周邊地面塌陷對(duì)某樁錨支護(hù)基坑受力性能影響分析

【摘要】

涌水涌砂導(dǎo)致基坑周邊地面開裂甚至塌陷的事故常有發(fā)生，結(jié)合某樁錨支護(hù)基坑周邊地面塌陷案例，分析了不同程度的地面開裂塌陷情況下樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況。通過(guò)對(duì)塌陷區(qū)域土體強(qiáng)度、彈性模量及坍塌土與原狀土間界面強(qiáng)度折減的方法來(lái)模擬地面塌陷后的土體力學(xué)性能，分析周邊地面塌陷后土壓力的變化及對(duì)錨索、排樁受力性能的影響。結(jié)果表明： 地面塌陷會(huì)引起塌陷滑動(dòng)體的下部土壓力明顯增大，錨索的內(nèi)力增大幅度大于支護(hù)樁內(nèi)力增大幅度，采用土體滑動(dòng)后參數(shù)重新計(jì)算，并按照計(jì)算得出錨索內(nèi)力對(duì)已有錨索重新張拉鎖定，少量達(dá)不到要求的錨索在旁邊補(bǔ)加錨索加固，該方法以較低成本達(dá)到了加固要求，可為類似基坑事故處理提供參考。

【關(guān)鍵詞】涌水涌砂； 地面塌陷； 樁錨支護(hù)； 加固

【中圖分類號(hào)】T

【中圖分類號(hào)】U476+.9【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2022-07-12

［基金項(xiàng)目］中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司科技研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：LX20-16b）

［作者簡(jiǎn)介］熊思遠(yuǎn)（1990—），女，本科，工程師，主要從事建筑施工、工程管理工作。

0 引言

在樁錨支護(hù)基坑中，降雨入滲、附近雨污水箱涵滲漏經(jīng)常導(dǎo)致淺層土體坍塌；當(dāng)深層止水帷幕失效時(shí)，深層區(qū)域流土、流砂現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，這兩種情況均可能導(dǎo)致基坑附近路面塌陷。文獻(xiàn)［1］分析了土體表面滲流對(duì)生態(tài)邊坡穩(wěn)定性的影響，文獻(xiàn)［2］分析了降雨強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，文獻(xiàn)［3］對(duì)深基坑工程事故的常見原因及二次加固進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)［4-5］對(duì)地鐵、隧道涌水涌砂成因及治理方法進(jìn)行了研究。目前少有文獻(xiàn)對(duì)砂土流失、地面塌陷滑動(dòng)后基坑整體受力及安全性能進(jìn)行定量評(píng)估分析，這將導(dǎo)致基坑事故搶險(xiǎn)及加固方案的制定具有一定的盲目性。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)局部破壞極可能引起土壓力的重分布，使得剩余支護(hù)體系的荷載傳遞規(guī)律發(fā)生改變［6-7］，進(jìn)而引發(fā)大范圍連續(xù)破壞，所以相關(guān)研究很有必要。

參考邊坡穩(wěn)定分析時(shí)的有限元強(qiáng)度折減法，本文提出了一種對(duì)坍塌區(qū)域土體抗剪強(qiáng)度、彈性模量及坍塌區(qū)域土體與原狀土體界面強(qiáng)度進(jìn)行折減的方法來(lái)模擬地面塌陷后的土體力學(xué)性能，該方法能較好地定量分析基坑周邊土體塌陷后土壓力及整個(gè)支護(hù)體系的受力變化情況，可以避免常規(guī)有限元分析中因模擬土體塌陷等大變形行為而產(chǎn)生計(jì)算不收斂的問(wèn)題，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐參考意義。

1 工程概況

江西某基坑位于富水含砂地層，基坑地面絕對(duì)高程為20.30 m，設(shè)計(jì)基坑深度為16.85 m，根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地土層分布為：雜填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、礫砂、強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖及中風(fēng)化礫巖，基坑開挖深度影響范圍內(nèi)相關(guān)土層參數(shù)見表1，表1中土層彈性模量與地勘報(bào)告提供的壓縮模量及變形模量的換算參考了地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)［8］，彈性模量主要用于有限元分析。

本案例設(shè)計(jì)時(shí)地下水位取值為地面下-5.3 m，而基坑長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)得出的地下水位為地面下-9.0 m，為反映地面塌陷

后基坑真實(shí)的受力情況，后續(xù)計(jì)算分析過(guò)程中均采用-9.0 m地下水位。

基坑采用混凝土排樁加三道預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)方案，為降低造價(jià)，支護(hù)樁樁頂處設(shè)置3 m高混凝土擋土墻，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見圖1。

支護(hù)排樁為1.0 m的鉆孔灌注樁，樁間距1.2 m，樁總長(zhǎng)21.85 m，嵌固深度為9 m，樁身采用強(qiáng)度為C30的混凝土，基坑頂部荷載設(shè)計(jì)取值30 kPa。3道預(yù)應(yīng)力錨索編號(hào)從上至下依次為1#、2#、3#，入射角15°/20°交替布置，錨索水平間距與樁間距均為1.2 m，錨索錨固體150 mm。采用雙重止水方案，坑外設(shè)置了一道三軸攪拌樁止水帷幕，另外在樁間還設(shè)置了一道高壓旋噴樁進(jìn)行止水，止水帷幕底嵌入強(qiáng)風(fēng)化巖層0.5 m。

2018年8月，該項(xiàng)目基坑?xùn)|側(cè)中段由于場(chǎng)地外污水管道長(zhǎng)期滲漏，引起基坑中部發(fā)生噴涌，砂土穿過(guò)止水帷幕涌入基坑內(nèi)，使得周邊地面開裂塌陷，塌陷現(xiàn)狀如圖2所示。

從圖2（a）可以看出：基坑在深度6～12 m處發(fā)生噴涌，砂土涌入基坑內(nèi)，導(dǎo)致周邊道路局部塌陷，產(chǎn)生長(zhǎng)約15 m、寬約10 m的塌陷面；從圖2（b）可以看出，地面塌陷時(shí)基坑側(cè)壁基本完整，塌陷處支擋結(jié)構(gòu)水平變形并不是很明顯。由于地面塌陷后整個(gè)支護(hù)體系受力變化及穩(wěn)定性能不明確，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)坍塌情況，筆者建立了幾種不同深度的土體滑動(dòng)和流失工況，分析周邊地面塌陷后樁錨支護(hù)體系受力變化規(guī)律。

2 滑裂破壞面的確定及有限元模型

根據(jù)JGJ120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［9］，支擋式結(jié)構(gòu)理論直線滑動(dòng)面傾角公式見式（1）。

α=45°-φm/2（1）

式中：α為滑動(dòng)面與豎向支擋結(jié)構(gòu)夾角;φm為滑裂區(qū)以內(nèi)各土層按厚度加權(quán)的內(nèi)摩擦角平均值。

塌陷區(qū)堿寬度約10 m， 根據(jù)地面開裂形狀，將塌陷區(qū)分為3.36 m、3.10 m、3.54 m三個(gè)區(qū)域。由式（1）計(jì)算出滑動(dòng)面傾角，可以得出開裂地面對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)體深度分別為4 m、5 m、5 m，滑動(dòng)體共分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)域，其中Ⅲ區(qū)域又分為Ⅲ1、Ⅲ2，Ⅲ3三部分，滑裂區(qū)域劃分如圖3所示。

采用PLAXIS有限元軟件進(jìn)行分析，土體采用摩爾-庫(kù)倫模型［10］，土層參數(shù)詳見表1，支護(hù)樁及樁頂混凝土擋土墻均采用板單元模擬，錨索自由段采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接單元。

為了模擬土體滑動(dòng)后土壓力變化情況，共進(jìn)行了6種工況下的土壓力計(jì)算，各工況詳見表2。由于土體塌陷后會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，滑動(dòng)土體強(qiáng)度折減50%，滑動(dòng)土體與未滑動(dòng)土體接觸面面強(qiáng)度折減因子取0.1。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 土壓力分析

在JGJ 120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中，土壓力采用朗肯土壓力；有限元分析時(shí)，分別計(jì)算了基坑開挖前土壓力；基坑開挖到坑底，路面無(wú)塌陷（工況1）時(shí)的土壓力；區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土體塌陷（工況4）時(shí)的土壓力；區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土體塌陷且Ⅲ2、Ⅲ3區(qū)域土體部分流失（工況6）時(shí)的土壓力，圖4為上述各工況下土壓力對(duì)比，需說(shuō)明的是地下水位以下的土壓力包含水壓力。

從朗肯土壓力計(jì)算公式σa=γzKa-2cKa可以看出影響土壓力的主要因素是土體的黏聚力及摩擦角的變化，土壓力不隨基坑開挖深度而變化，這是朗肯土壓力的缺點(diǎn)。有限元計(jì)算可以反映出土壓力隨基坑開挖深度的變化，比較符合實(shí)際情況，PLAXIS有限元計(jì)算土體自重作用下，初始土壓力采用式（2）。

K0=1-sinφ（2）

式中：φ為內(nèi)摩擦角。式（2）實(shí)質(zhì)為靜止土壓力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，靜止土壓力在計(jì)算時(shí)只考慮了土體內(nèi)摩擦角的影響，沒有考慮粘聚力的影響，這是有限元計(jì)算的不足之處。從圖4還可以看出，規(guī)范推薦的朗肯土壓力與開挖前有限元計(jì)算的土壓力還是有一定的差別。由于粉質(zhì)黏土粘聚力較大，故在該土層處這種差別更為明顯。從總體上看，開挖前有限元計(jì)算土壓力大于朗肯土壓力。

對(duì)比基坑開挖前、開挖至坑底后（工況1）土壓力可以看出，由于基坑開挖土體的變形，從基坑1/3深度開始，基坑下部土壓力開始減少。對(duì)比工況1與工況4土壓力可以看出，當(dāng)上部區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土體塌陷后，在基坑7～13 m深度范圍內(nèi)，土壓力出現(xiàn)較明顯的增大現(xiàn)象。對(duì)比工況4與工況6土壓力還可以看出，局部砂土流失，土體的彈性模量折減50%時(shí)，對(duì)土壓力的影響并不是很明顯，如果由于砂土流失局部產(chǎn)生土洞，土壓力變化應(yīng)另行考慮。

3.2 錨索拉力分析

各工況下的錨索拉力見表3，對(duì)比工況1和工況4狀態(tài)下的錨索拉力可以看出：1#錨索內(nèi)力增量41 kN，2#錨索內(nèi)力增量69 kN，3#錨索內(nèi)力的增量為83 kN，最大增幅比例為19.3%。

3.3 支護(hù)樁變形及內(nèi)力分析

圖5為各工況樁身水平位移分布，圖6為各工況下樁身彎矩對(duì)比。

從圖5可以看出，隨著土體滑動(dòng)范圍增大，樁身位移值不斷變大，但樁身的最大水平位移位置并無(wú)明顯變化。地面未發(fā)生塌陷時(shí)（工況1）支護(hù)樁樁頂位移為23.95 mm，最大位移在基坑13 m深度附近，最大位移為30.97 mm；工況6時(shí)樁頂位移為30.6 mm，樁身最大位移為35.1" mm，工況6中樁頂位移增幅最大，最大位移增幅比例為27.8%。

從圖6可以看出各工況下彎矩變化并不十分明顯，工況1樁體的最大彎矩-1 088 kN·m，工況6時(shí)樁體的最大彎矩為-1 155 kN·m，彎矩增大比例僅為6.1%。從錨索內(nèi)力與支護(hù)樁彎矩增大比例可以看出，錨索的內(nèi)力增大比例明顯大于支護(hù)樁，地面塌陷滑動(dòng)對(duì)錨索的內(nèi)力影響大于支護(hù)樁。

4 加固方法

本項(xiàng)目基坑土層從上至下分別為粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、礫砂、強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖及中風(fēng)化礫巖，沒有高靈敏度及高觸變性的軟土，且錨索的錨固段主要在細(xì)砂、礫砂層。本基坑土體滑裂面主要發(fā)生在錨索的自由段，對(duì)錨固段受力影響相對(duì)較小。

本案例由于設(shè)計(jì)時(shí)地下水位取值高于實(shí)際水位，故設(shè)計(jì)有較大的安全儲(chǔ)備，根據(jù)JGJ120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，錨索的極限抗拔承載力按式（4）計(jì)算。

Rk=πd∑qsikli（4）

式中：d表示錨索的錨固體直徑；li表示錨固段在第i層土中的長(zhǎng)度；qsik為錨固體與第i層土的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。本案例由式（4）計(jì)算得出的1#、2#、3#錨索極限抗拔承載力分別為640.32 kN、1 101.58 kN、1 253.51 kN，即使是在工況6狀態(tài)下，抗拔承載力安全系數(shù)仍然達(dá)到2.03、2.56、2.44，存在著較大的安全儲(chǔ)備。

本基坑事故發(fā)生后，立即在坑底進(jìn)行填土反壓，然后對(duì)滑動(dòng)區(qū)土體參數(shù)進(jìn)行折減后重新進(jìn)行計(jì)算，得出新的錨索拉力，然后對(duì)滑裂區(qū)域及附近錨索按新的錨索拉力進(jìn)行張拉鎖定，達(dá)到抗拔承載力要求的錨索繼續(xù)使用，達(dá)不到抗拔承載力檢測(cè)值的錨索在旁邊增加新錨索進(jìn)行加固，實(shí)踐證明該方法簡(jiǎn)單可行，現(xiàn)該工程地下室已施工完畢，基坑支護(hù)已完成預(yù)期功能。

5 結(jié)論

本文結(jié)合江西某基坑涌水涌砂引起地面塌陷的工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)多種滑裂面情況、土體強(qiáng)度折減情況下的樁錨支護(hù)體系的土壓力、錨索拉力及支護(hù)樁內(nèi)力、位移進(jìn)行對(duì)比分析，相關(guān)結(jié)論如下：

（1）基坑地面塌陷會(huì)引起土壓力有較大的變化，在塌陷滑動(dòng)體的下部土壓力會(huì)有較大的增長(zhǎng)。

（2）地面塌陷區(qū)域如果只發(fā)生在錨索自由段，對(duì)錨固段的影響不大，但如果地面塌陷區(qū)域貫穿了錨索錨固段，會(huì)降低錨索抗拔承載力，對(duì)基坑受力更為不利。

（3）樁錨支護(hù)體系中，地面塌陷并不一定會(huì)引起基坑完全倒塌，對(duì)滑動(dòng)區(qū)土體強(qiáng)度、滑裂面強(qiáng)度等進(jìn)行適當(dāng)折減，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行計(jì)算，然后按新的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)行張拉鎖定，達(dá)到抗拔承載力檢測(cè)值的錨索繼續(xù)使用，達(dá)不到抗拔承載力檢測(cè)值的錨索在旁邊增加新錨索是一種簡(jiǎn)單可靠的方法，費(fèi)用較低具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐操作性。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王亮，楊俊杰，劉強(qiáng)，等.表面滲流對(duì)生態(tài)邊坡中客土穩(wěn)定性影響研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29（6）：1440-1445.

［2］ 孔郁斐， 宋二祥， 楊軍. 降雨入滲對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響［J］. 土木建筑與環(huán)境工程，2013，35（6）：16-21.

［3］ 朱彥鵬， 朱勝祥， 葉帥華. 某工程深基坑事故分析與二次加固設(shè)計(jì)［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2014， 36（s1）：186-191.

［4］ 王彥臻.地鐵聯(lián)絡(luò)通道涌水涌砂治理技術(shù)研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2020（3）：125-127.

［5］ 宋詩(shī)文.楊林隧道巖溶涌水成因分析及處治設(shè)計(jì)方案研究［J］.鐵道建筑技術(shù)， 2020（3）：128-132.

［6］ 鄭剛，雷亞偉，程雪松，等.局部錨桿失效對(duì)樁錨基坑支護(hù)體系的影響及其機(jī)理研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2019：1-9.

［7］ 程雪松，鄭剛，鄧楚涵，等.基坑懸臂排樁支護(hù)局部失效引發(fā)連續(xù)破壞機(jī)理研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37（7）：1249-1263.

［8］ 鄭有明，戴鴻濤，劉獻(xiàn)剛，等.異形截面全夯式擴(kuò)底灌注樁豎向承載受力機(jī)理研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2019，49（16）：127-132.

［9］ 中國(guó)建筑科學(xué)研究院. 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程JGJ120-2012［S］. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2012.

［10］ 張欽喜， 樊紹峰， 周予啟. 深基坑樁錨支護(hù)側(cè)土壓力反分析及數(shù)值模擬［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2009， 28 （S1）：3214-3220.