土巖組合深基坑樁撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性研究

韋 康,王立峰,王 珂,壽凌超

(浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,杭州 310023)

浙江省金華地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)為土巖組合地層,下部主要為風(fēng)化巖層,土體強(qiáng)度高,直立性較好。目前金華地區(qū)深基坑常用的基坑支護(hù)方式主要有放坡、土釘墻、樁加內(nèi)支撐等,相對(duì)而言樁加內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)成本較高,但具有支撐體系較安全、對(duì)位移限制效果較好和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn),因而在江浙地區(qū)尤其是軟土地區(qū)運(yùn)用較廣泛。軟土地區(qū)圍護(hù)樁(墻)插入比較高,一般在1.2～2.0,插入深度一般在15～35 m;而巖石地區(qū),插入比在0.3～0.5,插入比較小,插入深度一般在4～6 m?；臃€(wěn)定性是基坑設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中極為重要的指標(biāo),因此風(fēng)化巖層中過(guò)小的樁插入比能否保證基坑的穩(wěn)定成為土巖組合地區(qū)基坑支護(hù)重要的工程問(wèn)題。基坑抗傾覆穩(wěn)定性與樁(墻)嵌入深度、地層條件、開(kāi)挖深度等因素的關(guān)系較大,相比基坑坑底隆起和滑移破壞,基坑的抗傾覆穩(wěn)定性更為重要。

在不同土層結(jié)構(gòu)地區(qū)基坑穩(wěn)定性有所差異。對(duì)于粉土和砂土地區(qū),許有俊等[1]指出基坑穩(wěn)定性主要由抗力系數(shù)決定。對(duì)于軟土地區(qū),由于土體力學(xué)參數(shù)數(shù)值較低,更容易發(fā)生塑性流動(dòng),基坑穩(wěn)定性更容易遭到破壞[2]。黃湖亮[3]的研究發(fā)現(xiàn)在軟土地區(qū),基坑的整體穩(wěn)定性與基坑寬度呈負(fù)相關(guān),與樁插入比呈正相關(guān)。鄭剛等[4]的研究得出在以黏性土為主的軟土地區(qū),基坑抗隆起穩(wěn)定性與基坑開(kāi)挖后擱置時(shí)間的長(zhǎng)短呈負(fù)相關(guān)。廖英[5]采用結(jié)構(gòu)可靠度理論來(lái)研究基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性,得出可靠度分析法比安全系數(shù)分析法對(duì)穩(wěn)定性的分析更加保守。秦高峰等[6]運(yùn)用可靠度理論分析得出軟土地區(qū)抗傾覆穩(wěn)定性比抗隆起穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性更難滿足,是穩(wěn)定性研究的重點(diǎn)。不少研究者對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的探索,陽(yáng)吉寶[7]運(yùn)用敏感度分析法得出,在寧波軟土地區(qū),基坑開(kāi)挖深度和圍護(hù)樁長(zhǎng)度是影響基坑抗傾覆系數(shù)的2個(gè)重要因素;毛明強(qiáng)等[8]通過(guò)計(jì)算得出內(nèi)摩擦角對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性的影響要比黏聚力大;李松等[9]改進(jìn)了雙排樁抗傾覆安全系數(shù)計(jì)算方法,并得出抗傾覆穩(wěn)定性隨支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度的增加先減后增。對(duì)于土巖組合地區(qū),李嵩[10]指出抗剪強(qiáng)度的折減是影響支護(hù)抗傾覆穩(wěn)定性的重要因素。周學(xué)[11]針對(duì)高膨脹性土巖組合地質(zhì)建立了基坑支護(hù)抗傾覆功能函數(shù)。上述研究者大多對(duì)黏土、淤泥質(zhì)土等軟土地區(qū)的基坑穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和探討,并得到了較為豐富的研究成果,而針對(duì)土巖組合地區(qū)抗傾覆穩(wěn)定性的研究尚較為缺乏。土巖二元組合地層較為特殊,一般上部為軟土,下部為強(qiáng)(中)風(fēng)化巖石,上部土層強(qiáng)度較低,下部較高,接觸面容易發(fā)生滑動(dòng)。為了探究土巖二元組合地層基坑抗傾覆穩(wěn)定性,我們以浙江金華、溫州和杭州富陽(yáng)等相似地質(zhì)條件下的地鐵基坑設(shè)計(jì)和施工為例,通過(guò)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的主動(dòng)和被動(dòng)土壓力、支撐軸力等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析,建立有限元模型,對(duì)典型土巖組合地層的樁撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力分布和抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到一些有益的結(jié)論,可為相似工程提供參考。

1 工程概況和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

1.1 工程概況

金華-義烏-東陽(yáng)市域軌道交通工程萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)站位于金華市李漁東路與東市街交叉口,沿李漁東路東西向設(shè)置,為地下2層島式車站。車站長(zhǎng)度為187.6 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬為19.7 m,盾構(gòu)段寬為24.6 m。車站主體為地下3層單柱雙跨矩形框架結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)段基底埋深為24.16 m,盾構(gòu)段基底埋深為25.99 m。建設(shè)區(qū)域處于金衢盆地東段,地貌類型為一級(jí)階地,地貌類型簡(jiǎn)單,不良地質(zhì)作用發(fā)育一般,地下水對(duì)工程影響較小。施工場(chǎng)地所在區(qū)域地層:表層多分布有人工填土;填土下為第四系松散沉積層;下伏基巖為粉砂巖、細(xì)砂巖,少量混雜中粗砂巖和砂礫巖。車站區(qū)域土層分布從上至下依次為素填土、粉砂、圓礫土、全風(fēng)化粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖和中風(fēng)化粉砂巖。巖土體物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理性質(zhì)參數(shù)

1.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)概況

車站主體采用明挖法(局部蓋挖)施工,基坑采用樁徑為1 m,間隔為1.2 m,鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐的支護(hù)方案。標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約為25 m,樁徑為1 m,樁間距為1.2 m,樁長(zhǎng)約為30 m,第一道支撐為混凝土支撐,其余2道為鋼支撐,圍護(hù)樁嵌入坑底以下巖層約5 m,車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

圖1 基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(單位:mm)

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

工程周邊監(jiān)測(cè)范圍取基坑開(kāi)挖深度的3倍,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有支撐軸力和土壓力等。使用土壓力盒測(cè)量作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力(量程為2 MPa),通過(guò)掛布法安裝在鋼筋籠的外表面,將觀測(cè)電纜進(jìn)行防水處理后通過(guò)波紋管引至地面,并設(shè)立醒目記號(hào)。主動(dòng)區(qū)一側(cè)分布的土壓力盒分別距離樁頂1.5、8.5、14.8、21.0、23.0、26.4、28.0 m;被動(dòng)區(qū)一側(cè)分布的土壓力盒分別距離樁頂1.5、8.5、14.8、20.0、24.0、26.4、28.0 m,兩側(cè)土壓力盒的連線與基坑排樁分布面呈90°,土壓力監(jiān)測(cè)布置如圖2所示。支撐軸力由鋼筋應(yīng)力測(cè)算得出,在進(jìn)行混凝土支撐架設(shè)模板前,將鋼筋應(yīng)力計(jì)焊接(或綁扎)在主筋上,應(yīng)力計(jì)的電纜線用PVC管保護(hù)后引出;對(duì)于鋼支撐,則是將軸力計(jì)在上述設(shè)計(jì)位置處焊接底座,把軸力計(jì)套進(jìn),將底座螺絲擰緊,隨鋼支撐固定到相應(yīng)的位置上。

圖2 土壓力監(jiān)測(cè)布置(單位:mm)

2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

2.1 土壓力分析

土壓力是土與擋土結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果,基坑開(kāi)挖過(guò)程中,土壓力是動(dòng)態(tài)變化的。影響土壓力分布的因素主要有開(kāi)挖深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移大小和方向、基坑開(kāi)挖時(shí)間、圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式及荷載等。土體與圍護(hù)樁的界面上常有較大的剪力,這是由于二者材料變形不同步,混凝土的變形小,土體的變形大,樁體受到摩阻力后便將荷載以剪力的形式轉(zhuǎn)移給樁體[12]。土壓力理論值一般采用朗肯(Rankine)土壓力理論計(jì)算,其公式為

(1)

(2)

式(1)～(2)中:Pa、Pp分別為主動(dòng)、被動(dòng)土壓力計(jì)算值;γ為土體天然重度;z為土層厚度;c為土體黏聚力。

圖3為標(biāo)準(zhǔn)段不同開(kāi)挖工況的主動(dòng)土壓力隨測(cè)點(diǎn)的分布,由圖可知:

圖3 主動(dòng)土壓力隨測(cè)點(diǎn)的分布

1)建造第一道支撐時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于懸臂狀態(tài),此時(shí)作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力呈三角形分布;隨著開(kāi)挖深度的增加,主動(dòng)土壓力在見(jiàn)巖面以下逐漸減小,在深度為22 m左右時(shí),達(dá)到最小值,以后隨著深度的增加,逐漸增大,作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)土壓力總體上呈R形分布。類似工程如北京某地鐵基坑(土巖組合),其上部土層部分主要為雜填土與全風(fēng)化土,下部巖層為中風(fēng)化巖,見(jiàn)巖面位于地面以下10.35 m處,開(kāi)挖至底板時(shí),主動(dòng)土壓力近似R形分布,與本研究結(jié)果一致;杭州某地鐵基坑(軟土)的土層主要為黏性土,主動(dòng)土壓力大致呈三角形分布,也與本研究結(jié)果一致。

2)隨著開(kāi)挖深度的增加,樁底測(cè)點(diǎn)上的主動(dòng)土壓力大體上呈減小的趨勢(shì)。這是由于隨著土體開(kāi)挖深度的增加,支撐道數(shù)也增加,土體卸載釋放的水平荷載傳遞至圍護(hù)結(jié)構(gòu)上,故主要表現(xiàn)為水平支撐的壓應(yīng)力。

3)見(jiàn)巖面附近土體的壓力變化較大,見(jiàn)巖面以上主動(dòng)土壓力較大,見(jiàn)巖面以下主動(dòng)土壓力較小,這一點(diǎn)與朗肯土壓力理論相似,這是由于見(jiàn)巖面上下土層物理性質(zhì)相差較大造成的。

2.2 支撐軸力變化分析

圖4為支撐軸力隨開(kāi)挖深度的變化,由圖可知:第一道支撐為混凝土支撐,隨著開(kāi)挖的進(jìn)行其軸力變化幅度較大,第二道與第三道支撐為鋼支撐,軸力變化幅度較小。第一道支撐的軸力在后續(xù)支撐架設(shè)時(shí)均有較大的波動(dòng),這是由于第一道支撐主要承受上層土體的水平荷載,而向下開(kāi)挖,土壓力增大導(dǎo)致支撐軸力隨之增大。第二道支撐與第三道支撐主要承受見(jiàn)巖面以下力學(xué)性質(zhì)較好巖層的側(cè)向土壓力,位移變化較小,主動(dòng)土壓力較為穩(wěn)定。底板澆筑完成后3道支撐軸力均趨于穩(wěn)定。開(kāi)挖后期,第三道支撐的支撐軸力最大值為4 208 kN,明顯大于第一道支撐的最大值2 251 kN和第二道支撐的最大值552 kN,第三道支撐的支撐軸力最大值是第二道支撐的1.9倍,是第一道支撐的7.6倍?？梢?jiàn),主要是第三道支撐在發(fā)揮作用。其原因是土體深層土壓力較大,且第二道支撐與第三道支撐間距為6.5 m,第三道支撐與底板距離為10 m,均位于見(jiàn)巖面以下。因此土體作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的水平力主要由第三道鋼支撐承受。

圖4 支撐軸力隨開(kāi)挖深度的變化

3 有限元模型的建立與分析

使用有限元軟件Midas GTS NX建立模型,并進(jìn)行有限元計(jì)算,對(duì)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)站的各個(gè)工況進(jìn)行模擬分析。

3.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

由于車站實(shí)際施工時(shí)開(kāi)挖情況相對(duì)復(fù)雜,故對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化處理。建模時(shí)選取地鐵基坑長(zhǎng)度為182 m,寬度為20.1 m,深度為25 m,設(shè)置基坑水平影響范圍為基坑開(kāi)挖深度的3倍,豎向影響范圍為基坑開(kāi)挖深度的3倍,模型邊界條件為底面完全約束,4個(gè)側(cè)面為法向約束,上表面為自由面,模型尺寸定為長(zhǎng)450 m,寬280 m,高75 m。有限元計(jì)算模型網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 有限元模型網(wǎng)格

土體的本構(gòu)關(guān)系模型采用修正摩爾-庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)模型,樁徑為1 m、樁間距為1.2 m的鉆孔灌注樁等效為0.8 m厚的地連墻,采用板單元模擬。支撐、冠梁和圍檁均等效為梁?jiǎn)卧?模型為彈性模型,第一道支撐為混凝土支撐,間距為8 m,第二道及第三道支撐為鋼支撐,間距為4 m。在土體與地連墻之間設(shè)立法向界面單元,利用剛性連接模擬樁土接觸,設(shè)置虛擬厚度為0.1 m,強(qiáng)度折減系數(shù)為0.65。

結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2,表中l(wèi)為地連墻的長(zhǎng)度。基坑施工步驟分7步,模擬從地表開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高,具體施工步驟模擬見(jiàn)表3。

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

表3 施工步驟模擬

3.2 模型驗(yàn)證

模擬得出基坑標(biāo)準(zhǔn)段某典型橫截面主動(dòng)土壓力分布(圖6),分布規(guī)律近似R形分布,底板處主動(dòng)土壓力為150 kN/m。圖7為主動(dòng)土壓力分布趨勢(shì)比較,由圖可知,有限元分析所得土壓力與實(shí)測(cè)土壓力值趨勢(shì)大體上一致,此時(shí)的見(jiàn)巖面深度為8.5 m,有限元模擬得出的支撐軸力大小和分布與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近。

圖6 某典型橫截面主動(dòng)土壓力分布

圖7 主動(dòng)土壓力分布趨勢(shì)比較

3.3 抗傾覆穩(wěn)定性分析

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性取決于抗傾覆力矩與傾覆力矩,理論上只要抗傾覆力矩不小于傾覆力矩便能保持支護(hù)結(jié)構(gòu)傾覆性狀的穩(wěn)定,設(shè)計(jì)上需考慮安全性,安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的樁撐式支護(hù)結(jié)構(gòu),其抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)Kt分別不應(yīng)小于1.25、1.20、1.15。

基坑開(kāi)挖到底板后,樁撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)Kt應(yīng)滿足

(3)

(4)

式(3)～(4)中:Mp為支護(hù)結(jié)構(gòu)底部以上被動(dòng)側(cè)土壓力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)最低處的力矩;MT為支撐軸力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)最低處的力矩;Ma為支護(hù)結(jié)構(gòu)底部以上主動(dòng)側(cè)土壓力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)最低處的力矩;Ti為第i個(gè)內(nèi)支撐的水平作用力;di為第i個(gè)內(nèi)支撐到支護(hù)結(jié)構(gòu)最低處的垂直距離;si為第i個(gè)內(nèi)支撐的水平間距。

圖8為抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)Kt隨開(kāi)挖步驟的變化情況。隨著開(kāi)挖深度的增加,Kt值有下降的趨勢(shì),3種方法的計(jì)算結(jié)果均大于1.25。其中,有限元法得出的Kt與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近,有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均比值為0.88;經(jīng)典土壓力計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均比值為2.77。這是由于經(jīng)典土壓力法在計(jì)算土巖組合地質(zhì)見(jiàn)巖面以下巖層的被動(dòng)土壓力遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)土壓力值,導(dǎo)致Kt值偏大。

圖8 Kt隨開(kāi)挖步驟的變化情況

為探究土巖組合地質(zhì)條件下,見(jiàn)巖面深度(從地面到巖面的距離)h與圍護(hù)樁插入比δ對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性的影響,對(duì)不同h和δ的方案進(jìn)行模擬分析,其中取h為5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、15.0、20.0 m,取δ為0.12、0.16、0.20、0.24、0.28、0.32、0.36、0.40、0.60、0.80。

取底板完成后的主動(dòng)、被動(dòng)土壓力值及支撐軸力值計(jì)算Kt值。圖9為Kt隨見(jiàn)巖面深度h的變化,其中h=8.5 m,δ=0.2為實(shí)際工程的模擬,由圖可知,h越大,Kt值越小。當(dāng)δ為0.16,h為7.5 m以下時(shí),Kt大于1.25;當(dāng)δ為0.2,h為8.5 m以下時(shí),Kt大于1.25;當(dāng)δ為0.24,h為10.5 m以下時(shí),Kt大于1.25;當(dāng)δ為0.4,h為15 m以下時(shí),Kt大于1.25;當(dāng)δ大于0.6時(shí),Kt大于1.25所需要的見(jiàn)巖面深度超過(guò)20 m,故當(dāng)Kt不滿足規(guī)范要求的1.25時(shí),可采用增加圍護(hù)樁的插入比以提高Kt。

圖9 Kt隨見(jiàn)巖面深度的變化

Kt隨樁插入比δ的變化如圖10所示,隨著δ的增加,抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)Kt增加,但是樁插入比增長(zhǎng)曲線存在某個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)δi使得增速有一個(gè)明顯放緩的過(guò)程,最終逐漸穩(wěn)定。當(dāng)h=8.5 m時(shí),Kt值大于1.25的δ的臨界值δc為0.2,且在0.36之前加速上升,0.36之后Kt逐漸穩(wěn)定,此時(shí)的δ取值為δi,到達(dá)δc以后,繼續(xù)增加樁體入巖深度對(duì)Kt的影響逐漸減小,這是由于δ到達(dá)δc以后,MT對(duì)Ma與Mp的影響逐漸減小。當(dāng)h=7.5 m時(shí),δc為0.16,δi為0.32;當(dāng)h=9.5 m時(shí),δc為0.2,δi為0.4,δi大致是δc的2倍,并且隨著h的減小,δc與δi也減小。

圖10 Kt隨樁插入比δ的變化

4 結(jié) 論

本研究基于金華萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)地鐵站工程,通過(guò)分析土壓力與支撐軸力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及有限元軟件Midas GTS NX數(shù)值模擬,針對(duì)不同的見(jiàn)巖面深度h和圍護(hù)樁插入比δ的模擬結(jié)果進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

1)基坑開(kāi)挖過(guò)程中,主動(dòng)土壓力逐漸減小,支撐軸力逐漸增大,開(kāi)挖至見(jiàn)巖面以上時(shí),主動(dòng)土壓力呈三角形分布,而開(kāi)挖至見(jiàn)巖面以下時(shí),土壓力近似呈R形分布,在見(jiàn)巖面處土壓力有突變。由于最低層支撐與第二道支撐距離較大,且最低層支撐以下開(kāi)挖深度最大,所以最低層支撐的軸力遠(yuǎn)大于其他支撐,所需的材料抗力最大。

2)由于土巖組合地質(zhì)存在土巖交界面,見(jiàn)巖面深度越小,基坑抗傾覆穩(wěn)定性越強(qiáng),對(duì)一些土層較薄的基坑可采取減小坑底嵌入深度的圍護(hù)結(jié)構(gòu)措施。

3)本研究給出了基坑開(kāi)挖深度為25 m情況下圍護(hù)樁插入比與見(jiàn)巖面深度的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù),對(duì)類似工程具有一定的指導(dǎo)意義。隨著樁插入比的增加,抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)Kt增大,但是樁插入比存在某個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),使得樁體嵌入深度對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性的影響很小,δi大致是δc的2倍,因此當(dāng)遇到見(jiàn)巖面較淺的基坑時(shí),在滿足自身穩(wěn)定的前提條件下,適當(dāng)減小樁插入深度可以降低施工成本。

需說(shuō)明的是,本文結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析研究了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性的影響因素,能夠反映一定的工程實(shí)際,但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)與規(guī)范相結(jié)合才能加以應(yīng)用。