半成巖超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與受力特性研究

謝雄耀林威周彪，*鄒成路

（1.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510010）

0 引言

半成巖主要是指第三系上新統(tǒng)，第四系更新統(tǒng)的砂巖、泥巖、砂礫巖等特殊性巖土體，兼具土和巖石的特征。其中，以泥巖和砂巖為代表的半成巖在我國(guó)的西北、西南以及華南地區(qū)廣泛分布［1-3］。劉靚［4］對(duì)南寧盆地泥巖半成巖展開了調(diào)查分析，指出該半成巖層沉積時(shí)代新，固結(jié)程度較弱，兼具巖石和黏性土的特性。馬少坤等［5］針對(duì)南寧地區(qū)強(qiáng)風(fēng)化泥巖開展長(zhǎng)期壓縮試驗(yàn)，指出其壓縮特性與其他黏土存在顯著差異。杜宇翔等［6-7］研究發(fā)現(xiàn)，半成巖在微觀結(jié)構(gòu)上有明顯不同于土和巖石的弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)特征，在飽和后膠結(jié)結(jié)構(gòu)易遭破壞，在宏觀力學(xué)性能上受含水率影響明顯，遇水易崩解軟化，各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均介于軟巖與土之間，建議在工程實(shí)際應(yīng)用中將其與巖石和土進(jìn)行區(qū)分?，F(xiàn)行規(guī)范尚未對(duì)半成巖的工程特性作明確的規(guī)定［8-10］，對(duì)介于土和軟巖之間的巖土體力學(xué)和工程特性研究仍需加強(qiáng)。鑒于半成巖上述特殊力學(xué)強(qiáng)度特性及其對(duì)基坑建設(shè)的不利影響，亟需開展工程特征研究［11-12］。由于缺少足夠的理論研究以及經(jīng)驗(yàn)支持，半成巖與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間相互作用及其變形特性研究仍然不足。目前多數(shù)基坑支護(hù)土壓力仍然采用經(jīng)典的朗肯或庫(kù)倫土壓力理論進(jìn)行計(jì)算，但經(jīng)典土壓力理論建立在一系列假設(shè)的基礎(chǔ)之上，對(duì)于半成巖地層的適用性有待檢驗(yàn)。許多工程實(shí)踐表明，傳統(tǒng)土壓力計(jì)算理論結(jié)果與實(shí)際具有較大的差異，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和修正［13］。此外，基坑建設(shè)不斷向深部發(fā)展，而國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)［9，14-17］對(duì)于基坑開挖深度的劃分還停留在10～15 m的水平上。綜上所述，開展半成巖地區(qū)超深基坑變形及工程特性研究十分有必要性。

在基坑變形與受力特性研究方面，主要有統(tǒng)計(jì)分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究手段。廖少明等［18］收集了蘇州地區(qū)34個(gè)基坑工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了蘇州地區(qū)采用不同擋土結(jié)構(gòu)、不同形狀的大尺度深基坑的變形特性。李琳等［19］對(duì)杭州、上海軟土地區(qū)的46個(gè)深基坑的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了研究和總結(jié)，分析了基坑開挖深度與最大側(cè)向位移及其位置、所采用支撐系統(tǒng)相對(duì)剛度之間的關(guān)系。針對(duì)南寧地區(qū)半成巖地層，初濤［20］通過20個(gè)半成巖深基坑工程實(shí)例，對(duì)其圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素。梁發(fā)云等［21］通過離心模型試驗(yàn)對(duì)深基坑變形特性進(jìn)行研究，驗(yàn)證了離心模型試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。數(shù)值模擬作為一種較為經(jīng)濟(jì)的研究手段，分析問題全面，已廣泛應(yīng)用于基坑開挖設(shè)計(jì)評(píng)估［22］。俞建霖等［23］通過三維有限單元模型，考慮土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用以及施工過程的影響，對(duì)深基坑開挖引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、土壓力分布和空間效應(yīng)進(jìn)行了研究。上述研究對(duì)于分析半成巖地層超深基坑變形和受力特性提供了良好的方法基礎(chǔ)。

本文以南寧軌道交通3號(hào)線青秀山站風(fēng)井超深基坑為工程背景，綜合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬，分析了超深基坑的受力及變形特性，分析了半成巖地區(qū)超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素及“雙峰”變形特性形成機(jī)制，提出半成巖超深基坑的土壓力計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，對(duì)今后半成巖超深基坑工程的設(shè)計(jì)與施工具有指導(dǎo)意義。

1 工程背景

1.1 青秀山站超深基坑工程概況

南寧市軌道交通3號(hào)線青秀山站毗鄰5A級(jí)景區(qū)青秀山，北側(cè)1號(hào)風(fēng)亭組基坑開挖深度達(dá)58.7 m?；铀幍膱?chǎng)地條件主要是古近系半成巖的泥巖和砂巖，分別是⑦1-3的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和⑦2-3的粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。基坑采用逆作法進(jìn)行施工。根據(jù)工程特性、環(huán)境條件和設(shè)計(jì)原則及標(biāo)準(zhǔn)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用48根鉆孔灌注樁，樁徑、樁距分別為1 500 mm、1 900 mm，樁頂設(shè)置1 500 mm×1 500 mm冠梁。豎向設(shè)置12道內(nèi)支撐，第1道（冠梁處）和第12道（底板上方）均為臨時(shí)的鋼筋混凝土支撐，中間10道為主體結(jié)構(gòu)框架梁兼做內(nèi)支撐，臨時(shí)中立柱采用直徑1 300 mm、壁厚25 mm的鋼管混凝土，鋼管內(nèi)澆筑C60補(bǔ)償收縮混凝土，鋼管柱與各層框架梁通過牛腿+環(huán)梁形式連接，鋼管柱的基礎(chǔ)為直徑2 500 mm的鉆孔灌注樁?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)豎向和平面布置分別如圖1和圖2所示。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.1 Sectional view of enclosure and support structure

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖Fig.2 Plan view of support and enclosure structure

1.2 青秀山站超深基坑變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

該超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊中點(diǎn)處的水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。隨著基坑的開挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移在不斷增加，且呈現(xiàn)出明顯的邊際遞減。在施作第9道支撐前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移基本是一個(gè)向外凸的單峰曲線，與初濤［20］收集的20個(gè)南寧地區(qū)半成巖一般深基坑統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果一致。然而，隨著基坑開挖，基坑底部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移增大，最大水平位移的位置也在不斷下降，基坑下部出現(xiàn)第二個(gè)水平位移極值，變形呈現(xiàn)出雙峰曲線變形模式，而非一般深基坑的“弓形”單峰曲線變形模式。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.3 Horizontal displacement monitoring results of the retaining structure

2 半成巖超深基坑三維數(shù)值模擬

2.1 三維數(shù)值模型建立

為探究該超深基坑出現(xiàn)的特殊變形模式產(chǎn)生機(jī)理，本文采用PLAXIS 3D有限元軟件進(jìn)行建模分析。為了消除邊界影響，模型長(zhǎng)寬均取基坑開挖深度的4倍，模型高度取基坑開挖深度的2倍。模型底部采用固端邊界約束，四周均采用可沿豎向滑動(dòng)的單向邊界約束。

各地層選取的本構(gòu)關(guān)系和計(jì)算參數(shù)值見表1。素填土的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型，泥巖和粉砂巖采用硬化土模型。硬化土模型能考慮軟黏土的硬化特征，能區(qū)分加荷和卸荷，計(jì)算結(jié)果能同時(shí)給出較為合理的墻體變形及墻后土體變形，適合于敏感環(huán)境下的基坑開挖數(shù)值分析。硬化土模型中，三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的參考割線模量E50、固結(jié)試驗(yàn)的參考切線模量Eoed和三軸固結(jié)排水卸載-再加載試驗(yàn)的參考卸載再加載模量Eur這三個(gè)參數(shù)難以直接獲得，因此首先根據(jù)巖土勘察試驗(yàn)獲取壓縮模量Es1-2，再根據(jù)類似地區(qū)參數(shù)統(tǒng)計(jì)關(guān)系［24-25］確定上述三個(gè)計(jì)算參數(shù)，如式（1）和式（2）所示。其他計(jì)算參數(shù)由巖土勘察試驗(yàn)確定。

表1 巖土體本構(gòu)關(guān)系及計(jì)算參數(shù)Table 1 Geotechnical constitutive relationship and calculation parameters

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，鉆孔灌注樁按照等抗彎剛度的原則折算成均質(zhì)板，冠梁、腰梁、支撐及立柱采用梁?jiǎn)卧M。立柱樁為鉆孔灌注樁，采用嵌入式樁單元進(jìn)行模擬。同時(shí)，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)和巖土體之間的剛度相差大，可能發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，為反映二者之間的相互作用特性，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與巖土體的接觸面采用無(wú)厚度的接觸單元進(jìn)行模擬。此外，因基坑開挖前已完成降水，地下水位維持在基坑底板以下0.5 m，故在數(shù)值模型中不考慮地下水的影響。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模型Fig.4 3D numerical model of support and retaining structure

施工步驟設(shè)置如下所示：

（1）生成初始應(yīng)力場(chǎng)；

（2）利用塑性零加載步進(jìn)行再平衡，將位移清零；

（3）激活用于模擬鉆孔灌注樁的板單元及相應(yīng)的界面單元與中立柱及立柱樁的梁?jiǎn)卧?/p>

（4）激活用于模擬冠梁及第一道混凝土支撐的梁?jiǎn)卧瑲⑺烙糜谀M第一層土的土體單元；

（5）激活用于模擬腰梁及第二道混凝土支撐的梁?jiǎn)卧瑲⑺烙糜谀M第二層土的土體單元；

（6）重復(fù)上一步驟，直至激活第十二道混凝土支撐并殺死用于模擬第十二層土的土體單元；

（7）激活底板的板單元。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

將數(shù)值模型各階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊中點(diǎn)水平位移曲線和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。實(shí)測(cè)雙峰曲線變形模式在三維數(shù)值模擬中得到了驗(yàn)證，各施工階段的水平位移模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。開挖第十層后，位于粉砂巖層中的次峰形成，位置靠近基底，整體呈現(xiàn)上高下低的雙峰模式。圖6展示了圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊的位移云圖，可以看見，該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形存在明顯的空間效應(yīng)。但長(zhǎng)邊中點(diǎn)附近L/4（L為基坑長(zhǎng)邊長(zhǎng)度）范圍內(nèi)位移模式基本相同，對(duì)于該基坑而言該范圍內(nèi)的空間效應(yīng)不明顯，長(zhǎng)邊中點(diǎn)處變形和受力受基坑平面尺寸影響較小，具有代表性，本文主要針對(duì)長(zhǎng)邊中點(diǎn)展開分析。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison between simulation results and monitoring results of the horizontal displacement

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊水平位移云圖Fig.6 Horizontal displacement contour at the long side of retaining structure

3 雙峰曲線產(chǎn)生機(jī)理

為探究青秀山站超深風(fēng)井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)雙峰曲線變形模式的產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合數(shù)值模擬，研究和分析側(cè)壓力系數(shù)、支承剛度以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比等因素對(duì)雙峰曲線形成的影響，給出形成機(jī)制和主因。

3.1 側(cè)壓力系數(shù)

由于巖土壓力的擴(kuò)散作用，對(duì)于超深基坑來說，巖土體的自重是最重要的荷載之一。側(cè)壓力系數(shù)K0是土在自然狀態(tài)下橫向有效應(yīng)力與豎向有效應(yīng)力的比值，是衡量巖土體自重所產(chǎn)生初始地應(yīng)力的重要指標(biāo)。諸多學(xué)者提出了側(cè)壓力系數(shù)K0的計(jì)算方法［26］，表2中列出了⑦1-3泥巖和⑦2-3粉砂巖采用不同計(jì)算方法得到的側(cè)壓力系數(shù)。其中，Jaky［27］通過極限平衡法，推導(dǎo)出了與有效內(nèi)摩擦角相關(guān)的Jaky公式；Tschebotarioff［28］根據(jù)廣義虎克定律，推導(dǎo)得到了與泊松比相關(guān)的K0值計(jì)算公式。本文在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)分別采用Jaky公式和Tschebotarioff公式計(jì)算初始地應(yīng)力，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)處圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移結(jié)果如圖7所示。采用Jaky公式計(jì)算初始地應(yīng)力的模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)更加吻合，出現(xiàn)了雙峰曲線變形模式。

表2 常用側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果Table 2 Commonly used lateral pressure coefficient calculation methods and calculation results

圖7 側(cè)壓力系數(shù)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響Fig.7 Effect of lateral pressure coefficient on horizontal displacement

圖8展示了采用Jaky公式和Tschebotarioff公式計(jì)算得到的初始地應(yīng)力，標(biāo)注出了采用Jaky公式計(jì)算得到的地應(yīng)力合力位置和水平位移峰值位置。根據(jù)Jaky計(jì)算公式，上層泥巖側(cè)壓力系數(shù)為0.83，遠(yuǎn)大于下層粉砂巖側(cè)壓力系數(shù)0.36，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到的水平巖土壓力分別出現(xiàn)兩個(gè)極大值，水平位移上峰出現(xiàn)是由于泥巖較大的側(cè)壓力系數(shù)導(dǎo)致的高應(yīng)力，水平位移下峰出現(xiàn)是由于粉砂巖較大埋深導(dǎo)致的高應(yīng)力。通過本工程實(shí)例的監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比，南寧地區(qū)泥巖的靜止側(cè)壓力系數(shù)推薦采用Jaky公式計(jì)算。

圖8 不同方法的初始地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.8 Results of initial ground stress calculation for different methods

3.2 支撐剛度

青秀山站超深風(fēng)井基坑第2～11道支撐為主體結(jié)構(gòu)框架梁兼做內(nèi)支撐，剛度較大，第1及第12道支撐為臨時(shí)鋼筋混凝土支撐，剛度較小。為確定支撐剛度對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，在數(shù)值模擬中減小位于泥巖地層中的支撐剛度，將第8～12道支撐設(shè)置為臨時(shí)混凝土支撐（與第12道支撐相同），即使第8～10道支撐的抗壓剛度減小為原來的41.7%，使第11道支撐的抗壓剛度減小為原來的31.2%。

計(jì)算結(jié)果如圖9所示，可以看出，即使粉砂巖地層中的支撐剛度已經(jīng)減小一半以上，圍護(hù)結(jié)構(gòu)仍保持雙峰曲線變形模式，且水平位移的數(shù)值變化不大。本基坑平面尺寸小，支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較長(zhǎng)條形基坑大，因此支撐剛度的改變對(duì)于超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響不大。

圖9 支撐剛度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響Fig.9 Effect of support stiffness on horizontal displacement

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比

根據(jù)初濤［20］的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，南寧半成巖地區(qū)基坑插入比平均值為0.396、最小值為0.218，但是本工程的插入比只有0.131，為確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，在數(shù)值模擬中將插入比設(shè)置為0.396，即將插入比增大為原來的3.0倍。

計(jì)算結(jié)果如圖10所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移以及峰值出現(xiàn)的位置影響較小，影響主要集中在圍護(hù)結(jié)構(gòu)下部，可見插入比并非圍護(hù)結(jié)構(gòu)雙峰位移模式形成的主要原因。由于深度大，若對(duì)超深基坑采取和一般深基坑相同的插入比，則會(huì)帶來過大的嵌入深度，提高工程造價(jià)。

圖10 插入比對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響Fig.10 Effect of insertion ratio on horizontal displacement of retaining structure

4 超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模式

彈性地基梁法是目前圍護(hù)樁墻計(jì)算常用方法，其將圍護(hù)樁墻簡(jiǎn)化為豎直的彈性地基梁，將巖土體簡(jiǎn)化為豎向的溫克爾彈性地基，計(jì)算因基坑開挖造成基坑圍護(hù)樁內(nèi)外的壓力差而引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力。采用該方法對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理計(jì)算的關(guān)鍵有以下幾點(diǎn)：①主動(dòng)區(qū)土壓力狀態(tài)及分布形態(tài)；②被動(dòng)區(qū)土層彈性地基模式；③彈性支點(diǎn)法求解方法。

4.1 主動(dòng)區(qū)土壓力計(jì)算模式

朗肯土壓力公式因概念清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單而廣泛應(yīng)用于土壓力計(jì)算中。朗肯土壓力理論進(jìn)行了以下假設(shè)：擋土墻墻背垂直且光滑；擋土墻的墻后填土的表面水平并且延伸至無(wú)窮遠(yuǎn)處；擋土墻處于主、被動(dòng)極限平衡；土體為剛體。朗肯土壓力理論的黏性土主動(dòng)土壓力pa按式（3）和式（4）進(jìn)行計(jì)算。

式中：γ為土的重度；h為計(jì)算點(diǎn)離填土面的深度；c為土的黏聚力；Ka為朗肯主動(dòng)土壓力系數(shù)；φ為土的內(nèi)摩擦角。

采用朗肯土壓力理論計(jì)算本工程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到的主動(dòng)土壓力，并與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如圖11所示，可以看出數(shù)值模擬得到的主動(dòng)土壓力隨深度的變化趨勢(shì)基本上滿足線形變化，且斜率和朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果一致。因此本文通過對(duì)朗肯主動(dòng)土壓力的常數(shù)項(xiàng)進(jìn)行修正，如式（5）所示。可以看出，對(duì)于南寧地區(qū)半成巖，修正后的朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算式可以取得較好的近似效果。要指出的是，式（3）中的常數(shù)項(xiàng)不具備實(shí)際意義，本文所提出的是一個(gè)使用簡(jiǎn)單而又滿足工程精度的半經(jīng)驗(yàn)公式；同時(shí)，仍需要更多的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和完善。

圖11 主動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of active earth pressure calculation results

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模式驗(yàn)證

基坑被動(dòng)區(qū)產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力ps可按式（6）和式（7）進(jìn)行計(jì)算。

式中：ks為地基水平基床系數(shù)；m為地基水平基床系數(shù)比例系數(shù)，由土體的性質(zhì)決定；v為擋土構(gòu)件在計(jì)算點(diǎn)使土體壓縮的水平位移值；p0為靜止土壓力。

ks與h的關(guān)系模式主要有五種：常數(shù)法、C法、m法、K法、經(jīng)驗(yàn)法。其中，m法是目前國(guó)內(nèi)外使用最多的，也是國(guó)內(nèi)多個(gè)現(xiàn)行基坑工程規(guī)范所推薦的方法。m法假定水平基床系數(shù)沿深度直線增長(zhǎng)，擋土結(jié)構(gòu)橫向變形隨深度增加迅速減小。式（8）為m法的基本撓曲方程。

式中：x為圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移；z為計(jì)算點(diǎn)的深度；EI為擋土結(jié)構(gòu)的抗彎剛度；b0是計(jì)算寬度。

m值應(yīng)按試驗(yàn)或地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值，亦可按照經(jīng)驗(yàn)公式（9）計(jì)算。

式中：vb為圍護(hù)結(jié)構(gòu)在坑底處的水平位移量（mm），本文所分析基坑中為18.6 mm。

本文對(duì)粉砂巖地層選取不同的m值（取值范圍為1 000 kN/m4至30 000 kN/m4，步長(zhǎng)為1 000 kN/m4）進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)粉砂巖地層的m值取為10 000 kN/m4時(shí)，計(jì)算得到的被動(dòng)土壓力以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與監(jiān)測(cè)結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果最為相近，該值為廣西《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》［10］為“堅(jiān)硬的黏性土、密實(shí)的粉性土和砂土”的上限值、“圓礫土層”的下限值。

為驗(yàn)證半成巖超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模式及計(jì)算參數(shù)，本文采用基坑支擋結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件FRWS對(duì)研究成果進(jìn)行驗(yàn)算。FRWS基于彈性地基梁法，采用計(jì)算精度較高的有限單元法求解，能夠考慮分步開挖施工各工況實(shí)際狀態(tài)下位移變化?；右韵峦恋淖饔糜脧椈赡M，彈簧剛度按m法模式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，與通過式（9）計(jì)算得到的m=18 280 kN/m4對(duì)比，本文所提出的南寧地區(qū)半成巖地層m值比現(xiàn)行規(guī)范推薦取值更加符合工程實(shí)際。對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)下部，也就是受m值影響較大的區(qū)域，彈性地基梁法計(jì)算結(jié)果和三維有限元模擬結(jié)果基本相同。位移上峰出現(xiàn)的位置略有不同，但圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形值較為接近。本文所提出的南寧半成巖圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模式可以滿足工程精度。

圖12 彈性地基梁法計(jì)算結(jié)果Fig.12 Calculation results of elastic foundation beam method

5 結(jié)論

本文以南寧軌道交通3號(hào)線青秀山站1號(hào)風(fēng)亭超深基坑為背景，采用工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了半成巖地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性，給出了合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，得出以下結(jié)論：

（1）南寧地區(qū)泥巖地層側(cè)壓力系數(shù)大，推薦采用Jaky公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，在此因素影響下，超深基坑工程開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖面及深厚半成巖處易產(chǎn)生峰值，出現(xiàn)“雙峰”或多峰變形模式。而支撐剛度及插入比對(duì)變形模式影響較小。本文所討論實(shí)例中雙峰曲線的產(chǎn)生存在其特殊性，但產(chǎn)生這一特殊現(xiàn)象背后的原因卻與該地區(qū)其他類似工程存在著緊密的聯(lián)系，研究結(jié)論可為現(xiàn)行規(guī)范中半成巖工程特性提供補(bǔ)充。

（2）通過開展半成巖地區(qū)超深基坑主動(dòng)土壓力分布規(guī)律及計(jì)算方法研究，對(duì)朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算式中的常數(shù)項(xiàng)進(jìn)行修正，給出了合理的主動(dòng)土壓力計(jì)算方法。

（3）基于m法，提出了半成巖超深基坑彈性地基梁計(jì)算模式，給出了合理的m值取值，建議取為10 000 kN/m4，采用FRWS軟件驗(yàn)證了該計(jì)算模式的合理性。