爆破開挖對深基坑吊腳樁支護體系性能影響數值模擬研究

林 潮，平 揚

(深圳市水務規劃設計院有限公司，廣東 深圳 518001)

一般的深基坑工程都是在一元介質(純巖石或者純土)中開挖，在沿海山地丘陵地區的土巖二元地層結構是一種特殊情況，由于上部土體較淺，在基坑開挖深度范圍內，地層不是簡單的單一土層結構，而是上層是土體，下層是巖體的二元結構。考慮到經濟與技術因素，基坑開挖到巖石以下，樁體嵌入到巖石的深度是有限的，但開挖深度在樁體嵌巖深度以下，當開挖到基底時，樁腳在基坑深度中部位置，樁體如同吊在空中，工程中稱這種樁為“吊腳樁”[1- 2]。隨著沿海地區城市發展，在土巖二元地層結構中此類深基坑工程越來越多，深基坑吊腳樁支護體系性能引起了許多學者的研究。

劉紅軍[1，3- 4]采用有限元法對“吊腳樁”不同預留巖肩寬度、樁體嵌巖深度進行模擬分析，討論了樁體位移和彎矩的變化規律，提出合理的設計參數；李東[5]研究了二元地層結構土壓力分布規律并給出設計計算方法，通過數值模擬方法驗證吊腳樁設計的合理性并對樁體嵌巖深度、預留巖肩寬度等因素進行分析；袁海洋[6]基于plaxis2D分析了吊腳樁剛度對支護的影響；白曉宇等[7]分析了龍門吊移動荷載作用下吊腳樁的變形規律及動力響應問題。盡管已經開展了大量研究，但目前的研究多數還是集中在深基坑吊腳樁在靜力作用下支護性能及影響因素分析。由于土巖二元地層下部為基巖，需要采用鉆眼爆破法進行開挖施工。爆破震動可能造成吊腳樁及邊墻發生局部破壞，巖土體發生松動，對吊腳樁支護性能產生不利影響，而這方面目前研究相對較少。

本文以觀瀾調蓄池深基坑工程為例，通過數值模擬方法，研究爆破震動作用下深基坑吊腳樁支護體系的動力響應，分析爆破針對吊腳樁樁前巖肩的影響，并探討相應的防災減災措施。

1 工程概況

1.1 深基坑概況

觀瀾調蓄池位于觀瀾河右岸，觀瀾應急污水廠對面，占地面積3.1萬m2。基坑開挖深度為15.9～21.7m，周長約740m，場地西側為觀瀾河，距離約為30m；東側靠近觀瀾高爾夫球場宿舍樓，距離約為12m，距離基坑邊約8m有小路，路下局部埋有管線；南側地勢較陡，北側地勢平坦，無建筑物。

1.2 工程地質條件

場地內地層分為：第四系人工堆積層、第四系沖洪積層、殘坡積層、侏羅系粉砂巖，由新到老分述如下：

(1)第四系人工堆積物：場地內分布于西南靠觀瀾河一帶，厚度1～2m，松散狀，主要含礫粉質粘土回填，局部含建筑垃圾、生活垃圾。

(2)第四系沖洪積層：主要分布于場地西側靠觀瀾河一帶，基坑范圍內分布較少。主要為粉質粘土、粉砂、礫砂。

(3)殘坡積層：場地多有分布，山頂局部缺失，層厚0.9～7.1m，為粉砂巖、砂巖風化殘坡積而成的含礫粉質粘土。

(4)侏羅系粉砂巖：場地內均有分布。以粉砂巖為主，局部夾石英砂巖，按風化程度分為：全風化、強風化、中風化和微風化。

根據地質勘察報告，主要的巖土層物理力學參數見表1。

表1 觀瀾調蓄池主要巖土層的物理力學參數建議值

1.3 基坑支護結構設計方案

基坑東側：離用地紅線約9m，為觀瀾高爾夫球場宿舍樓，根據場地條件，采用上部永久性放坡結合下部沖孔灌注樁加錨索支護，樁間設噴混凝土護面，放坡段采用錨桿格構護坡，局部中風化巖層在基坑內出露較早，考慮到在中風化巖體中成樁較難，沖孔樁嵌入中風化巖體一定深度，樁下巖石邊坡采用噴錨支護；

基坑西側：距離基坑20～28m為觀瀾河，根據場地規劃，采用樁錨支護，樁下巖石邊坡采用噴錨支護，樁間設噴砼護面，在接箱涵位置采用沖孔樁+鋼管支撐及土釘墻支護；

基坑北側：距基坑20m外分布魚塘，根據場地條件，采用上部永久性放坡加下部樁錨支護，樁間設噴混凝土護面，放坡段采用錨桿格構護坡，非嵌入式支護樁下巖石邊坡采用噴錨支護；

基坑南側：距離較遠處為焦坑水庫，根據場地條件，采用上部永久性放坡結合下部樁錨支護，樁下巖石邊坡采用噴錨支護，樁間設噴混凝土護面，放坡段采用錨桿格構護坡，非嵌入式支護樁下巖石邊坡采用噴錨支護。基坑各側的支護設計安全等級均為一級。

根據水文地質條件及周邊水系分布，考慮到場地強風化粉砂巖的透水性及中風化裂隙水豐富，基坑采用帷幕灌漿止水。基坑永久性邊坡按照坡率1∶1放坡，并采用鋼筋混凝土格構梁+錨桿進行支護，其中格構梁菱形布置，錨桿亦按“菱形”布置，格構梁施工完畢后，在格構梁內客土噴混植生進行綠化。

根據觀瀾調蓄池基坑支護設計安全等級、場地地質及環境條件，深基坑圍護主要采用“吊腳樁”型式的樁錨支護，調蓄池頂部以上支護作為永久性支護，典型剖面的吊腳樁支護如圖1所示。

圖1 吊腳樁支護示意圖

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

為分析爆破震動對吊腳樁支護體系的影響，沿著典型斷面取50m×9m建立數值計算模型，如圖2所示，模型范圍內包含5根樁，共由199725個單元與38270節點構成，模型邊界采用動態邊界。

現場爆破要求距基坑開挖線內側周邊2.5m范圍內采用分工風鎬鑿巖修邊，2.5～10m采用靜態爆破，10～30m采用淺孔爆破，30m外采用深孔爆破。由于爆破震動衰減很快，通常在1～2s內結束，且由于采用分段爆破，其振動峰值主要由單段最大裝藥量控制。為提高計算效率，對爆破過程的模擬簡化如下：只考慮兩排炮孔的影響，通過在炮孔內施加速度或者壓力荷載模擬爆破，其加載的峰值根據單段裝藥量進行換算，即采用不同的爆破震動峰值速度時程來模擬爆破影響，進而分析爆破震動對吊腳樁支護體系的影響。炮孔布置如圖3所示，炮孔間距2m，深度近似3m，裝藥深度2m。爆破震動時監測特征點布置如圖4所示。

圖2 數值計算模型

圖3 爆破作用模擬時炮孔布置

圖4 爆破震動模擬時監測特征點布置

2.2 爆破荷載的施加

通過對模型施加動荷載來模擬材料在動力作用下的響應，動力荷載輸入是：加速度時程，速度時程，應力時程和集中力時程。爆破開挖過程中，爆破產生的沖擊波波形主要部分可以簡化為一個三角波，為使問題簡化，在炮孔周邊節點采用速度加載，加載曲線如圖5所示，不考慮其它荷載的影響。

圖5 爆破荷載加載壓力時程曲線

2.3 數值模擬結果分析

2.3.1 塑性區分布

采用摩爾-庫侖彈塑性本構模型，輸入動荷載加速度時程進行深基坑工程動力響應分析，得到不同時刻基坑不同部位單元的塑性區狀態，如圖6所示。

從圖6可以看出，當爆破剛剛開始時，炮孔受爆破壓力作用，在3～4倍炮孔范圍內，單元完全屈服，屬于爆破粉碎區，此后應力波向外傳播逐步衰減，達到基坑壁時振動強度已經大為衰減，其值可以采用薩道夫斯基公式進行預測與模擬。應力波通過基坑壁向地表傳播，由于基坑擋墻一側自由，上部亦自由，因此振動放大效應非常明顯，造成表層土與樁間水泥漿產生塑性區。在爆破效應作用完全終止后，巖土介質內的塑性區，影響范圍約在孔排距的1.0～1.5倍，因此如果炮孔距離擋墻過近，容易造成塑性區深入坑壁，造成局部失穩。通過分析各單元屈服形式，結果表明，在靠近炮孔位置，巖體主要以剪切破壞為主，而在吊腳樁頂部，水泥漿破壞形式主要為拉壞。

2.3.2 爆破震動放大效應

由于應力波傳播的自由面效應，在基坑開挖爆破過程中，存在速度振動放大效應。圖7給出基坑底部速度分布圖，圖8給出速度放大效應剖面圖。從圖中可以看出，自基底到吊腳樁頂部，速度放大效應明顯，以5cm/s為基準，基坑底部的速度約為1.5cm/s，吊腳樁部位可向基坑變形，放大效應也非常明顯，速度約為3.5cm/s，基坑頂部土體內速度最大，約為4.5cm/s，由于基頂土運動方向主要向上，故塑性區多分布于局部放坡段。根據放大效應反映出的規律，當基底振動速度為5cm/s時，灌注樁底部振動速度可放大兩倍，達到10cm/s，樁頂部可達到20cm/s。

圖6 爆破作用下不同時刻塑性區分布

圖7 坑底拐角處速度峰值分布規律(相對振動速度)

圖8 速度放大效應(剖面，5cm/s為基準)

2.3.3 特征點速度時程

為分析爆破地震波自坑底繞射，沿著坑壁巖體與吊腳樁向上傳播時的振動特性。監測點記錄水平振動速度時程如圖9所示。從圖9可以看出，雖然爆破震動自炮孔向水平方向隨距離快速衰減，但如果以坑底振動作為參考標準，坑壁振動傳播至樁底時，振動強度約上升1.5～2.0倍，而吊腳樁支護部分巖土體，由于樁體強度、剛度較高，且樁間土經過注漿處理，有錨索支護，樁體基本呈彈性狀態，振動強度接近，此后爆破地震波傳播至表層殘積土中，由于該土層模量極低，且振動強度放大約2.0倍，造成坡腳部位出現拉應力，出現拉破壞。特征點速度時程反映的規律也就是爆破震動放大效應的規律。

圖9 特征監測點速度時程

3 爆破震動對預留巖肩的影響

吊腳樁底部深入巖體，靠近基坑部分預留一定寬度的平臺(也稱為巖肩)以保證樁體的穩定性，但由于巖體裂隙發育，一旦爆破震動強度過大，很容易造成塊體脫落，引起樁底平移。為此，采用塊體離散單元方法建立模型，分析基坑壁不同節理分布情況下吊腳樁及周圍巖土體的應力狀態、動力響應，進而探討合理的減振措施。研究中基坑壁節理分布主要有兩種情況：①兩組節理，一組與x軸傾斜45°，一組傾斜135°；②兩組節理，一組水平向，一組垂直向。節理法向與切向剛度均取2e9GPa/m，黏聚力為100kPa，摩擦角25°，抗拉強度100kPa。炮孔距離基坑壁10m，炮孔壁振動速度10m/s，包含節理的模型如圖10所示。限于篇幅，這里只給出傾斜節理的計算結果，塑性區分布如圖11所示，速度時程如圖12所示，最終的變形圖如圖13所示。模擬結果表明:節理的傾向對預留巖肩受爆破影響非常明顯，在同等爆破作用下，傾斜45°節理極容易產生掉塊等局部破壞現象，而水平+垂直節理組僅在巖肩頂部局部有變形增大跡象。

圖10 模型圖

圖11 爆破作用后塑性區分布

分別降低爆破地震振動的幅值，研究不同情況下坑壁底部振動強度與塑性區分布規律，如圖14所示，結果表明，只有當基底振動速度小于10cm/s時，巖土層中才不會產生塑性區。

4 防災減災措施

爆破震動是持續時間很短的高應變率相關問題，坑底平面內振動強度可用薩道夫斯基公式進行近似預測[8]，考慮基坑圍護結構的高程放大效應，可預測出吊腳樁結構不同位置的振動效應，進而進行設計增加吊腳樁的穩定性。

圖12 爆破作用下主要監測點速度時程

圖13 爆破后預留平臺變形(局部破壞)

圖14 基坑底部振動強度與塑性區的關系

根據前面數值模擬分析及規律總結，對土巖二元地層結構深基坑爆破開挖施工，給出建議控制標準及措施進行振動影響控制，見表2，以便有效控制爆破對吊腳樁支護體系的影響。

表2 正常裝藥條件下吊腳樁振動速度建議控制標準

5 結論

(1)爆破震動是衰減很快的動力學過程，在炮孔區為爆破粉碎區，應力波向外傳播逐步衰減，達到基坑壁時振動強度已大為衰減，其值可以采用薩道夫斯基公式進行預測。

(2)由于基坑的自由面使得應力波傳播中出現動力放大效應，吊腳樁支護結構的振動水平約為坑底近坑壁的2～4倍。動力放大效應最大處為地表殘積土、模量小、強度低，遭受爆破震動時容易松動破壞，尤其是放坡拐角位置。

(3)節理的傾向對預留巖肩受爆破影響非常明顯，在同等爆破作用下，傾斜45°節理極容易產生掉塊等局部破壞現象，降低爆破震動幅值，只有當基底振動速度小于10cm/s時，巖土層中才不會產生塑性區。

(4)為保證吊腳樁支護體系的穩定，給出振動速度控制建議值。基底邊緣振動速度10～20cm/s以下，而預留樁前巖肩速度控制在8～15cm/s，地表土振動速度控制小于10cm/s以下，可一定程度降低預留巖肩的破壞，如果節理發育、傾向不利應取低值，節理不發育取控制指標區高值。