明挖膨脹土質(zhì)隧道基坑穩(wěn)定性研究

齊 甦，曾稷威，于湘東，方博文

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074；2.中鐵十局集團(tuán)有限公司 ，濟(jì)南 250101)

特殊土問題不斷困擾工程設(shè)計(jì)、施工，不合適的處理措施嚴(yán)重影響到工程的施工及運(yùn)營安全。而膨脹土的反復(fù)脹縮性、多裂隙性、超固結(jié)性及強(qiáng)度衰減性易對土體穩(wěn)定性產(chǎn)生危害性影響[1]。例如，早在20世紀(jì)70年代，南水北調(diào)中線在膨脹土地段引渠時(shí)，就發(fā)生過13處大滑坡[2]。因此，對膨脹土基坑變形、穩(wěn)定性研究具有重要意義。

人們最早注意到膨脹土對工程造成的影響是來自美國的俄勒岡州的某一地下工程[3]，隨后學(xué)者們針對膨脹土進(jìn)行了大量的研究。沈珠江、米占寬[4]應(yīng)用非飽和土固結(jié)理論，模擬了膨脹土渠道邊坡在人工降雨過程中孔隙壓力變化和變形的發(fā)展過程。陳新苗[5]分析了引江濟(jì)淮工程沿線膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)和脹縮性指標(biāo)。繆林昌、鐘曉晨、袁宗平[6]認(rèn)為膨脹土的強(qiáng)度與含水量密切相關(guān)，即膨脹土的含水量強(qiáng)烈影響著峰值強(qiáng)度、穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度的變化。石北嘯，陳生水，韓華強(qiáng)等[7]分析了晴雨變化下的基坑穩(wěn)定性。夏偉、楊立功[8]等將溫度場與濕度場等效，研究了膨脹土基坑回填的機(jī)理。張?zhí)畦?、馬麗娜、張戎令[9]等通過滲流試驗(yàn)，得出了膨脹曲線分為快速膨脹、外凸弧線減速膨脹和穩(wěn)定階段3部分組成。

筆者結(jié)合隧道施工組織設(shè)計(jì)、土方開挖方案和具體工程地質(zhì)概況，借助Flac3D軟件建立力學(xué)模型，運(yùn)用有限元分析法研究基坑的穩(wěn)定性。

1 隧道工程概況

該隧道為雙線隧道，兩線間距為4.8 m，坡度設(shè)計(jì)為11.5‰。隧道進(jìn)口樁號DK105+710，出口樁號DK106+630，全長920 m，隧道內(nèi)設(shè)計(jì)有1處綜合輔助洞室，與隧道軸線正交，最大埋深28 m，隧道基坑最大開挖高度36.38 m，屬深基坑范疇。隧道基坑DK105+756～DK106+564段經(jīng)討論決定變更為明挖法施工，采用分級放坡開挖基坑，基坑邊坡最高為五級，最大邊坡高度36.38 m，順筑法澆筑襯砌混凝土。

隧道基坑區(qū)位于東西走向的陰山山脈復(fù)雜構(gòu)造帶南部，中朝準(zhǔn)地臺燕山沉降帶與內(nèi)蒙地軸分界處北部內(nèi)陸湖盆。第三系上新統(tǒng)巖層中為不發(fā)育的斷裂及褶皺構(gòu)造，巖層構(gòu)造走向約NE40°，傾向ES20°，雪峰期、燕山期地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)明顯可見。該隧道處于相對穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境，未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)的大斷裂，未見不良地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造簡單，區(qū)域地質(zhì)較穩(wěn)定，相對適應(yīng)于隧道工程建設(shè)。

隧道基坑主要穿越第三系砂巖、泥巖，隧道進(jìn)出口及洞身局部覆蓋有第四系全新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土。

2 基坑膨脹土特點(diǎn)

通過加載完成直剪試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場各組數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。場區(qū)土層為中壓縮性土，結(jié)合坑內(nèi)土體新鮮面的性態(tài)與特征等特點(diǎn)，這種高液限中壓縮可塑態(tài)非飽和的膨脹土質(zhì)基坑極易因?yàn)榈乇硭换驈?qiáng)降雨而導(dǎo)致含水率的變化誘使基坑側(cè)壁滑移產(chǎn)生額外荷載[10-11]，引起基坑整體支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，甚至失穩(wěn)破壞，產(chǎn)生大體積塌方[12]。

表1 膨脹土試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.1 Expansive soil test statistics data

3 基于FLAC3D的基坑穩(wěn)定性研究

3.1 模型尺寸及邊界條件

土方開挖過程采用空模型(Null)模擬，基坑土體模擬用摩爾-庫侖模型(Mohr-Coulomb)，劃定模擬基坑范圍的先決條件是確定能覆蓋基坑開挖影響的區(qū)域，并且計(jì)算效率在此條件下必須得以滿足。模型尺寸為長450 m×寬2 m×高107 m，模型包含開挖土體、計(jì)算范圍內(nèi)巖土體、錨索、灌注樁及支撐等。土體和灌注樁的計(jì)算模型采用brick單元網(wǎng)格，支撐和錨索體系采用結(jié)構(gòu)單元?；硬捎门艠?錨索+內(nèi)支撐圍護(hù)體系，邊坡防護(hù)采用骨架護(hù)坡形式——錨索框架梁+植草綠化的形式，錨索錨固于框架梁上。網(wǎng)格劃分以開挖面密集向外稀疏為原則，最終模型共使用25 276個(gè)實(shí)體單元。在模型的底面處施加豎向約束，在模型的側(cè)面處施加水平約束，數(shù)值分析模型如圖1所示。

1-a 基坑數(shù)值分析圖1-b 數(shù)值分析網(wǎng)格圖圖1 數(shù)值分析模型圖Fig.1 Numerical analysis model

為簡化計(jì)算，基坑的一側(cè)設(shè)置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，基坑底部設(shè)置1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，在混凝土支撐1和鋼支撐2中安置軸力計(jì)，在鉆孔灌注樁的鋼筋上每隔1 m放置一個(gè)鋼筋計(jì)，如圖2所示。

3.2 施工工況模擬步驟

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of monitoring points

該工程基坑施工分為1個(gè)初始平衡步和3個(gè)開挖及支撐架設(shè)步，詳細(xì)計(jì)算步驟及模擬方案如表2所示。在FLAC3D建立模型模擬中，初始平衡模擬計(jì)算分析是在建立土體模型開挖前，重力導(dǎo)致的位移需要進(jìn)行歸零，同時(shí)初始應(yīng)力應(yīng)該保留以備后用；接著基坑模型的第一步開挖利用Model Null命令來完成，這就是模擬中常說的平衡計(jì)算，施做錨桿支護(hù)；繼續(xù)向下開挖與架設(shè)不同材質(zhì)的支撐，直至基坑開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高，獲得開挖完成后的應(yīng)力場和位移場。

表2 基坑計(jì)算步驟及施工模擬方案Tab.2 Calculation steps and construction simulation scheme of foundation pit

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

土體在開挖前的穩(wěn)定狀態(tài)是其自重沉積固結(jié)作用下得到的結(jié)果，基坑開挖就是把這部分穩(wěn)定的土體移走，所以整個(gè)開挖模擬計(jì)算過程中，要想得到基坑開挖前的原狀土應(yīng)力狀態(tài)，必須模擬土體自重作用下沉積固結(jié)達(dá)到平衡狀態(tài)[13]。以下為模型計(jì)算結(jié)果。

4.1 坑底隆起與地表沉降預(yù)測

雨季來臨前后監(jiān)測點(diǎn)垂直變化如圖3所示。監(jiān)測點(diǎn)1、2自第一次開挖至最后一次開挖過程中發(fā)生連續(xù)沉降，其中坡肩處監(jiān)測點(diǎn)1的沉降最為明顯，最終沉降量約25 mm。監(jiān)測點(diǎn)2、3自第一次開挖后出現(xiàn)回彈變形，然后持續(xù)沉降。第二次開挖以后，監(jiān)測點(diǎn)4、5發(fā)生向上回彈，隨著計(jì)算的進(jìn)行回彈量逐漸趨于穩(wěn)定，在18～20 mm。監(jiān)測點(diǎn)6由于土體開挖深度最大，土體卸荷最多，膨脹應(yīng)力發(fā)展較多，回彈量最大，約為29 mm。

3-a 雨季來臨前3-b 雨季來臨后圖3 雨季來臨前后監(jiān)測點(diǎn)1～6垂直位移隨時(shí)間步變化圖Fig.3 Vertical displacement of monitoring points 1～6 with time step before and after rainy season

監(jiān)測點(diǎn)1、2雨季后自第一次開挖至最后一次開挖過程中發(fā)生連續(xù)沉降，其中坡肩處監(jiān)測點(diǎn)1的沉降最為明顯，由于降雨原因，較雨季前更快達(dá)到最大值，最終沉降量約25.4 mm。監(jiān)測點(diǎn)3自第一次開挖后出現(xiàn)一定的回彈變形，隨后又發(fā)生沉降，再第二次開挖以后又開始向上隆起，之后又發(fā)生一點(diǎn)沉降，最終隆起量在10 mm左右。第二次開挖以后，監(jiān)測點(diǎn)4、5也發(fā)生向上回彈，到第三次開挖后回彈量繼續(xù)增加，隨著計(jì)算的進(jìn)行回彈量逐漸趨于穩(wěn)定，在32～34 mm。監(jiān)測點(diǎn)6自第三次開挖后急劇回彈，整體回彈量最大，約為44 mm。相比降雨前，降雨之后的坑底隆起量和坡肩沉降量均有所增加，但對坑底隆起的影響要大于沉降的。

4-a 雨季來臨前4-b 雨季來臨后圖4 雨季來臨前后最大支撐軸力圖Fig.4 Diagram of maximum support axis before and after rainy season

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)測

對混凝土支撐和鋼支撐這兩種水平支撐的最大支撐軸力進(jìn)行了各工況下的預(yù)測。由圖4可知，支撐軸力呈逐漸變大趨勢，隨著計(jì)算的進(jìn)行，支撐軸力漸漸地達(dá)到穩(wěn)定值，并且施工現(xiàn)場軸力計(jì)實(shí)際測量到的水平支撐的軸力值均未超過設(shè)計(jì)值范圍，表明水平支撐能夠滿足該基坑安全支護(hù)的要求。相比降雨前，砼支撐最大支撐軸力由1.07 MPa增加到1.26 MPa，但這時(shí)候兩種不同材質(zhì)的支撐實(shí)測軸力最大值仍然沒有超過設(shè)計(jì)文件的設(shè)計(jì)值范圍，說明水平支撐在降雨條件下也可以保證基坑安全穩(wěn)定施工。

圖5 樁撓曲變形曲線圖Fig.5 Deflection curve of pile

4.3 灌注樁撓曲變形預(yù)測

由圖5可知，樁身在嵌固段(第二道支撐以下)的位置變形相對較小，在自由段(兩道支撐之間)水平位移較為明顯，表現(xiàn)為受土體壓力擠壓向外凸起，樁頂由于支撐的作用，位移量有所減小。樁身整體變形大致呈現(xiàn)為中間大、兩頭小的模式。與雨季來臨前的撓曲變形對比，由于降雨之后，水分入滲，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，以及膨脹應(yīng)力作用，灌注樁變形明顯增加，樁身位移均呈現(xiàn)出中間凸起的模式，但考慮了在膨脹應(yīng)力條件的降雨條件下，樁身整體位移明顯增加，約為43 mm，是雨季來臨前水平位移的2倍。

5 監(jiān)控量測及其效果評價(jià)

5.1 現(xiàn)場監(jiān)控量測

由于地質(zhì)條件、荷載條件、受力狀態(tài)、施工條件、機(jī)械種類以及其他因素的復(fù)雜性，目前基坑工程的發(fā)展仍不完善。單純通過理論來預(yù)測解決工程中可能遇到的問題十分困難，并且理論預(yù)測值無法全面準(zhǔn)確地反映工程變化。因此，有必要結(jié)合理論分析進(jìn)行有計(jì)劃的現(xiàn)場監(jiān)測。

5.2 監(jiān)測斷面選擇

為了經(jīng)濟(jì)、有效地得到監(jiān)測數(shù)據(jù)，合理、系統(tǒng)地分析量測數(shù)據(jù)，以盡可能少的監(jiān)測點(diǎn)滿足基坑安全穩(wěn)定性監(jiān)控量測的要求，特殊情況的布置特殊確定。

選取地表沉降、坑底隆起、樁體撓曲變形和支撐軸力量測的監(jiān)測斷面在同一斷面上，本文選擇ZK106+121、ZK106+130和ZK106+139三個(gè)斷面的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并將監(jiān)測處理結(jié)果與模擬結(jié)果對比。

5.3 隧道基坑施工效果評價(jià)

5.3.1 坑底隆起效果評價(jià)

基坑組織排水，降雨過后，土體含水率減小，土體出現(xiàn)了短期階段的下沉，在圖6中可以明顯看出，膨脹土因暴雨的影響而吸水急劇膨脹，膨脹速率大幅增大，峰值出現(xiàn)；接著天氣放晴，坑底積水大部分排出，膨脹土由于失水、浮力消失，從而快速收縮，膨脹速率出現(xiàn)谷值，之后土體的隆起態(tài)勢回歸降雨之前的走勢，隆起速率逐漸變小，隆起量趨于穩(wěn)定。和圖3中位于坡底的監(jiān)測點(diǎn)4、5、6的模擬情況對比，曲線變化的時(shí)間點(diǎn)與監(jiān)測數(shù)據(jù)所展現(xiàn)的有微小的不同，但總體來說，兩者的變化趨勢相似度很高。這可以說明，在模型建立過程，膨脹土吸水后的膨脹應(yīng)力用矩形加載的方式來等效施加，模擬出來的結(jié)果對實(shí)際施工具有指導(dǎo)作用，這種處理方法比三角形分布加載方式較為簡便。

6-a 隆起累積圖6-b 隆起速率圖圖6 隆起監(jiān)測圖Fig.6 Uplift monitoring diagram

5.3.2 地表沉降效果評價(jià)

從圖7中可知，第一次開挖后的初期，地表沉降比較明顯，由于時(shí)間的累加，沉降速率會(huì)減小。當(dāng)降雨后，膨脹土水平方向膨脹量比垂直方向大，再加上土體重度加大，地沉降的沉降速率短時(shí)間內(nèi)有明顯的增大。隨著時(shí)間的推移，降雨的影響會(huì)越來越弱，沉降速率再次減小，28 d后沉降量趨于穩(wěn)定，達(dá)到收斂狀態(tài)，與圖3中位于坡頂監(jiān)測點(diǎn)1模擬結(jié)果綜合比較，兩者收斂于相近的沉降量。

7-a 沉降累積圖7-b 沉降速率圖圖7 沉降監(jiān)測圖Fig.7 Settlement monitoring diagram

ZK106+121、ZK106+130和ZK106+139三個(gè)斷面的沉降趨勢基本一致，最終沉降量也在監(jiān)測控制值范圍之內(nèi)。從沉降速率的監(jiān)測效果來看，開挖后的初期和降雨后的影響初期，沉降速率會(huì)比較大，沉降量較快增加，出于監(jiān)測基準(zhǔn)和基坑安全的考慮，在這兩個(gè)時(shí)間段要更加重視監(jiān)測，尤其是降雨過后初期。

5.3.3 支撐軸力效果評價(jià)

雨季前土體的擠壓對砼支撐和鋼支撐軸力的影響與雨季后的不同，為對比兩者的區(qū)別，選取雨季前和雨季后的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 ZK106+121斷面的樁體撓曲變形數(shù)據(jù)在雨季前監(jiān)測統(tǒng)計(jì)得到，ZK106+229斷面的數(shù)據(jù)則是雨季后得到的，由圖8可知，支撐在開挖后處在臨空狀態(tài)的初期，軸力急劇增加，曲線接近于豎直的直線，土體繼續(xù)開挖，曲線斜率較快減小，曲線的線型趨于水平，在降雨前后均出現(xiàn)了與圖4模擬結(jié)果相同的變化趨勢。雨季后開挖初期的砼支撐突變值比雨季前的大，這是由于基坑中的膨脹土體吸水后，對樁體較大的擠壓作用主要來自于基坑外部膨脹土體水平方向膨脹力。之后的軸力變化趨勢，兩者則是一致的，雨季后的軸力最大值比雨季前的大，這是因?yàn)榛油獠客馏w吸水后，土體重度增大是膨脹土膨脹的原因。

8-a 121斷面支撐軸力8-b 226斷面支撐軸力圖8 支撐軸力圖Fig.8 Supporting shaft diagram

圖9 樁體撓曲變形圖Fig.9 Deflection deformation of pile diagram

5.3.4 樁體撓曲變形效果評價(jià)

從圖9中可以看出，雨季后的最大撓曲變形量約是雨季前的2倍，該現(xiàn)象充分說明膨脹土吸水后膨脹作用對樁體的撓曲變形影響很大，從而表明膨脹土的膨脹作用對基坑的穩(wěn)定性有很大的危害，再次提醒對雨季期間的監(jiān)測要更加重視。對比模擬分析圖5，監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值模擬呈現(xiàn)的結(jié)果，兩者差別很小，這種變形類似簡支梁在均布荷載作用下所產(chǎn)生的變形，最大變形出現(xiàn)的位置差別可以說明樁體外側(cè)的土體向基坑內(nèi)的擠壓作用不是矩形分布。

6 結(jié)論

通過先進(jìn)行理論分析、雨季來臨前和雨季來臨后兩種數(shù)值模擬對比分析，再開始現(xiàn)場施工實(shí)踐，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)做最后的驗(yàn)證，本文得出以下結(jié)論：

(1)隨著基坑的逐漸開挖，土體在豎直方向(地表沉降、坑底隆起)和水平方向(樁體撓曲變形)均發(fā)生位移，且有著增長的趨勢。但隨著開挖的繼續(xù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，豎直方向與水平方向的位移逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)對比非降雨和降雨兩種工況，降雨后兩個(gè)方向上最大位移值和支撐軸力有所增大。因此，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)和膨脹應(yīng)力對土體加固和位移控制有明顯作用。從中模擬結(jié)果可看出，針對此類特殊土質(zhì)工程，需要特別注意特殊土質(zhì)的特性對基坑穩(wěn)定性的影響，需要在施工過程中嚴(yán)格根據(jù)監(jiān)測要求進(jìn)行監(jiān)測。

(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明降雨對該隧道基坑的變形有很大影響。對本文選取的監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得到地表沉降和坑底隆起的三階段變化規(guī)律：急劇變形—緩慢變形—基本穩(wěn)定，變化趨勢與數(shù)值模擬結(jié)果大致相同，且兩者的最終累計(jì)量均在監(jiān)控量測相關(guān)規(guī)范的控制值之內(nèi)，以后類似基坑工程的施工可以借鑒本基坑相關(guān)內(nèi)容。