范立成,黃 貴,莫 凡,林細桃,程海林,徐前衛(wèi),韓宇峰,彭伯倫,麻國躍

(1.中國建筑第八工程局有限公司南方公司,廣東 深圳 518038;2.同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院,上海 201804)

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化進展加速,地下空間開發(fā)利用逐步向大規(guī)模、大深度、功能復(fù)雜的方向發(fā)展。由于地下環(huán)境錯綜復(fù)雜,安全風(fēng)險大,需保證基坑穩(wěn)定性、控制變形、防水防滲等,防止發(fā)生坍塌、滲漏、沉降等事故。目前許多學(xué)者研究深大基坑邊坡及邊坡支護的受力變形特性,在不良地質(zhì)地區(qū)邊坡穩(wěn)定性受到特別關(guān)注。章瑞環(huán)等[1]、蘇永華等[2]采用了理論分析方法分別對黃土與強降水下邊坡穩(wěn)定性進行分析;葉帥華等[3]、李元松等[4]給出了一般情況下邊坡穩(wěn)定性評價,指出未來發(fā)展趨勢;針對膨脹土地層,徐永福等[5]、莫凡等[6]分別利用理論分析與現(xiàn)場監(jiān)測方法得到了適用于膨脹土邊坡穩(wěn)定分析方法,并說明了裝配式防護體系能有效應(yīng)用于膨脹土地層中。裝配式防護體系具有綠色高效特點,汪學(xué)清等[7]、莫凡等[6]、宋向榮等[8]、張鵬等[9]、孫濤等[10]分別采用理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗方法,分析不同材料、工藝、剛度面層的受力變形規(guī)律,并評價了裝配式面層支護效果。

上述研究為不良地質(zhì)條件下邊坡穩(wěn)定提供了一些經(jīng)驗借鑒,但目前針對邊坡支護特性的研究還不夠深入,尤其是針對綠色裝配式邊坡的研究還不多見。本文依托南寧國際空港深大基坑工程,通過數(shù)值模擬方法,結(jié)合現(xiàn)場實測,深入分析綠色裝配式邊坡穩(wěn)定性及面層受力變形特性,為邊坡防護設(shè)計與施工服務(wù)。

1 工程概況

1.1 項目概況

南寧國際空港綜合交通樞紐工程位于南寧市吳圩機場T2航站樓前,距離南寧市區(qū)約30km,是集鐵路、公路長途、城市軌道交通、城市公交、出租車及社會停車等功能于一體的大型綜合交通樞紐,樞紐基坑場區(qū)具有占地面積大、范圍廣、深度大特點。

如圖1所示,樞紐基坑分為2層開挖,全部采用明挖法施工。地下1層長邊坡采用錨桿結(jié)合綠色裝配式面層支護,以盆式開挖,分兩級臺階,臺階坡率為1∶1.5,邊坡面采用綠色裝配式GFR面層支護,如圖2所示。地下2層深基坑采用樁錨支護體系,樁間采用綠色裝配式面層支護,支護樁徑1.0m,樁間距1.5m。

圖1 基坑橫剖面

圖2 基坑頂部邊坡裝配式面層鋪設(shè)效果

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料,場區(qū)內(nèi)所揭露地層地質(zhì)條件較復(fù)雜。如圖3所示,基坑開挖所揭露的地層自上而下分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土、角礫土、白云質(zhì)灰?guī)r。白云質(zhì)灰?guī)r巖體較完整,屬于硬質(zhì)巖,巖溶發(fā)育,白云質(zhì)灰?guī)r內(nèi)部溶洞被黏土充填。

圖3 工程地質(zhì)剖面

南寧地區(qū)雨水豐富,地表集中徑流不發(fā)育,本項目地下工程大部分敞開施工或地下工程埋深較淺,地表水易通過集中下滲補給地下水,對局部地下水水位有一定抬升作用。場區(qū)內(nèi)存在巖溶區(qū)段,施工中易產(chǎn)生涌水現(xiàn)象。地下水劃分為第四系土層孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水3種類型。

2 模型介紹

2.1 計算模型

計算通過對長大基坑分層開挖歷程進行模擬,以實現(xiàn)對綠色裝配式圍護結(jié)構(gòu)體系力學(xué)特性分析。計算模型如圖4所示,模型長128m、寬6m、高44m。地下1層長邊坡寬15.21m、高9.14m,坡率為 1∶1.5, 錨桿長度2m,間距2m;地下2層深基坑高9m,冠梁尺寸為1m×1m,灌注樁長14m、直徑1m、間距1.5m,上層錨索自由段長度Lf=7m、錨固段長度Lm=13m,下層錨索自由段長度Lf=6.5m、錨固段長度Lm=6m。邊界條件除底面全部約束外,其余側(cè)面均施加法向約束,頂部為自由面。

圖4 有限元模型(單位:m)

施工階段按實際施工過程設(shè)置,模擬基坑支護開挖全過程。施工中采用分層分區(qū)開挖方案,按深度方向共分為2層,地下1層采用盆式開挖,開挖1塊區(qū)域后立即支護;地下2層在圍護樁支護條件下開挖,并隨開挖分塊,逐步激活裝配式面層。

2.2 參數(shù)選取

地層采用修正Mohr-Coulomb三維實體單元模擬,灌注樁采用彈性梁單元模擬,GRF面層、底板采用彈性板單元模擬,錨桿、錨索采用彈性植入式桁架單元模擬。

各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示,根據(jù)地質(zhì)勘察報告,取彈性模量與壓縮模量相同,剪脹角取0°。各結(jié)構(gòu)單元參數(shù)如表2所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

3 模擬結(jié)果

3.1 邊坡體受力變形

坡體沉降最大值為9.19mm,出現(xiàn)在邊坡坡頂,在施工控制范圍內(nèi),邊坡處于安全狀態(tài)。沉降值隨施工階段變化如圖5所示,隨著地下1層與地下2層的開挖,坡頂整體呈階梯式沉降趨勢。由沉降貢獻值柱狀圖可知,盆式開挖1、開挖2-7、開挖2-8、開挖3-2、開挖3-3對坡頂沉降影響最大。盆式開挖1為大量土方開挖施工步,其余施工步均為開挖深部土體。這說明一次開挖大量土體與開挖深部土體對坡體沉降影響更嚴(yán)重,當(dāng)施工進行到深部區(qū)域時,需對坡體加強監(jiān)測與保護。

圖5 坡頂沉降曲線

開挖完成后坡體側(cè)向變形如圖6所示。由圖6可知,邊坡位移近似呈層狀分布,邊坡面自上至下側(cè)向變形不斷增大,邊坡存在向側(cè)向滑移趨勢,側(cè)向變形最大值為19.2mm,出現(xiàn)在邊坡面第7層錨桿處;地下2層樁錨支護體系位移規(guī)律與懸臂梁相似,由樁底向樁頂位移不斷增大,最大位移出現(xiàn)在樁頂位置。

圖6 坡體側(cè)向變形(單位:mm)

邊坡面在無支護開挖與有支護開挖工況下沉降如圖7所示,裝配式面層支護開挖工況下坡頂最大沉降為9.19mm,無支護開挖工況下坡頂最大沉降達25.63mm,無支護工況超出控制標(biāo)準(zhǔn)。因此,需對邊坡進行支護。

圖7 邊坡面開挖沉降(單位:mm)

邊坡面在有支護與無支護工況下土體等效塑性應(yīng)變區(qū)域如圖8所示。有支護工況下邊坡體等效塑性應(yīng)變未貫通至地表,這說明此時坡體安全;在無支護工況下,坡體等效塑性應(yīng)變貫通至地表,此時坡體可能出現(xiàn)整體滑移,等效塑性應(yīng)變較大區(qū)域即為邊坡可能出現(xiàn)整體滑移的滑移面。由圖8可知,在地下1層基坑下方存在軟弱夾層,軟弱夾層處等效塑性應(yīng)變也達到較大值,這表明土層自身性質(zhì)是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素,這說明對軟弱地層的堪察是保證施工安全的必要手段。

圖8 坡體等效塑性應(yīng)變對比

錨桿軸力分布如圖9所示。頂部與底部錨桿軸力分布變化較均勻,這表明頂部、底部錨桿支護效果差,兩種現(xiàn)象分別對應(yīng)不同原因。頂部錨桿安置深度較淺,此處巖土體位移積累較小,無法充分發(fā)揮錨桿性能;底部錨桿長度較短,錨固段未伸入深部穩(wěn)定地層內(nèi),錨桿整體處于滑坡體內(nèi),因此減弱了錨桿主動支護效果。中部錨桿受力主要集中在錨固段端頭向內(nèi)1/3范圍,軸力沿錨桿長度方向急劇減小后趨于穩(wěn)定,這是典型錨桿受力分布特征[11],說明此處錨桿支護參數(shù)設(shè)置較合理。但注意到所有錨桿軸力均較小,模擬結(jié)果最大值為3.47kN,這表明錨桿對于支護結(jié)構(gòu)受力的改善效果并不明顯。實際工程中應(yīng)提前探查潛在滑動面,合理設(shè)置錨桿參數(shù)。

圖9 錨桿軸力分布

3.2 支護體系受力變形

面層側(cè)向變形如圖10所示,分析面層與錨桿施作后的變形情況。由于面層與土體具有相同側(cè)向變形規(guī)律,自上而下側(cè)向變形不斷增大。由于錨桿約束,在錨桿布置點周邊區(qū)域,面層側(cè)向變形比同深度面層其他位置側(cè)向變形略有減小。值得注意的是,面板頂端出現(xiàn)數(shù)值較小變形負值,這說明面板頂端出現(xiàn)了向坑外變形,這也印證了下方土體變形較上方土體變形更大,面層本身具有一定剛度,使面層出現(xiàn)了轉(zhuǎn)動。

圖10 面層側(cè)向變形(單位:mm)

基坑開挖完成后面層整體側(cè)向位移如圖11所示。由圖11可知,面層側(cè)向位移明顯呈現(xiàn)層狀分布,自上至下側(cè)向位移不斷增大,面層頂部為最小位移,為11.1mm,面層最大側(cè)向位移同樣出現(xiàn)在第7層錨桿位置,為18.9mm,由于開挖土方量大,面層整體均出現(xiàn)了向基側(cè)內(nèi)部方向的位移?；娱_挖完成后,在第2層放坡開挖區(qū)域,面層側(cè)向位移沿深度方向呈先增大再減小趨勢,呈現(xiàn)了類似于“鼓肚子”的變形特點。

圖11 面層整體側(cè)向位移(單位:mm)

基坑開挖完成后面層最大主應(yīng)力如圖12所示。由圖12可知,面層第7層錨桿位置最大主應(yīng)力最大,為256.3kPa。在面層最底端同樣出現(xiàn)了較大最大主應(yīng)力,由于坑底施作底板,導(dǎo)致此處面層受到底板約束應(yīng)力值增大。注意到在第1層放坡開挖區(qū)域最大主應(yīng)力為-62.83kPa,最大主應(yīng)力為負值,這表明該區(qū)域面層受壓,可能原因是面層本身具有一定剛度,且由于面層側(cè)向位移具有層狀分布,面層整體會發(fā)生轉(zhuǎn)動,導(dǎo)致上層面層模擬結(jié)果出現(xiàn)壓應(yīng)力。

圖12 面層最大主應(yīng)力(單位:kPa)

3.3 裝配式面層受力變形

面層第7層錨桿處出現(xiàn)了最大側(cè)向位移及最大主應(yīng)力最大值。第7層錨桿位置沿面層水平方向最大主應(yīng)力分布如圖13所示。隨著開挖施工步進行,面層最大主應(yīng)力沿水平方向分布規(guī)律基本保持不變,且隨著開挖深度增大,面層最大主應(yīng)力也不斷增大,最大值均出現(xiàn)在面層邊緣位置。沿著水平方向,注意到最大主應(yīng)力分布并不均勻。在面層中部及距離中部兩側(cè)2m位置存在最大主應(yīng)力極小值點。模型此處設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿,這說明錨桿與面層協(xié)同作用,能將面層所受荷載一部分經(jīng)由錨桿傳遞至土層中,進而減小面層受力。并且注意到在錨桿周圍一定區(qū)域的面層最大主應(yīng)力均維持在一個相對平穩(wěn)區(qū)間內(nèi),超出錨桿作用區(qū)域之外的面層受力急劇增大。這說明錨桿具有一定控制作用,超出錨桿控制范圍的面層受力需額外關(guān)注。

圖13 第7層錨桿位置面層最大主應(yīng)力 (單位:kPa)

面層中部最大主應(yīng)力沿深度方向分布如圖14所示,完成開挖后施作面層與錨桿。隨著開挖深度增大,面層中部最大主應(yīng)力也不斷增大,沿深度方向逐漸由受壓轉(zhuǎn)為受拉,施工步22之前,面層明顯在14m深度位置存在極大值,11m深度位置在各施工步的面層受力均有所減小,因為此處土層性質(zhì)改變,這表明土層性質(zhì)是邊坡穩(wěn)定的重要影響因素。17m深度位置面層最大主應(yīng)力較16,18m深度位置大,此處由于16,18m深度位置設(shè)置錨桿,將面層一部分荷載由錨桿傳遞至土層,且隨著開挖土量增大,錨桿作用效果越明顯,但最終會保持穩(wěn)定。在面層最底部由于受到約束,最大主應(yīng)力達最大值,需對最底部面層進行加固。

圖14 面層中部最大主應(yīng)力(單位:kPa)

邊坡坡面中部節(jié)點在不同施工步下側(cè)向位移如圖15所示。由圖15可知,在施工步9,11時,由于開挖土層較淺,坡面?zhèn)认蛭灰凭S持在較低水平,且到達一定深度后側(cè)向位移不再增長;隨著開挖深度增大,側(cè)向位移沿深度方向出現(xiàn)了先增大再減小趨勢,呈現(xiàn)了類似于“鼓肚子”的變形特點。這也說明了面層對坡體側(cè)向位移具有抑制作用,并且隨開挖深度增大,支護效果不斷增強。但為得到面層更普遍規(guī)律,應(yīng)在地層屬性相對穩(wěn)定情況下,破除地層屬性對滑移面、土體變形的影響,更能分析錨桿與面層配合支護的效果。

圖15 面層中部節(jié)點側(cè)向位移(單位:mm)

4 實測數(shù)據(jù)分析

4.1 地面沉降監(jiān)測

本工程設(shè)置了地面沉降監(jiān)測,截取最接近地面沉降監(jiān)測點D369的10128號節(jié)點。時間歷程下的地表沉降變化曲線如圖16所示,模擬沉降值隨開挖歷程呈階梯式下降規(guī)律,開挖深部土體時地面沉降加速,10128號節(jié)點最終沉降值為5.99mm;監(jiān)測點因受其他施工活動擾動,監(jiān)測值波動較大,在開挖基坑深部土體時出現(xiàn)了與數(shù)值模擬相同的沉降規(guī)律,D369號監(jiān)測點最終沉降值為6.59mm。

圖16 地表沉降變化曲線

4.2 圍護樁水平位移監(jiān)測

圍護樁水平位移沿深度方向變化曲線如圖17所示,監(jiān)測最大值為7.83mm,模擬最大值為16.08mm,最大值均出現(xiàn)在樁頂位置,樁水平位移沿深度方向變形不斷減小,圍護樁側(cè)向變形與深度未呈線性相關(guān),埋深5m作為分界點,深度5m以上圍護樁側(cè)向變形分布均勻,穩(wěn)定在較大水平;深度5m以下變形值迅速減小,模擬與監(jiān)測具有相同規(guī)律,這表明樁體深度5m以上位置需額外關(guān)注,加強監(jiān)測與防護,避免水平位移超過限值。

圖17 樁體水平位移變化曲線

5 結(jié)語

1)一次開挖大量土體與開挖深部土體對坡體影響嚴(yán)重,當(dāng)施工進行到深部區(qū)域時,需加強監(jiān)測與保護。

2)土層自身性質(zhì)是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素,軟弱地層探查是保證施工安全的必要手段。

3)錨桿能將面層所受荷載一部分經(jīng)由錨桿傳遞至土層,進而減小面層變形與受力。但具有一定控制范圍,超出錨桿控制范圍的面層受力需額外關(guān)注。

4)面層側(cè)向位移沿深度方向出現(xiàn)了先增大再減小趨勢,呈現(xiàn)了類似于“鼓肚子”變形特點。