王 克（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖南總隊(duì)，湖南 株洲 412011）

基坑工程作為巖土工程施工中的一項(xiàng)重要作業(yè)內(nèi)容，其邊坡的安全穩(wěn)定性一直受到科研學(xué)者和廣大施工從業(yè)者們的高度重視。但是，當(dāng)前關(guān)于巖土工程中基坑邊坡失穩(wěn)及其加固處理技術(shù)的研究，一般都集中在單純的土質(zhì)深基坑，或者是巖質(zhì)深基坑，對于土巖雙質(zhì)深基坑的研究相對較少[1]。本文通過某工程案例就土巖雙質(zhì)深基坑施工中的邊坡失穩(wěn)及其加固技術(shù)進(jìn)行探究，為廣大從業(yè)者提供一些參考。

1 工程概況

位于我國山東青島的某大型公共綜合體項(xiàng)目，建筑總面積約98.5萬m2，地下室共有5層，地上則為高低層連體建筑和多層建筑，該項(xiàng)目占地面積約122600m2，施工基坑周長約1124m，基坑內(nèi)最小深度18.8m，基坑內(nèi)最大深度31.2m，其中，土層的厚度約8m～16m，經(jīng)綜合判定屬于典型的土巖雙質(zhì)深基坑，該項(xiàng)目基坑起伏程度較大，地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜。

2 基坑數(shù)值模擬

由于該工程項(xiàng)目基坑面積大、地質(zhì)條件復(fù)雜，所以基坑施工期間邊坡的失穩(wěn)監(jiān)測及其加固就顯得十分重要[2]。施工單位借助FLAC3D軟件對基坑開挖的全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場施工實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析基坑可能出現(xiàn)的失穩(wěn)狀態(tài)，進(jìn)而采取相應(yīng)的加固措施。

2.1 模型參數(shù)取值的確認(rèn)

FLAC3D軟件是一種基于有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算法的建模軟件，該軟件可以根據(jù)項(xiàng)目基坑的有關(guān)技術(shù)參數(shù)，對基坑開挖過程中巖土和結(jié)構(gòu)之間的相互作用進(jìn)行建模[3]。由于軟件建模需要以基坑的有關(guān)技術(shù)參數(shù)作為重要依據(jù)，因此施工方通過查閱文獻(xiàn)和現(xiàn)場測量，得到的項(xiàng)目基坑巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 項(xiàng)目基坑巖土體的物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 模型的建立

由于該項(xiàng)目的基坑面積大，南北方向之間跨度范圍690m～710m，東西方向之間跨度范圍140m～165m，且為極其不規(guī)則的長方形。由于東西方向的跨度范圍方便建立模型，且經(jīng)現(xiàn)場測算其模擬結(jié)構(gòu)也較為準(zhǔn)確，故而選擇東西跨度方向155m處的基坑剖面進(jìn)行軟件建模，該位置處基坑剖面的模型尺寸為740m×115m。該模型依照基坑土巖層的分布特點(diǎn)，從地坪地面至基坑底部，土巖層的分布及其平均厚度如表2所示。在對基坑的開挖步驟進(jìn)行模擬時(shí)，依照基坑土巖層的分布特點(diǎn)分三步開挖，第一步挖至室外地坪以下5m處（挖至粉質(zhì)黏土層底部），第二步挖至室外地坪以下7m處（挖至含黏性土粗粒砂層底部），第三步挖至室外地坪以下18m處（挖至細(xì)?；◢弾r層底部）。

表2 項(xiàng)目基坑模型土巖層分布及其平均厚度

在軟件建立的模型中，將開挖部分的土巖通過網(wǎng)格劃分為1m×1m的土巖單元，以便于對土方內(nèi)外部的應(yīng)力和邊坡受力狀況進(jìn)行分析[4]。

2.3 開挖過程基坑變形模擬監(jiān)測

通過軟件，對三個(gè)開挖步驟期間的基坑位移進(jìn)行模擬監(jiān)測。

如圖1所示，當(dāng)基坑在開挖至室外地坪以下5m處時(shí)，沒有發(fā)生明顯的較大變形，基坑狀態(tài)穩(wěn)定，邊坡安全。但是受面積圖形不規(guī)則、網(wǎng)格劃分不均勻等因素影響，基坑存在西負(fù)東正（即基坑兩側(cè)向后收縮）的較小位移變化。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，位移量還不到1mm，對于后續(xù)的模擬計(jì)算無誤差影響。

圖1 基坑開挖至5m深度處位移變化

如圖2所示，隨著基坑開挖深度的逐漸增加，基坑的位移變形也在逐漸增大，經(jīng)過軟件反應(yīng)的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)測確認(rèn)，當(dāng)基坑開挖深度達(dá)到12m，即第二步驟土體完成開挖時(shí)，在基坑的東側(cè)頂部出現(xiàn)的最大位移變形為72mm，在基坑的西側(cè)頂部出現(xiàn)的最大位移變形為25mm，位于東側(cè)的位移變形相對較大，且基坑?xùn)|側(cè)的邊坡失穩(wěn)隱患也較大。

圖2 基坑開挖至7m深度處位移變化

如圖3所示，隨著基坑的進(jìn)一步開挖，在基坑?xùn)|西兩側(cè)頂部的位移變形進(jìn)一步增大，但是由于地下巖層相對比較穩(wěn)定，使得東西兩側(cè)頂部位移變形的速率有所減慢，而且位移變形多處于土層空間位置，巖層空間的位移較小。但是東側(cè)的位移變形是明顯大于西側(cè)的，特別是當(dāng)開挖深度達(dá)到30m時(shí)，基坑?xùn)|側(cè)頂部的最大位移變形已達(dá)110mm，而基坑西側(cè)頂部的最大位移變形僅有26mm。

圖3 基坑開挖至18m深度處位移變化

綜合上述分析，通過軟件模擬和現(xiàn)場實(shí)測，基坑?xùn)|側(cè)的邊坡失穩(wěn)隱患較大。

3 基坑邊坡支護(hù)加固模擬

由于在基坑變形的模擬與監(jiān)測過程中，確認(rèn)該基坑的東側(cè)存在邊坡失穩(wěn)隱患，故而同樣借助軟件進(jìn)行支護(hù)加固模擬并應(yīng)用于邊坡的加固維護(hù)。

綜合考慮該基坑的巖土物理力學(xué)參數(shù)，以鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力錨桿作為邊坡失穩(wěn)加固的處理手段[5]，對三個(gè)步驟挖運(yùn)土方過程中的基坑?xùn)|側(cè)邊坡進(jìn)行加固維護(hù)。

在所建立的支護(hù)加固模型中，鉆孔灌注樁長度28m，樁與樁之間的距離為3m，第一排預(yù)應(yīng)力錨桿和鉆孔灌注樁樁頂?shù)木嚯x為6m，從第二排預(yù)應(yīng)力錨桿位置起，每排預(yù)應(yīng)力錨桿之間的距離為5m，預(yù)應(yīng)力錨桿的長度為15m，錨固段長度為5m，傾斜角為30°。

在支護(hù)加固模擬后，基坑位移云圖如圖4所示，此時(shí)基坑頂部橫向的位移都是負(fù)值，即基坑整體是由南側(cè)向北側(cè)發(fā)生了微小位移形變，且位移最大值僅有1.41mm；在基坑的縱向方向上，最大位移變形為1.15mm。以上軟件模擬和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果顯示，采取支護(hù)加固措施后，基坑在水平方向上產(chǎn)生了由外向內(nèi)的微小位移變形，但是基坑邊坡是穩(wěn)定的，不存在失穩(wěn)安全隱患。

圖4 基坑開挖至5m深度處時(shí)的位移云圖

如圖5所示，當(dāng)基坑的開挖深度達(dá)到13m時(shí)，此時(shí)土巖深基坑上部的土層已經(jīng)全部挖出完畢，雖然鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力錨桿起到了一定的邊坡加固作用。但是由于基坑深度較大，此時(shí)軟件云圖顯示的位移量對于邊坡的穩(wěn)固而言，存在一定隱患。經(jīng)現(xiàn)場復(fù)核，此時(shí)基坑縱向的最大位移變形量為6.6mm，位于基坑?xùn)|側(cè)地下約11m深度位置處，橫向最大位移變形量為5.3mm，發(fā)生在基坑南側(cè)地下約11m深度位置處。由此說明，基坑邊坡在采取加固措施后，其位移變形開始向基坑壁的中部轉(zhuǎn)移，但是最大位移均在同一深度位置處，這對于加固施工是有利的。

圖5 基坑開挖至13m深度處時(shí)的位移云圖

如圖6所示，當(dāng)基坑挖至底部標(biāo)高時(shí)，鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)完成。根據(jù)軟件云圖和現(xiàn)場實(shí)測，此時(shí)基坑橫向位移變形量最大值為15mm，發(fā)生在基坑的南側(cè)地下深度約20m位置處；基坑縱向的位移變形量最大值為25mm，發(fā)生在基坑的東側(cè)地下深度約20m位置處。特別值得注意的是，此時(shí)基坑位移變形趨勢開始由基坑的中部向基坑的東部開始延展，這和軟件模型云圖顯示的圖像數(shù)據(jù)是吻合的，盡管如此，基坑的位移變形都在可控范圍內(nèi)，基坑邊坡的穩(wěn)定性安全得到了保障。

圖6 基坑開挖至25m深度處時(shí)的位移云圖

4 結(jié)語

通過梳理工程項(xiàng)目概況，選取合理的模型參數(shù)，借助FLAC3D軟件進(jìn)行基坑位移變形模擬，通過模擬指示進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，確認(rèn)變形模擬的有效性，再通過支護(hù)加固情境下的位移變形模擬和實(shí)測檢驗(yàn)支護(hù)加固的效果，從而保障基坑邊坡在基坑開挖過程中的安全性。