新型吊腳墻支護二元基坑變形特征與地層適應性研究*

李隆平,周小涵,王林楓

(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司,湖北 武漢 430050;2.重慶大學,重慶 400045)

0 引言

城市地鐵線路的建設與完善催生了越來越多多線換乘的情況,導致地鐵車站越做越深,車站范圍內地層上土下巖的情況越發(fā)普遍。在上土下巖地層中開展的基坑工程,本文稱之為“二元基坑”。對于下臥巖層較好的二元基坑來說,為充分發(fā)揮下臥巖層的自穩(wěn)與抵抗變形能力,普遍采用吊腳墻(樁)支護形式［1］。

關于吊腳墻支護下二元基坑的變形特征與變形規(guī)律的研究已較為豐富。孫連勇等［2］基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,提出吊腳樁支護下二元基坑變形時空演化規(guī)律。楊曉華［3］同樣基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),分析了門式起重機移動荷載下土巖基坑變形特征。田海光［4］提出預應力鎖腳錨桿能有效控制吊腳樁樁底水平位移,樁頂位移僅隨開挖深度增加而增加。羅華標［5］通過對比吊腳墻加內支撐支護體系與一般連續(xù)墻加內支撐支護體系的差異,發(fā)現(xiàn)吊腳墻支護下基坑最大變形比一般地下連續(xù)墻稍大。二元基坑變形規(guī)律隨地層差異變化較大。武軍等［6］發(fā)現(xiàn)巖層彈性模量越大,對嵌入其中吊腳樁的約束作用越強。吳曉剛［7］總結了基坑變形與上部土層、土巖交界面、下部巖體的關系,提出圍護結構側移呈上部小、中下部大的“花瓶形”。劉紅軍等［8］通過數(shù)值分析,發(fā)現(xiàn)圍護結構變形主要集中在土層部分,可有針對性地進行支護結構設計。

傳統(tǒng)吊腳墻支護體系中,墻底需預留巖肩并采用預應力錨索鎖腳,通過巖肩與錨索的嵌固作用約束墻底變形［5,9-10］。然而,吊腳墻預留巖肩會增加基坑占地面積,增加實施難度與挖方量,且當基巖強度較高時成槽困難。張群仲［11］提出在吊腳樁施工過程中,采用兩側邊留一定長度巖石臺背,中間基坑落底后逐步剝離臺背的方法,是一種從有巖肩到無巖肩的過渡性措施。

為克服傳統(tǒng)吊腳墻的局限,提出一種新型吊腳墻支護體系,即上部土層范圍采用地下連續(xù)墻或者圍護樁作為擋土構件,豎向設置多道支撐或預應力錨索,回筑階段利用中板卡住擋土構件底部,形成穩(wěn)定可靠的上部基坑支護體系;下部巖層范圍采用垂直巖壁方案。并依托實際工程,采用有限差分軟件FLAC3D 5.0建立數(shù)值計算模型,通過對比有無巖肩與預應力錨索鎖腳和不同地層下基坑變形特征,探討在類似基坑尺寸下,該新型吊腳墻支護體系的地層適應性問題,旨在推廣這類新型吊腳墻支護形式在二元基坑中的實際應用。

1 二元基坑新型吊腳墻支護體系

1.1 工程概況

廣州某地鐵車站基坑全長276.2m,為地下4層島式車站,采用明挖法施工,標準段寬47.1m,深32.981～33.634m。

車站場地地貌屬于海陸交互相沖積平原地貌,為珠江河網(wǎng)交錯的平原區(qū),屬河漫灘地,地形平坦開闊,河網(wǎng)密集,表層分布較多軟土。自上而下依次為雜填土、素填土、淤泥質黏土、全風化砂巖、強風化砂巖、中風化砂巖和微風化砂巖。各地層分布及厚度如圖 1所示。其中,全風化砂巖和強風化砂巖風化程度較高,可按土層考慮。站址區(qū)上覆土層厚度約9.0m,車站位于典型二元地層中。

圖1 廣州某基坑斷面支護形式Fig.1 Section support form of a foundation excavation in Guangzhou

車站北側為赤崗涌,與下部地層間存在一定的水力聯(lián)系,對基坑開挖及支護影響較大。場地內地下水水位總體埋藏相對均較淺,水位埋深2.2～3.1m,水位年變化幅度為1.5～2.5m。

1.2 新型吊腳墻支護體系

傳統(tǒng)二元基坑吊腳墻支護結構,底部需要預留一部分巖肩。本文提出的新型吊腳墻支護體系是指在二元基坑支護設計中,在上部土層范圍采用地下連續(xù)墻或者圍護樁作為擋土構件,擋土構件間豎向設置多道支撐或預應力錨索,回筑階段利用中板卡住擋土構件底部,形成穩(wěn)定可靠的上部基坑支護體系,無須依靠墻底嵌巖和預應力錨索鎖腳來解決支護體系安全問題,在下部巖層范圍采用垂直巖壁方案。與傳統(tǒng)預留巖肩吊腳墻支護結構相比,該新型吊腳墻支護體系的優(yōu)勢為：①節(jié)省基坑占地面積;②節(jié)省基坑挖方量;③節(jié)省投資;④在初期未外放預留巖肩的條件下,后期改嵌底墻為該新型吊腳墻無限制條件。

具體結構形式及組成如圖 1所示。采用地下連續(xù)墻+4道內支撐作為圍護結構,連續(xù)墻厚800mm,深24.6m,墻底位于地下3層中板底以下1.5m左右,4道內支撐均采用混凝土支撐,深度分別為0.5,6.5,13.8m和21.0m,其中上3道支撐尺寸為800mm×1 000mm,最下道支撐尺寸為1 000mm×1 300mm。設有格構柱,格構柱底部施作φ1 500mm鋼筋混凝土立柱樁,基底采用φ1 000mm鋼筋混凝土抗拔樁抗浮。

2 數(shù)值計算方案

2.1 計算模型

為闡明該無巖肩無預應力鎖腳錨索的新型吊腳墻支護形式下二元基坑變形特征,依托該工程,采用有限差分軟件FLAC3D 5.0分別建立傳統(tǒng)帶巖肩吊腳墻支護體系與新型吊腳墻支護體系數(shù)值計算模型并求解。通常,長條形基坑可采用二維平面應變模型進行分析［12-13］,故本文中同樣建立二維計算模型,模型寬度取為1.0m?？紤]消除模型邊界條件,基坑寬度方向需要向外擴展3～5倍基坑深度,基坑下臥堅硬巖層,故模型深度方向取為60.0m,最終確定模型尺寸為249.0m×1.0m×60.0m(長×寬×高)。

為探討一般規(guī)律,將復雜地層簡化成1層土層和1層巖層,其中,土層為粉質黏土,巖層為砂巖,如圖 2a和圖 2b所示。其中,圖 2b為按照實際工程建立的計算模型,圖 2a為在此基礎上,增加巖肩與鎖腳錨索,巖肩尺寸為寬1.0m,高2.0m,預應力錨索的設置參考文獻［14］,并轉化成單位寬度模型對應參數(shù),最終確定的錨索長12.0m,直徑2φ25mm,傾角15 °,高度設置在巖肩高度中部,施加160kN預應力。需要注意的是,為反映支護結構可能產(chǎn)生的塑性變形甚至破壞,水平支撐采用實體單元模擬,并賦予彈塑性本構模型［15］。

2.2 計算參數(shù)

數(shù)值計算中,本構關系和參數(shù)的確定對計算結果非常關鍵。莫爾-庫倫本構模型具有參數(shù)少且容易獲得、概念簡單而又能反映土的應力應變特征,是關于基坑的數(shù)值模擬中常見的本構模型［16-17］。因此,本模擬中采取莫爾-庫倫本構模型作為土層以及巖層的本構模型,地層物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of formation

為反映支護結構由于剛度不足而產(chǎn)生的塑性破壞,模擬中吊腳墻和水平支撐均采用莫爾-庫倫本構模型,格構柱、立柱樁和抗拔樁采用彈性本構,具體參數(shù)如見表2所示。

表2 支護結構參數(shù)Table 2 Supporting structure parameters

在吊腳墻和地層之間設置接觸面以反映支護結構與地層的相互作用,通過試算,最終確定接觸面參數(shù)如表3所示。

表3 接觸面參數(shù)Table 3 Contact surface parameters

2.3 計算工況

當前,采用吊腳墻支護的二元基坑土層均不厚,擋巖段深度均較深,以確?；臃€(wěn)定,同時,下臥巖層性質也較好。為探討不同地層條件下二元基坑變形特征與新型吊腳墻變形控制效果,進而總結地層適應性,保持基坑尺寸不變,選取土巖交界面深度和下臥巖層質量兩個因素,設計數(shù)值計算工況如表4所示。其中,1～6組下臥巖層為實際微風化砂巖,而土巖交界面深度不同,7～12組土巖交界面深度為9.0m,而下臥巖層質量不同,其中,7組、10組下臥巖層均為實際微風化砂巖,8組、11組為場區(qū)中風化砂巖,9組、12組巖層性質介于場區(qū)中風化砂巖與強風化砂巖之間,分別定義這3類巖體為良好、一般和較差,其具體參數(shù)取值如表5所示。土巖交界面深度為9.0m而下臥巖層為微風化砂巖的情況與實際場地條件更為接近。

表4 考慮土巖交界面深度的數(shù)值計算工況Table 4 Numerical calculation condition considering the depth of soil rock interface

表5 下臥巖層物理力學參數(shù)Table 5 Physical and mechanical parameters of underlying rock stratum

強調指出,在中風化砂巖以及比中風化砂巖更軟的巖層中,實際工程中不采用吊腳墻支護方案,本文只是為了考察地層適應性而刻意弱化下臥巖層,對地層適應性做初步嘗試性探討,為進一步研究探路。

2.4 計算過程

數(shù)值計算過程遵循如表6所示計算步驟。

表6 數(shù)值計算步驟Table 6 Numerical calculation steps

表7 吊腳墻支護體系地層適應性評價Table 7 Stratum adaptability evaluation of support system of suspended toe wall

需要注意的是,為準確反映基坑開挖卸載引起的基坑變形,在基坑開挖階段,采用地層的回彈模量代替彈性模量。畢港等［18］提出對于基坑工程而言,地層的回彈模量可以取為彈性模量的5倍,因此,本文數(shù)值模擬同樣取地層回彈模量為彈性模量的5倍參與計算。

3 計算結果驗證

車站施工全過程中,對車站周圍地表沉降、圍護結構變形、圍護結構內力、地下水位等進行了詳細監(jiān)測,選取典型位置處坑外地表沉降、圍護結構側移監(jiān)測數(shù)據(jù),并與土巖交界面深度為9.0m而下臥巖層為微風化砂巖的工況作對比,用于驗證數(shù)值計算結果的準確性,如圖 3所示。

圖3 數(shù)值計算結果與現(xiàn)場監(jiān)測對比Fig.3 Comparison of numerical results with field monitoring

可以看到,總體上,數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對應良好,表明數(shù)值計算較為準確,可用于進一步研究。數(shù)值模擬得到的坑外最大地表沉降與圍護結構最大側移均稍大于監(jiān)測結果,原因在于模擬中對地層作出了一定簡化,將土層簡化為1層粉質黏土,而實際上土層非均質,且存在一定風化層,其變形小于純土。此外,數(shù)值模擬得到的坑外最大地表沉降位置與圍護結構最大側移位置與實際監(jiān)測結果較為一致。

圖4 不同土巖交界面深度下基坑總位移云圖Fig.4 Cloud chart of total displacement of foundation excavation at different soil rock interface depth

4 不同地層條件下二元基坑變形特征

4.1 基坑總位移

不同土巖交界面深度下開挖完成后基坑總位移如圖 4所示。為方便對比,各工況下變形梯度均一致。與傳統(tǒng)有巖肩有預應力錨索吊腳墻相比,新型吊腳墻支護結構總體上說支護效果相差不大。隨土巖交界面深度增大,土體位移顯著增大,當土巖交界面深度為9.0,14.0,19.0m時,土體最大位移分別為9.0,24.0,35.0mm,同時,吊腳墻與支撐變形相應增大。巖壁段變形受交界面深度影響不顯著?？傮w上,對于下部巖層良好的二元基坑,無論土巖交界面深度如何,基坑的變形模式均表現(xiàn)為上部土體向坑內滑動,擠壓吊腳墻向坑內發(fā)生“脹肚形”變形,下部巖壁段變形很小,能保持穩(wěn)定。

不同下臥巖層質量下開挖完成后基坑總位移如圖5所示?？傮w上,有無巖肩對基坑的變形模式影響不大?；幼冃沃饕挥谏喜客翆又?。隨著下臥巖層質量的弱化,基坑與圍護結構變形均逐漸增大,當下臥巖層質量良好、一般、較差時,基坑最大位移分別為9.0,18.0mm和25.0mm左右,均位于距離基坑約0.3倍土層深度至1.5倍土層深度范圍內,同時,地表變形區(qū)范圍逐漸擴大。巖層質量弱化降低了其抵抗變形的能力,使得吊腳墻下部擋巖段變形增大,進而在協(xié)調變形作用下弱化了上部擋土段支擋能力,導致土層段變形增大。此外還可以發(fā)現(xiàn),當巖層質量較差時,由于巖壁段承載能力與抵抗變形能力的弱化,吊腳墻與水平支撐體系會發(fā)生較大沉降變形,且?guī)r壁段產(chǎn)生一定向基坑內的擠出變形。說明在較深的基坑,很差的巖層內不適合做吊腳墻結構。

圖6 不同土巖交界面深度下坑外地表沉降曲線Fig.6 External surface settlement curve of excavation under different soil rock interface depth

圖7 不同下臥巖層質量下坑外地表沉降曲線Fig.7 External surface settlement curve of excavation under different underlying rock mass

4.2 坑外地表沉降

不同土巖交界面深度下開挖完成后坑外地表沉降如圖 6所示?？梢?不同土巖交界面深度下,采用無巖肩的新型吊腳墻支護結構產(chǎn)生的坑外地表沉降與傳統(tǒng)帶巖肩吊腳墻均基本相同,均呈典型“凹槽形”曲線,說明巖肩對坑外地表沉降而言影響很小,取消巖肩合理可行。隨著土巖交界面深度增大,坑外地表沉降逐漸增大,交界面深度在9.0,14.0,19.0m時,坑外最大地表沉降分別為10,23,32mm,且最大沉降位置逐漸向坑外移動。

不同下臥巖層質量下開挖完成后坑外地表沉降如圖 7所示。同樣地,地表沉降呈典型“凹槽形”曲線。但與圖 6相比存在以下不同,隨著巖層質量弱化,地表沉降先迅速增大后甚至有所減小,原因與前述基坑總位移部分類似,當巖層質量較好時,弱化巖層可引起基坑變形較大的變化,而當巖層質量較差時,巖層質量弱化對基坑變形影響很小,甚至由于支護結構協(xié)調變形能力反而減小。此外,從最大沉降量和位置上看,下臥巖層質量的改變對地表沉降的影響較土巖交界面深度更小,說明下臥巖層性質不是坑外地表沉降的主要影響因素。與土巖交界面相同,不同下臥巖層下,有無巖肩與預應力錨索對地表沉降的影響不大,說明巖肩與預應力錨索的鎖腳作用有限,推廣無巖肩無預應力錨索的新型吊腳墻支護體系可行。

4.3 吊腳墻側移

不同土巖交界面深度下開挖完成后吊腳墻側移曲線如圖8所示?？傮w上,不同深度下吊腳墻側移均呈現(xiàn)中間大,兩端小的“脹肚”形變形模式,且變形主要發(fā)生在上部土層中。新型吊腳墻的變形情況與傳統(tǒng)吊腳墻相比相差不大,最大側移量相差在2mm以內,且最大側移深度相同,由于取消巖肩后無論從施工成本還是進度需求上均存在明顯優(yōu)勢,可考慮取消巖肩。隨土巖交界面深度增大,吊腳墻最大側移值不斷增大,當交界面深9.0,14.0m和19.0m時,吊腳墻最大側移分別為1.6,7.2mm和16.2mm,最大側移位置逐漸下移,最大側移位置分別在5.0,9.0m和11.0m附近,均處在土層深度內,說明吊腳墻最大變形均位于上部土層中。對于上覆土層較淺的情況,可考慮優(yōu)化支護結構剛度以降低成本,對于上覆土層較深的情況,當前的支護體系仍然具有較好的支護效果,說明了該新型吊腳墻支護體系的適用性。

圖8 不同土巖交界面深度下吊腳墻側移曲線Fig.8 Lateral displacement curve of suspended foot wall under different soil rock interface depth

不同下臥巖層質量下開挖完成后吊腳墻側移曲線如圖 9所示?？梢钥吹?吊腳墻的最大側移值隨基坑下臥巖層質量弱化逐漸增大。但與圖 8規(guī)律不同的是,不同下臥巖層情況下,基坑吊腳墻的變形模式不同。當基坑下臥巖層質量良好時,吊腳墻呈典型“脹肚”形變形模式,且變形主要集中在上部土層段;當基坑下臥巖層質量一般時,由于巖層承載能力與抵抗變形能力的降低,吊腳墻下半部分變形較大,幾乎與中部最大位移值接近;當基坑下臥巖層質量較差時,吊腳墻變形呈“折線形”變形模式,吊腳墻底部向坑內發(fā)生較大變形。當下臥巖層質量良好或一般時,采用新型吊腳墻支護體系能起到與傳統(tǒng)吊腳墻幾乎相同的變形約束效果,而當下臥巖層質量較差時,無論是新型吊腳墻還是傳統(tǒng)吊腳墻,其變形都隨著地層變形發(fā)生協(xié)調,導致局部變形較大,且無巖肩吊腳墻變形稍大,但總體上均未超限,說明了新型吊腳墻支護體系在不同下臥巖層質量中均能適應。

4.4 巖壁段變形

圖 10為不同土巖交界面深度下巖壁段變形特征,各工況下變形梯度均保持一致?？傮w上,各工況下巖壁段的變形模式較相似,在卸荷作用下,巖壁段產(chǎn)生向基坑內部的變形,不隨有無巖肩和土巖交界面深度改變表現(xiàn)出較大差異。相比于上部土層段,巖壁段變形處于較低水平,均在0.6mm以內,可以保持穩(wěn)定。

圖 11為不同下臥巖層質量下巖壁段變形特征,各工況下變形梯度均保持一致。與圖 10相比,下臥巖層性質不同時,巖壁段變形差異較為明顯,當下臥巖層性質較好時,有無巖肩下巖壁段均基本不發(fā)生變形,當下臥巖層性質一般時,有無巖肩下巖壁段均向外發(fā)生約7mm的變形,而當下臥巖層性質進一步弱化,巖壁段開始產(chǎn)生大變形,側上方巖體有從巖壁段滑動擠出的趨勢,傳統(tǒng)吊腳墻由于巖肩和預應力鎖腳錨索的作用,巖壁段變形較小,約在19mm左右,而新型吊腳墻支護結構對巖壁段變形約束作用較弱,巖壁段最大變形為24mm,且變形范圍明顯較大?？傻贸鼋Y論,下臥巖層質量對巖壁段變形影響較大,而巖肩對巖壁段變形影響較小,對于下臥層質量較好的情況,采用新型吊腳墻支護體系可獲得與傳統(tǒng)吊腳墻相同的支護效果,而對于下臥層質量較差的情況,傳統(tǒng)吊腳墻支護體系效果稍好,但不明顯,對于此類巖層,在采用吊腳墻進行支護的同時,需在巖壁段采取噴錨支護等方法,優(yōu)化巖壁段受力狀態(tài),控制巖壁段變形。

5 地層適應性評價

基于本文數(shù)值模擬結果,可進一步總結新型吊腳墻支護體系與傳統(tǒng)吊腳墻支護體系的地層適應性,如表 7所示。

綜上,對于基坑尺寸與本文依托工程類似的土巖基坑,選取土巖交界面深度與下臥巖層質量作為地層適應性指標,無論是新型吊腳墻支護體系還是傳統(tǒng)吊腳墻支護體系,均具有較好的地層適應性,尤其是土巖交界面深度,在下臥巖層質量較好、吊腳墻支護體系設計合理、施工規(guī)范的前提下,幾乎不影響支護效果,而當下臥巖層質量較差時,新型吊腳墻支護體系適應性略低于傳統(tǒng)帶巖肩吊腳墻,當下臥巖層質量極差時,需慎重考慮吊腳墻支護形式,此時應采用傳統(tǒng)嵌巖圍護結構。

6 結語

依托實際工程,采用有限差分軟件FLAC3D5.0建立數(shù)值計算模型,通過對比有無巖肩和預應力鎖腳錨索,以及不同地層條件下基坑變形特征,探討在類似基坑尺寸下,無巖肩新型吊腳墻支護體系在不同地層條件下的變形特征,評價該體系的地層適應性,得到以下結論。

1)采用無巖肩新型吊腳墻支護體系和傳統(tǒng)預留巖肩吊腳墻支護體系,在不同地層條件下變形特征與支護效果差異很小,取消巖肩與預應力鎖腳錨索合理可行。

2)當下臥巖層質量較好時,隨土巖交界面深度增大,土層段變形顯著增大,下部巖壁段變形很小,能保持穩(wěn)定,坑外地表沉降逐漸增大,最大沉降位置逐漸外移,吊腳墻最大側移值不斷增大,最大側移位置逐漸下移。

3)隨下臥巖層質量弱化,基坑最大位移和坑外地表沉降先增大后影響不大,吊腳墻最大側移逐漸增大,變形特征由“脹肚”形變形模式向“折線形”變形模式轉變,吊腳墻底部變形較大,巖壁段變形增大,有向外滑移趨勢。

4)無巖肩新型吊腳墻支護體系和傳統(tǒng)預留巖肩吊腳墻支護體系均具有較好的地層適應性,其中在不同土巖交界面深度下均適用,在下臥巖層質量偏差時,需對巖壁段進行噴錨支護,或考慮采用傳統(tǒng)嵌巖圍護結構。