嚴(yán)耿明 黃建華,2

(1．福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院 福建福州 350108；2．地下工程福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350108)

0 引言

土釘支護(hù)是一種運(yùn)用于基坑開挖支護(hù)、隧道和邊坡加固的擋土技術(shù)，土釘支護(hù)具有占地面積小、施工效率高、成本低廉、施工過程簡(jiǎn)易等特點(diǎn)。所謂土釘支護(hù)，就是用土釘作為應(yīng)力構(gòu)件加固原位巖土體，同時(shí)與被土釘錨固的巖土體、噴射混凝土面組成支護(hù)結(jié)構(gòu)，抵抗基坑側(cè)壁的土壓力以及位移。

目前針對(duì)土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究主要集中在支護(hù)結(jié)構(gòu)變形研究[1-3]，土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力分布模式，以及土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模擬分析[4-5]等方面。沿海地區(qū)風(fēng)化凝灰?guī)r地質(zhì)條件下的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)表現(xiàn)和變形性質(zhì)，對(duì)工程施工安全有著重要的指導(dǎo)作用，對(duì)于支護(hù)工程的建設(shè)有非常重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

本文結(jié)合工程實(shí)例以及數(shù)值模擬，對(duì)土體受力、位移、變形進(jìn)行分析，得到其在穩(wěn)定、變形等方面的一些基本規(guī)律，進(jìn)而提出土釘支護(hù)技術(shù)在風(fēng)化凝灰?guī)r地質(zhì)條件下基坑設(shè)計(jì)建議，為優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

擬建建筑物施工場(chǎng)地屬山前準(zhǔn)平原地貌單元。項(xiàng)目總規(guī)劃用地面積約6.1萬(wàn)m2，擬建項(xiàng)目由9棟高層住宅樓和裙樓及地下室組成。其中，5棟住宅樓為18層，4棟住宅樓為33層，裙樓均為1層，地下室為2層。場(chǎng)地東側(cè)與村莊接壤，西側(cè)北側(cè)與住宅樓相接。場(chǎng)地經(jīng)大致整平地勢(shì)較平坦，標(biāo)高為4.20m～15.70m。

1.1 場(chǎng)地巖層特征

擬建工程巖土層典型剖面圖見圖1，土層分布特征如下。

圖1 巖土層典型剖面圖

① 雜填土：灰-灰黃色，稍濕-飽和，松散狀態(tài)，主要由粘性土、碎石及建筑垃圾等組成，厚度0.50m～5.30m。

② 淤泥：深灰色，流塑-飽和，主要由粘、粉粒組成，含少量腐植質(zhì)和細(xì)砂，厚度1.20m～6.30m，平均厚度3.23m。

③ 凝灰?guī)r殘積粘性土：褐黃-灰黃色，濕，可塑-硬塑狀態(tài)，殘余原巖結(jié)構(gòu)，主要以粘性土為主，厚度1.30m～17.30m。

④ 全風(fēng)化凝灰?guī)r：褐黃-灰黃色，凝灰結(jié)構(gòu)，散體狀構(gòu)造，巖體極破碎，為極軟巖，質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，層厚1.90m～4.80m。

⑤ 砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r：褐黃-灰黃色，凝灰結(jié)構(gòu)，散體狀構(gòu)造，巖體極破碎，為極軟巖，質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，層厚4.50m～30.60m。

⑥ 碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r：灰黃色，凝灰結(jié)構(gòu)，碎裂狀構(gòu)造，孔隙發(fā)育充分，巖體破碎，為極軟巖-軟巖，質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，揭露厚度2.20-19.00m。

1.2 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

施工場(chǎng)地的地下水主要受降雨的下滲補(bǔ)給及滲流補(bǔ)給，通過蒸發(fā)及側(cè)向滲流排泄。場(chǎng)地初見水位埋深2.21m～4.27m，混合穩(wěn)定水位埋深為2.09m～4.13m。③凝灰?guī)r殘積粘性土中的網(wǎng)狀分布的孔隙裂隙水，為潛水，透水性較差，富水性較差。④全風(fēng)化凝灰?guī)r的基巖孔隙裂隙水具弱承壓性，滲透性主要受孔隙的性質(zhì)及豐度控制，張性裂隙豐度較差，其水量一般。因此，應(yīng)在基坑內(nèi)布置井點(diǎn)降水體系確保土釘支護(hù)施工順利。

2 支護(hù)方案選擇

二層地下室基坑工程開挖土層以①雜填土、②淤泥、③凝灰?guī)r殘積粘性土、④全風(fēng)化凝灰?guī)r為主，開挖深度不大(介于1.80m～6.10m)，由于存在①雜填土、②淤泥軟弱土層，基坑在放坡開挖過程，基坑側(cè)壁土體在自重、土壓力及地下水滲流作用下可能發(fā)生坍塌、滑坡等破壞，須采取防護(hù)措施。

由于工程工期緊，在保證基坑安全前提下采取快速有效的基坑支護(hù)可加快施工進(jìn)度。其次，基坑工程面積大，支護(hù)范圍廣，需要采用最經(jīng)濟(jì)的支護(hù)手段，在適應(yīng)地質(zhì)要求同時(shí)盡可能減少成本，降低工程造價(jià)。同時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備多，占用大部分場(chǎng)地，留給支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間較少。結(jié)合工程場(chǎng)地的地質(zhì)條件及周邊情況，基坑開挖支護(hù)方式采用土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。

圖2 土釘支護(hù)剖面圖

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

在方便計(jì)算的前提下，對(duì)土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬時(shí)有如下4種假定：(1)設(shè)定模型為二維平面，支護(hù)問題是平面應(yīng)變問題；(2)基坑巖土體為各向同性且顆粒均勻的彈塑性體；(3)土釘結(jié)構(gòu)為理想彈性體；(4)不考慮車載影響[6-8]。

本文對(duì)基坑支護(hù)模型分析采用二維分離式模型，把土體、土釘結(jié)構(gòu)和噴射混凝土面視作3種獨(dú)立的單元結(jié)構(gòu)，并考慮單元間相互作用。土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)模型長(zhǎng)度取25m，高度取11.5m，模擬的基坑開挖深度為10.6m。模型使用15節(jié)點(diǎn)的三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型兩側(cè)設(shè)置水平約束，模型底部設(shè)置水平和垂直兩方向約束。模型中，混凝土面用板單元來模擬，板單元表面的界面單元用來模擬巖土體、土釘以及噴射混凝土面的相互作用；土釘僅考慮其抗拔能力，且與土體緊密貼合，不考慮被拔出土體，用錨錠桿單元來模擬[9-11]。土體中，淺黃色為粘性土層，淡綠色為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r土層，具體土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。土釘支護(hù)模型見圖3(a)，根據(jù)工程設(shè)計(jì)施工參數(shù)，建立網(wǎng)格劃分圖3(b)，初始應(yīng)力分布圖4(a)，初始水壓力分布圖4(b)。

(a)

(b)圖4 初始應(yīng)力和水壓力分布圖

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 施工步驟模擬

為了模擬實(shí)際施工過程，減少有限元模擬與實(shí)際的偏差，將有限元模擬分為7個(gè)步驟，具體程序如下：(1)通過重力加載形成土層的初始應(yīng)力狀態(tài)，激活巖土體單元及邊界條件，僅計(jì)算土體的初始應(yīng)力場(chǎng)。(2)開挖第一層巖土體，建立第一層土釘并配置噴射混凝土面。(3)開挖第二層巖土體，建立第二層土釘并配置噴射混凝土面。(4)開挖第三層巖土體，建立第三層土釘并配置噴射混凝土面。(5)將基坑水位降低至開挖面以下，開挖第四層巖土體，建立第四層土釘并配置噴射混凝土面。(6)將基坑水位降低至開挖面以下，開挖第五層巖土體，建立第五層土釘并配置噴射混凝土面。(7)將基坑水位降低至開挖面以下，開挖第六層巖土體，配置噴射混凝土面[12]。

3.3 基坑變形分析

圖5為基坑開挖過程中基坑變形的模擬圖。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)圖5 基坑開挖變形圖

隨著基坑開挖的進(jìn)行，基坑側(cè)壁受周圍巖土體產(chǎn)生的側(cè)向土壓力的影響會(huì)向基坑開挖側(cè)發(fā)生水平位移，如圖5所示，基坑側(cè)壁側(cè)向位移由基坑開挖坡面呈現(xiàn)曲線狀分布，隨著開挖深度的不斷增加，基坑側(cè)壁側(cè)向位移也隨之逐漸增加，且有變形加快的趨勢(shì)。前兩步工序水平位移量較少，在第三步、第四步工序開挖支護(hù)時(shí)，基坑側(cè)壁發(fā)生了相對(duì)較大的變形，第五步與第六步工序造成的位移又有所減少。開挖支護(hù)穩(wěn)定后，基坑坑壁最大位移在基坑的中下部，距離坡頂7m位置，最大位移為7.22cm，基坑側(cè)壁側(cè)向位移隨開挖深度呈現(xiàn)出類似于括號(hào)的曲線。具體各工序坑壁水平位移如圖6所示。

實(shí)測(cè)的最大位移為7.35cm，略大于模擬的結(jié)果，其原因是數(shù)值模擬是一個(gè)理想化的過程，忽略了在實(shí)際開挖時(shí)巖土體可能因?yàn)殚_挖而產(chǎn)生強(qiáng)度降低現(xiàn)象。

圖6 各工序水平位移統(tǒng)計(jì)

由于基坑的開挖，基坑底部出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，這有兩個(gè)原因：一是原位土體被開挖后卸載荷載產(chǎn)生的回彈，二是因?yàn)榛铀闹艿膸r土體產(chǎn)生的側(cè)向壓力對(duì)基坑底部具有擠壓的效果。隨著基坑開挖的進(jìn)行，在開挖卸荷和擠壓作用的影響下，基坑底部隆起量不斷增大，呈現(xiàn)出在粘性土層隆起較少，在風(fēng)化凝灰?guī)r層隆起較大且較為均勻?；拥撞柯∑鹆康淖畲笾挡课幌蚧拥撞恐行奈恢每拷?，開挖施工結(jié)束后，基坑底部隆起量最大值出現(xiàn)在基坑中心位置，最小值在坑壁坡腳處，最大隆起量為8.41cm?；又行奈恢脦r土體的隆起量比基坑側(cè)壁位置巖土體的隆起量更大，且隨著開挖的進(jìn)行，兩個(gè)位置隆起量差值逐漸增大?；拥撞柯∑鹆繑?shù)據(jù)如圖7所示。

實(shí)測(cè)的隆起量最大值為8.19cm，略小于模擬的結(jié)果，其原因是數(shù)值模擬受限于模型的邊界，不能完美地模擬出基坑底部隆起的整體過程，但其變形趨勢(shì)與實(shí)際基本相同。

圖7 各工序基坑坑底隆起量統(tǒng)計(jì)

基坑周圍地表由于基坑的開挖會(huì)產(chǎn)生沉降，并隨著開挖量增加，沉降量不斷增加，但切增速較為均勻?；铀闹艿孛娴某两盗垦剡h(yuǎn)離坑壁的方向呈現(xiàn)出下凹曲線狀分布，在距離基坑一定距離后，地表沉降量將歸零?；娱_挖完成后，沉降量最大值出現(xiàn)在離基坑側(cè)壁1.5m位置，沉降量最大值為2.74cm。開挖的前4個(gè)步驟，基坑側(cè)壁附近沉降量為正值，其原因是基坑開挖卸荷造成的回彈變形。各工序具體沉降量如圖8所示。

實(shí)測(cè)的沉降量最大值為2.81cm，略大于模擬的結(jié)果，基坑周圍土體的沉降量與基坑側(cè)壁的位移相關(guān)，基坑側(cè)壁水平位移的實(shí)際值大于理論值，導(dǎo)致土體沉降量的實(shí)際值大于理論值。

圖8 基坑周圍土體沉降量

3.4 基坑內(nèi)應(yīng)力分析

圖9為基坑開挖過程剪應(yīng)力分布。

其中，圖9(g)為剪應(yīng)力分布圖的色度表，單位為(kN/m2)。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)圖9 基坑開挖剪應(yīng)力分布

由于側(cè)向土壓力，開挖基坑會(huì)造成基坑坑壁底部剪應(yīng)力集中，第一步、第二步開挖時(shí)產(chǎn)生的剪應(yīng)力較小，后4步開挖產(chǎn)生剪應(yīng)力較大?；娱_挖分兩層，在第三步開挖之后，上層坡腳處剪應(yīng)力基本不變，保持在18kN/m2左右?；娱_挖完成后，剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在坡腳處，最大值為37kN/m2，小于抗剪強(qiáng)度，并未出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象，基坑整體處于較為穩(wěn)定狀態(tài)。

3.5 基坑內(nèi)滲流場(chǎng)分析

圖10為基坑開挖過程滲流場(chǎng)的分布。

(a)

(b)

(c)

(d)圖10 基坑開挖滲流場(chǎng)

其中，d圖為滲流場(chǎng)色度表，單位為m/d。

工程擬建場(chǎng)地地下水位為6.0m，第四步到第六步工序開挖原地下水位以下巖土體，基坑內(nèi)需布設(shè)井點(diǎn)降水裝置降低地下水位至開挖深度以下再進(jìn)行開挖支護(hù)。降水后的基坑內(nèi)的地下水位與場(chǎng)地外的地下水位之間的水頭差形成滲流場(chǎng)。圖10是有限元模擬的第四步到第六步基坑內(nèi)的滲流場(chǎng)。在坑壁坡腳處，滲流速度較快，基坑開挖完成后最大滲流速度為19.08m/d。工程實(shí)際中，巖土體在自重壓力下仍保持完整和穩(wěn)定，未有流沙流土等破壞現(xiàn)象。

4 基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.1 土釘抗拔承載力驗(yàn)算

為了控制單根土釘拔出后造成的土釘墻支護(hù)局部段失穩(wěn)，需要單獨(dú)算出每根土釘在側(cè)向土壓力作用下產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和每根土釘?shù)目拱纬休d力，同時(shí)計(jì)算得出的兩種參數(shù)必須符合下式的公式規(guī)定:

式中Kt為土釘抗拔安全系數(shù)，安全等級(jí)為二級(jí)的土釘墻，Kt應(yīng)不小于1.6，Nk,j為第j層土釘?shù)妮S向拉力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)，Rk,j第j層土釘極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)。經(jīng)計(jì)算，Kt最小值為6.169，滿足上述公式要求。

4.2 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)該參照施工期間各工序可能產(chǎn)生的滑動(dòng)面，采用圓弧滑動(dòng)簡(jiǎn)單條分法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

min{Ks1,Ks2…Ks3, …}≥Ks

代入?yún)?shù)Ksmin值為4.35大于1.3，滿足上述公式要求。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的方法，對(duì)風(fēng)化凝灰?guī)r地質(zhì)基坑土釘支護(hù)安全穩(wěn)定性的問題進(jìn)行研究。二維分離式模型模擬了基坑在開挖全過程中變形以及受力。研究結(jié)果表明：

(1)PLAXIS有限元軟件能很好地模擬整個(gè)基坑開挖并進(jìn)行土釘支護(hù)過程，采用摩爾庫(kù)倫模型計(jì)算的坑壁位移、基坑底部隆起以及基坑四周地面沉降的數(shù)據(jù)可靠，與實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)先吻合，對(duì)變形的分析與工程實(shí)際變形基本相似。

(2)由各工序水平位移統(tǒng)計(jì)可以看出，土釘支護(hù)下基坑坑壁水平位移呈先增大后緩慢減小，最大位移出現(xiàn)在基坑中下部距離坡頂7m處，最大位移為7.22cm。由各工序坑底隆起統(tǒng)計(jì)可以看出，基坑坑底隆起量在基坑中心最大，眼兩側(cè)逐漸減小，隆起量最大值為8.41cm。由基坑周圍土體沉降統(tǒng)計(jì)可以看出，基坑周圍地表沉降深度隨離基坑的距離增加而減少，沉降量最大值為2.74cm?；幼冃卧谠试S值之內(nèi)，整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，滿足工程需求。

(3)由基坑各工序開挖剪應(yīng)力分布可以看出，基坑坑壁底部形成剪應(yīng)力集中區(qū)，在坡腳出現(xiàn)最大值，剪應(yīng)力沿遠(yuǎn)離坡腳方向逐漸減少，最大值為37kN/m2。小于土體抗剪強(qiáng)度，并未產(chǎn)生剪切破壞。

(4)由基坑各工序開挖滲流場(chǎng)分布可以看出，在開挖低于原地下水位的巖土體時(shí)，基坑內(nèi)部產(chǎn)生滲流場(chǎng)，在坡腳處滲流速度最大，最大滲流速度為19.08m/d，擬建場(chǎng)地巖土體性質(zhì)較好，并未產(chǎn)生滲流破壞。