性位移關(guān)系曲線，見圖12。

由圖9～12可以看出，錨頭塑性位移和彈性位移均隨荷載增大而增加，且在相同荷載條件下，前一次循環(huán)加(卸)荷載產(chǎn)生的總位移比后一次循環(huán)加(卸)荷載產(chǎn)生的總位移小。

3.2.3 錨桿(索)蠕變試驗

(1)試驗方案

取7#錨索和11#錨桿進行蠕變試驗，在每級荷載下按時間間隔1，2，3，4，5，10，15，20，30，45，60，75，90，120，150，180，210，240，270，300，330，360min記錄蠕變量。

圖9 4#錨索荷載與錨頭總位移關(guān)系曲線

圖10 4#錨索荷載與錨頭彈性位移、塑性位移關(guān)系曲線

圖11 8#錨桿荷載與錨頭總位移關(guān)系曲線

圖12 8#錨桿荷載與錨頭彈性位移、塑性位移關(guān)系曲線

圖13 7#錨索蠕變量-時間對數(shù)(s-lgt)曲線

圖14 11#錨桿蠕變量-時間對數(shù)(s-lgt)曲線

(2)試驗結(jié)果及分析

7#錨索蠕變量-時間對數(shù)(s-lgt)曲線見圖13。蠕變率Kc由下式計算：Kc=(s2-s1)/(lgt2-lgt1)，其中：s1為t1時所測得的蠕變量；s2為t2時所測得的蠕變量。蠕變率計算結(jié)果見表3。

7#錨索蠕變率計算 表3

11#錨桿蠕變-時間對數(shù)(s-lgt)曲線見圖14，蠕變率計算結(jié)果見表4。

11#錨桿蠕變率計算 表4

試驗測得錨桿(索)的蠕變率偏低，說明錨桿(索)錨入穩(wěn)定較完整巖石一定長度后，錨固體與巖石的黏結(jié)性能較好，錨桿(索)張拉力無明顯下降，驗證了錨桿(索)在該基坑支護工程中的有效性。

4 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 數(shù)值模擬

為了進一步驗證支護效果的可靠性，利用大型有限元MIDAS GTS 軟件對本基坑工程進行了數(shù)值模擬。基坑西側(cè)邊坡的數(shù)值計算結(jié)果已在文獻[1]中利用ANSYS軟件進行了詳細的分析。本節(jié)主要針對基坑北側(cè)邊坡進行數(shù)值模擬，簡要分析基坑邊坡的位移、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力等情況，基坑開挖完成后有限元模型見圖15，擬建結(jié)構(gòu)與隧道空間位置關(guān)系見圖16。

模型區(qū)域：有限元模型總尺寸為135×112×68m，垂直隧道軸線方向(X方向)長135m，模型邊界距連拱隧道兩側(cè)邊線分別為30，80m；平行隧道軸線方向(Z方向)長112m；豎直方向(Y方向)長68m，底部距離隧道底板約5倍隧道高度。約束模型側(cè)面邊界水平位移和底面豎直方向位移。巖土體采用實體單元模擬，隧道襯砌采用板單元模擬，支護結(jié)構(gòu)肋柱采用梁單元模擬，支護結(jié)構(gòu)錨桿及隧道錨桿均采用植入式桁架單元模擬。模擬計算采用D-P準則，巖土體強度參數(shù)指標和錨桿力學(xué)性能指標根據(jù)地勘報告并結(jié)合3.1節(jié)獲得的試驗參數(shù)取值，見表5。

圖15 基坑開挖完成后有限元模型

圖16 擬建結(jié)構(gòu)與隧道空間位置關(guān)系

利用有限元模擬基坑開挖和支護過程，按照逆作法施工，每階開挖高度不超過4.0m。經(jīng)計算，最后一階開挖完成后基坑頂部最大水平位移值為4.0mm，錨桿最大軸力450kN，肋柱最大彎矩為240kN·m，最大剪力為420kN，以上指標均滿足規(guī)范要求。

巖土體及支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)計算參數(shù) 表5

4.2 現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測

為了確保安全，自施工初期到工程交付運營后都進行了嚴格的動態(tài)監(jiān)測工作。監(jiān)測內(nèi)容包含基坑坡頂鄰近建(構(gòu))筑物及道路豎向位移、基坑鄰近巖土體深層水平位移(測斜)、坡頂豎向和水平位移位移、錨桿應(yīng)力、錨索應(yīng)力、基坑北側(cè)地鐵隧道和南側(cè)連拱隧道的拱頂下沉及水平位移，主要監(jiān)測點的位置見圖1。

監(jiān)測結(jié)果表明，上述各指標的監(jiān)測值都未達到預(yù)警值，其中基坑北側(cè)側(cè)壁最大水平位移為6.8mm，基坑西側(cè)側(cè)壁最大水平位移為11.25mm；江溉路隧道拱頂最大沉降為0.60mm；地鐵6號線隧道拱頂最大沉降為0.60mm；江溉路隧道最大水平位移為0.92mm；地鐵6號線隧道最大水平位移為0.72mm。

綜上所述，判定本基坑支護結(jié)構(gòu)在基坑開挖施工期間、施工運營期間處于穩(wěn)定狀態(tài)。目前，基坑已回填，主體結(jié)構(gòu)竣工驗收滿5年，周邊建(構(gòu))筑物未受基坑開挖的影響，支護效果良好，達到了預(yù)期目的。

5 結(jié)論

(1)準確獲取場地巖土體強度參數(shù)指標和錨桿(索)力學(xué)性能指標是基坑支護工程的前提和關(guān)鍵。前期選取試驗場地進行原位巖體直剪試驗和錨桿(索)力學(xué)性能試驗，所取得的試驗參數(shù)作為進一步指導(dǎo)基坑支護工程設(shè)計的重要依據(jù)，以保證基坑支護工程的安全。

(2)錨索在鎖定后，錨固段應(yīng)變在起始端最大，隨著錨固段長度的增加迅速衰減，呈近雙曲線型分布。錨索應(yīng)變在錨固段0～3.0m范圍內(nèi)迅速衰減，在3.0～7.5m范圍內(nèi)緩慢減小到0。

(3)錨索預(yù)應(yīng)力損失在鎖定后0～15d左右偏大，后期預(yù)應(yīng)力損失量較小，基本維持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。預(yù)應(yīng)力損失有明顯的時間效應(yīng)。因此，在實際工程中應(yīng)加強預(yù)應(yīng)力錨索鎖定初期的應(yīng)力檢測，防止預(yù)應(yīng)力損失超出允許范圍而造成安全隱患。

(4)通過現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的綜合分析，本工程支護各項指標均滿足規(guī)范要求，驗證了錨桿(索)支擋結(jié)構(gòu)體系的有效性。本工程已順利竣工驗收并投入使用，基坑支護方案和施工工藝得到了檢驗。