楊沛基，張 軍，嚴(yán) 鵬

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201； 2. 中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司，北京 101601)

0 引言

近年來，東南沿海地區(qū)發(fā)展迅速，城市的人口密集度持續(xù)增長，對于有限的城市土地資源，人們逐漸將城市發(fā)展目光轉(zhuǎn)移到地下工程，其中淤泥質(zhì)基坑工程是沿海地區(qū)地下工程的重要建設(shè)部分[1]。而淤泥質(zhì)基坑土體壓縮性較高、強(qiáng)度低、地基沉降大，引起土體彈性或塑性隆起，造成基坑失穩(wěn)?；勇∑鹗Х€(wěn)必將造成大大小小的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，因此坑底抗隆起穩(wěn)定性對淤泥質(zhì)基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)及基坑工程安全穩(wěn)定施工至關(guān)重要[2]。

近年來國內(nèi)學(xué)者針對不同地質(zhì)條件的基坑抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)、新的隆起破壞模式及抗隆起穩(wěn)定性影響因素做了大量的研究。王成華等[3]利用數(shù)值計(jì)算軟件模擬了基坑破壞形狀的影響，并分析了新提出的破壞模式的影響參數(shù)。侯曉亮等[4]通過強(qiáng)度折減法與傳統(tǒng)的規(guī)范法對比分析了基坑坑底的抗隆起穩(wěn)定性,驗(yàn)證了強(qiáng)度折減法實(shí)用性。吳家耀等[5]基于超載系數(shù)法和強(qiáng)度折減法，提出新的地下洞室群整體穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算方法。李飛等[6]采用有限元強(qiáng)度折減法分析了滲流作用下對深基坑抗隆起破壞的影響。史吏等[7]建立有限元模型，研究了偏壓工況下軟土地區(qū)基坑開挖的坑底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)。張飛等[8]基于離心模型試驗(yàn)的工況與數(shù)值分析模型對比分析了其工況的抗隆起穩(wěn)定性和隆起破壞狀態(tài)。陳孝湘等[9]運(yùn)用強(qiáng)度折減法研究狹長基坑坑底隆起破壞，發(fā)現(xiàn)了其新型破壞模式。俞建霖等[10]基于狹長型基坑常用的坑底抗隆起穩(wěn)定分析方法，提出新的坑底抗隆起穩(wěn)定計(jì)算方法。通過上述分析，一些國內(nèi)學(xué)者研究淤泥質(zhì)基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性重點(diǎn)考慮了空間效應(yīng)影響，對時(shí)間效應(yīng)的影響還需進(jìn)一步研究，較欠缺考慮時(shí)空效應(yīng)雙重因素影響淤泥質(zhì)基坑坑底抗隆起的研究。

針對以上問題，本文依托中國核工業(yè)二四建筑有限公司霞浦項(xiàng)目部的霞浦核電廠核電專家村基坑工程，運(yùn)用非線性有限元強(qiáng)度折減法，從坑底隆起破壞機(jī)理、空間效應(yīng)因素與時(shí)間效應(yīng)因素對基坑抗隆起穩(wěn)定性的影響等方面研究分析了淤泥質(zhì)基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性，并與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了二維有限元強(qiáng)度折減分析模型的可靠性，結(jié)果可為類似淤泥質(zhì)基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

核電專家村基坑工程項(xiàng)目位于福建省寧德市霞浦縣東南方向，地處沿海，東側(cè)臨近規(guī)劃的空海大道，西側(cè)臨近上沙東路，北側(cè)臨近沙州路，南側(cè)臨近洲洋路，交通便捷。本項(xiàng)目二期基坑周長為636.50 m，基坑面積1.36萬m2，本工程±0.00相當(dāng)于85國家高程基準(zhǔn)+6.500。

1.2 地質(zhì)條件

霞浦核電廠核電專家村基坑工程具有明顯的沿海地區(qū)淤泥質(zhì)地質(zhì)特征，上部地層為第四系全新統(tǒng)海積成因淤泥層，中部地層主要為沖洪積成因含泥圓礫、粉質(zhì)黏土層，下部為燕山期花崗巖及其風(fēng)化層。影響基坑開挖的土層實(shí)際共有兩層，其主要的特征如下：

素填土①(Q4ml)：分布廣泛，頂板標(biāo)高0.40 m～5.35 m，層厚1.20 m～4.50 m。灰黃色，濕，處于松散～稍密之間，成分主要為黏粉粒、砂礫及碎石組成，碎石含量約占10～25%，粒徑一般20～60 mm，個(gè)別粒徑可達(dá)100 mm，碎石分布不均勻，碎石巖性為中等風(fēng)化花崗巖，呈次棱角狀。

淤泥②(Q4m)：分布廣泛，部分地段為淤泥質(zhì)土，頂板標(biāo)高-1.34 m～2.60 m，層厚18.30 m～34.60 m，頂板埋深0.40 m～5.20 m。處于軟塑～流塑之間，主要成分由黏粒組成，局部夾薄層粉砂及黏土，黏性強(qiáng)，韌性高，干強(qiáng)度高。

1.3 地質(zhì)水文條件

施工場地內(nèi)地下水按其埋藏條件和性質(zhì)可分為上部素填土中的潛水、中部含泥圓礫～中粗砂中的弱承壓水和下部基巖及其風(fēng)化帶中的孔隙裂隙水。素填土層滲透性弱，富水性一般較弱，受大氣影響較大；下部賦存于含泥圓礫～中粗砂弱承壓水，其水頭標(biāo)高約-2.90～-1.90 m，該層富水性好，通過地下徑流方式往低洼處排泄。

2 有限元模型及計(jì)算理論

2.1 有限元模型建立及計(jì)算參數(shù)

為了減少計(jì)算，在不影響實(shí)際計(jì)算效果下，選取實(shí)際基坑工程左剖面建立二維數(shù)值計(jì)算分析模型。模型尺寸x×y=70 m×20 m，模型底部取至淤泥質(zhì)土層中。對于土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用15節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變模型，模型網(wǎng)格劃分選取超細(xì)的單元分布，模型生成1878個(gè)單元，15411個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖1所示?；硬捎秒p軸水泥攪拌樁重力式擋墻+內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，其彈性模量E為20 GPa，泊松比μ為0.15，采用線彈性本構(gòu)模型。模型的上邊界為地表，取地表為自由邊界，其他各面約束法向變形，將圍護(hù)樁等效為相同剛度的雙軸水泥攪拌樁重力式擋墻[11]。

圖1 有限元模型網(wǎng)格示意圖

根據(jù)基坑工程的勘察地質(zhì)報(bào)告，所穿過的土層參數(shù)見表1，土層材料屬性選擇土體硬化(HS)本構(gòu)模型，考慮到土體剛度的應(yīng)力相關(guān)性，屬于雙曲線彈塑性模型，構(gòu)建于塑性剪切硬化理論框架，涉及眾多參數(shù)，能更好反映出淤泥質(zhì)土的性質(zhì)。

表1 土層基本參數(shù)

2.2 強(qiáng)度折減法基本原理

強(qiáng)度折減法是通過將土體的強(qiáng)度參數(shù)tanφ和c以及抗拉強(qiáng)度逐步減小，直到土體發(fā)生破壞。一般來說，剪脹角ψ必不受強(qiáng)度折減的影響，但剪脹角永遠(yuǎn)不能大于摩擦角，當(dāng)摩擦角φ折減到等于給定的剪脹角時(shí)，對摩擦角的進(jìn)一步折減就會引起剪脹角同步折減[12]。在安全性分析計(jì)算中總乘子∑Msf總用每個(gè)階段的土體強(qiáng)度參數(shù)表示，即

(1)

式中，“input”和“reduced”均在屬性中賦值。強(qiáng)度折減法計(jì)算是根據(jù)指定的步數(shù)進(jìn)行自動折減強(qiáng)度參數(shù)，當(dāng)完成計(jì)算后先檢查模型是否完全達(dá)到破壞狀態(tài)，若是達(dá)到破壞狀態(tài)，安全系數(shù)SF是可用強(qiáng)度與破壞強(qiáng)度的比值，即破壞時(shí)的∑Msf值。

通過引入標(biāo)準(zhǔn)庫倫條件，安全系數(shù)S可表達(dá)為：

(2)

式中,c、φ為輸入強(qiáng)度參數(shù)，σn為實(shí)際正應(yīng)力分量。應(yīng)用這種方法，粘聚力和內(nèi)摩擦角的正切將同比例折減：

(3)

總乘子∑Msf支配強(qiáng)度參數(shù)的折減，使這個(gè)乘子一步一步增加，直到發(fā)生破壞。若在產(chǎn)生破壞后，持續(xù)計(jì)算中結(jié)果波動為一條平直線，從中分析得到一個(gè)恒定的∑Msf，這個(gè)乘子就定義為安全系數(shù)。

3 淤泥質(zhì)坑底抗隆起穩(wěn)定性影響因素分析

3.1 坑底隆起破壞機(jī)理分析

基坑開挖時(shí)開挖面會卸荷，坑底的土壓力減小會引起土體回彈，改變坑底土體的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)基坑開挖深度較小時(shí)，不會影響支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍土體移動，但坑底底部的土體抗剪強(qiáng)度降低，坑底發(fā)生彈性隆起，基坑坑底隆起中間大兩側(cè)小(圖2)；隨著開挖深度增大時(shí)，基坑任意一點(diǎn)的剪應(yīng)力都小于該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度；當(dāng)開挖深度達(dá)到一定程度，坑底土層在土壓力作用下破壞了應(yīng)力平衡狀態(tài)，產(chǎn)生塑性變形。隨著坑底土體應(yīng)力增大，塑性變形區(qū)也不斷擴(kuò)大，貫通并連成一片成連續(xù)的滑動面，支護(hù)結(jié)構(gòu)和坑外土體向坑內(nèi)移動，地面產(chǎn)生嚴(yán)重沉降，基坑底部的土體發(fā)生塑性隆起，發(fā)生剪切破壞，造成基坑失穩(wěn)。隆起表現(xiàn)為兩側(cè)大中央小的變化趨勢，其穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸變小。通過基坑破壞時(shí)的土體位移矢量增量圖(圖3)也揭示了隆起破壞機(jī)理與近似的隆起形狀。

圖2 開挖到最后坑底隆起變形網(wǎng)格圖

圖3 坑底隆起位移矢量圖

3.2 開挖深度對抗隆起穩(wěn)定性的影響研究

如圖4所示，反映了采用強(qiáng)度折減法計(jì)算分析得到不同開挖深度時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)與總位移的曲線關(guān)系，可以看出每條曲線后期都基本保持穩(wěn)定，得到了基本恒定的∑Msf值，即相應(yīng)的安全系數(shù)。其中開挖2 m的安全系數(shù)為3.727，開挖4 m的安全系數(shù)為2.302，開挖6 m的安全系數(shù)為1.706，抗隆起穩(wěn)定系數(shù)隨著開挖深度的加深而降低。

圖4 位移-安全系數(shù)曲線

為了驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)及有限元計(jì)算的抗隆起安全系數(shù)的合理性，根據(jù)行業(yè)規(guī)范《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)基坑抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算公式[13]，即

(4)

有關(guān)規(guī)范規(guī)定二級基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，Khe≥1.6。通過現(xiàn)場三軸壓縮試驗(yàn)得到三軸固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)ccu、φcu，結(jié)合基坑開挖的實(shí)際情況測量出γm1、γm2及l(fā)d，對淤泥質(zhì)基坑坑底的抗隆起安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算：Khe=1.734，Khe=1.734>1.600，抗隆起穩(wěn)定性滿足。同時(shí)與數(shù)值計(jì)算出的坑底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)為1.706相比較，在合理的誤差范圍內(nèi)，驗(yàn)證了土體硬化模型的實(shí)用性及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性?？孤∑痱?yàn)算簡圖如圖5所示。

圖5 抗隆起驗(yàn)算簡圖

3.3 土體參數(shù)對坑底抗隆起穩(wěn)定性的影響研究

從圖6可以看出，當(dāng)土體重度γ增加, 不同內(nèi)摩擦角φ的基坑坑底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)呈下降趨勢,坑底抗隆起的穩(wěn)定效果逐漸降低。從圖7和圖8可以看出，當(dāng)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ增大時(shí)，抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)呈上升趨勢，坑底抗隆起穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。土體重度γ的減小、粘聚力c的增大和內(nèi)摩擦角φ的變大都會對抑制坑底隆起有明顯的效果。通過以上分析，可知在粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ和土體重度γ三個(gè)土體參數(shù)中，內(nèi)摩擦角φ影響抗隆起穩(wěn)定性增強(qiáng)或降低效果更明顯。

圖6 重度對抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)影響

圖7 粘聚力對抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)影響

圖8 內(nèi)摩擦角對抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)影響

3.4 淤泥質(zhì)土層厚度對坑底抗隆起穩(wěn)定性的影響研究

從圖9可以看出，當(dāng)T/TC<1.2時(shí)，隨著T/TC值增大，坑底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)減小，成反比關(guān)系。說明坑底淤泥質(zhì)土層厚度減小，硬土層接近坑底時(shí)，限制土體位移的發(fā)展，而難以形成貫通的滑動面，在一定程度上抑制了坑底下的淤泥質(zhì)土發(fā)生塑性破壞。而當(dāng)T/TC≥1.2時(shí)，抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)曲線波動取值為一條平直線，對坑底抗隆起穩(wěn)定系性影響較小。在相同情況下，摩爾-庫倫模型下的抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)總要高于土體硬化模型下的抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)。

圖9 T/TC對抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)影響

3.5 時(shí)間效應(yīng)對坑底抗隆起穩(wěn)定性的影響研究

基坑暴露時(shí)間是時(shí)間效應(yīng)影響淤泥質(zhì)基坑坑底隆起穩(wěn)定性至關(guān)重要的因素。如圖10所示，基坑暴露時(shí)間較短,抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)變化較小,對隆起變形影響很小。但基坑暴露時(shí)間過長,施加在坑底土層的荷載減小，自重應(yīng)力得到釋放后會發(fā)生隆起現(xiàn)象,降雨或坑內(nèi)積水會引起土體的自重應(yīng)力大小的變化,會因坑底土體流變，造成坑底周圍土體失效變形，使抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)降低,危及基坑和周圍建筑物的安全性。

圖10 基坑暴露時(shí)間對安全系數(shù)影響

4 現(xiàn)場監(jiān)測對比分析

4.1 監(jiān)測方法

在施工開挖的基坑開挖面上設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，并將頂端裝有棱鏡的可伸縮監(jiān)測裝置放置在監(jiān)測點(diǎn)上。在基坑開挖面之外的平整地面上選取全站儀工作站點(diǎn)，通過調(diào)整棱鏡的高度與全站儀構(gòu)成通視。之后利用全站儀測量到基坑坑底土體的隆起量和基坑周圍地表沉降量，同時(shí)為了提高監(jiān)測的精度，應(yīng)選取基坑外的穩(wěn)定建筑物的一點(diǎn)當(dāng)基準(zhǔn)點(diǎn)，監(jiān)測發(fā)生的微小變量可及時(shí)修正監(jiān)測值。

4.2 結(jié)果對比分析

為了驗(yàn)證本模型建立的可靠性，對分析坑底抗隆起穩(wěn)定性增添實(shí)際意義。本文通過現(xiàn)場監(jiān)測的坑底隆起變化量、基坑周圍地表沉降變化量與有限元數(shù)值計(jì)算的結(jié)果對比。從圖11和圖12可以看出基坑坑底隆起量、基坑周圍地表變化量的有限元數(shù)值計(jì)算值與現(xiàn)場監(jiān)測值變形趨勢基本相同。有限元數(shù)值計(jì)算的基坑坑底最大隆起量為15.61 mm，現(xiàn)場監(jiān)測的最大隆起量為15.52 mm，隨著距離基坑中心變遠(yuǎn)，坑底土體由彈性隆起變形轉(zhuǎn)為塑性隆起變形。有限元數(shù)值計(jì)算的基坑周圍地表最大沉降量為21.56 mm，現(xiàn)場監(jiān)測的最大沉降量為21.39 mm，當(dāng)距基坑邊距離逐漸變遠(yuǎn)時(shí)，周圍地表沉降量先增大后減小。兩者的計(jì)算結(jié)果均在規(guī)范規(guī)定的警戒值之內(nèi)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

圖11 基坑坑底隆起量對比圖

圖12 基坑周圍地表變化量對比圖

5 結(jié)論

(1) 隨著基坑開挖深度的增加，坑底產(chǎn)生的彈性隆起轉(zhuǎn)變成塑性隆起，坑底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)減小。

(2) 綜合考慮了時(shí)間效應(yīng)與空間效應(yīng)雙重因素對淤泥質(zhì)基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性的影響，運(yùn)用強(qiáng)度折減法分析得到了淤泥質(zhì)基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性影響因素的變化規(guī)律，并提出采用土體分成若干條塊開挖、坑底被動區(qū)反壓、坑底水泥攪拌樁加固、內(nèi)支撐、做好墊層并盡快澆筑底板等技術(shù)措施抑制坑底隆起，提高抗隆起穩(wěn)定性，以保證淤泥質(zhì)基坑工程安全穩(wěn)定施工。

(3) 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值對比分析，驗(yàn)證了雙軸水泥攪拌樁重力式擋墻和內(nèi)支撐的支護(hù)形式對淤泥質(zhì)基坑坑底隆起破壞有明顯的抑制作用，為解決此類工程問題提供參考。