級配不良卵石深基坑地表及支護變形規律研究

王明年，曾正強，趙銀亭，劉大剛，吳圣智

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級配不良卵石深基坑地表及支護變形規律研究

王明年1, 2，曾正強1, 2，趙銀亭1, 2，劉大剛1, 2，吳圣智1, 2

(1. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031； 2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

以洛陽市地鐵1號線卵石深基坑為工程原型，采用顆粒離散元軟件PFC2D，建立級配不良卵石層深基坑支護結構數值分析模型，分析地表沉降和支護結構變形規律。研究結果表明：圍護結構插入比對地表沉降的影響存在3個發展階段，適用于級配不良中密卵石基坑的插入比范圍為0.38~0.58。根據對變形規律的分析，得到內撐在控制圍護結構側向位移和地表變形中作用效果不同的結論。通過理論與實測數據對比，論證級配不良中密卵石地層基坑內支撐設計和插入比選擇的可靠性。研究成果可為類似卵石地層中地鐵深基坑施工提供參考。

卵石基坑；變形規律；插入比；支護時機；級配不良

深基坑工程是地鐵建設過程中一種常見的臨時地下工程，由于支護型式設計和施工時機不當極易引發一系列安全問題：如2005年廣州市海珠城廣場基坑因為超挖使得內支撐布置不合理、道數不夠而導致坍塌事故[1]；2007年深圳地鐵1號線大新站因為基坑開挖過快，內支撐架設未能跟上開挖速度導致基坑垮塌[2]；2012年武漢地鐵王家灣站因開挖至9.4 m卻未及時施作第2道內撐造成基坑坍塌。以上事故的發生，在于對變形規律認識不清，而基坑塌方的突發性極易造成施工人員傷亡，導致嚴重的經濟財產損失。近年來，隨著我國城市軌道交通的快速發展，相繼在北京、成都和洛陽等城市的地鐵基坑開挖過程中遇到了大面積的卵石地層。卵石地層基坑開挖的穩定性受卵石土級配的影響。級配不良卵石土在上述地區中均有所分布，在洛陽地鐵1號線沿線的分布尤其集中。由于缺少細顆粒，又因降水造成卵石層中細顆粒流失[3]，使得坑壁自穩能力不足，與一般卵石地層相比面臨著更大的施工風險。國內外不少專家學者對卵石層的特殊工程性質開展了大量研究。陳沅江等[4]選取基坑開挖深度、砂卵石層厚度及地下水位高度作為砂卵石基坑安全等級評價指標，給出了砂卵石基坑安全等級評價規范化流程；Bortkevich[5]探討了在堤壩修建過程中的卵石基坑質量控制優化措施；熊宗喜[6]基于土釘支護技術分析了砂卵石地層基坑開挖技術；張忠苗等[7]分析了超長嵌巖樁施工中超長樁的受力特性。上述研究成果大都偏向于一般卵石基坑的工程分類和某類支護技術的總結和分析，而針對級配不良卵石基坑的圍護結構變形規律的研究甚少。本文依托洛陽地鐵1號線級配不良中密卵石深基坑建設項目，對基坑中采用的樁+內支撐支護結構型式進行變形規律的研究，結合數值模擬與現場實測，總結出適用于級配不良卵石深基坑內支撐的插入比選擇方案和架設方式，為類似級配不良卵石地層深基坑的穩定開挖設計提供參考經驗。

1 工程概況與地質條件

1.1 工程概況

洛陽市軌道交通1號線工程線路全長為22.35 km，設車站18座，平均站間距為1.30 km，均為地下2層站，車站主要采用明挖順作法施工，主體部分圍護結構采用樁+內支撐。根據基坑深度不同，設計采用樁+3或4道內支撐，典型斷面的內支撐架設具體位置如圖1。

單位：m

1.2 工程地質與水文地質

洛陽地鐵1號線處于洛河Ⅱ級階地，根據鉆孔得到的地質資料，主要地層有①1雜填土、①2素填土、②22黃土狀粉質黏土、③22粉質黏土、③23粉質黏土和③93卵石和⑥1泥巖等。詳細物理力學參數見表1。

地下水主要賦存于下部的卵石層中，最高地下水位在地表以下8 m左右。黃土狀粉質黏土、黃土狀粉土水量小、富水性差、透水能力弱。卵石層水量較大、富水性中等、透水性強，滲透系數可達120~160 m/d。基坑開挖期前采用管井降水等措施使地下水位降于基坑底部以下一定深度處。

1.3 卵石顆粒級配

③93卵石為雜色，含漂石，所取試樣中最大粒徑可達20 cm，其中卵石占土樣的67.1%，圓礫占土樣的14.5%，砂占土樣的17%，土顆粒含量為1.4%；粗篩粒徑大于20 mm的顆粒質量約為總質量的65%~70%，卵石呈亞圓形。根據提取現場得到的卵石土樣進行室內顆粒粒徑篩分試驗，得到卵石土的土顆粒粒徑分布曲線，如圖2所示。

根據顆粒分析試驗可知，粗篩后卵石粒徑主要集中在20~40 mm之間，約占總試樣的36.1%；填充物為中砂、細砂、圓礫及少量黏土構成。經細篩可知粒徑主要分布在0.25~0.5 mm之間，占總試樣32.4%~43.9%。不均勻系數u=109.5~160，曲率系數c=11.79~20.3，屬于級配不良卵石層。由于缺少細顆粒，卵石層的自穩能力較差，容易引起側壁乃至基坑坍塌。

表1 土層物理力學指標

圖2 卵石顆粒分布曲線

2 級配不良卵石深基坑支護結構變形規律研究

2.1 離散元數值模型

采用PFC2D顆粒離散元軟件模擬基坑開挖過程，模型由顆粒和墻體組成，顆粒用于模擬包括不同地層、樁和內支撐等，墻體用于模擬邊界條件。為了更接近于實際土的特性，顆粒半徑從min到max之間變化，并隨機生成于模型空間內。級配程度通過調整顆粒粒徑比max/min和不同粒徑范圍的體積份數(volumefraction)的方法實現。基坑開挖前已通過管井降水等措施將地下水位降至基坑坑底以下，施工過程中不再考慮地下水的影響。由于卵石級配較差，缺少細顆粒，故采用粒徑較為單一的粗顆粒模擬級配不良的中密卵石地層；素填土和雜填土物理力學參數相近，為便于建模，視為同一土層，密度取較大值。

卵石土幾乎沒有黏聚力和抗拉破壞強度，顆粒接觸采用線性模型；其他土層均存在一定的黏聚力和抗拉強度，故采用平行黏結接觸模型[8?10](為了簡化，標定時平行黏結剛度數值取為對應顆粒剛度的一半)。土體細觀參數取值采用三軸數值試驗或者直剪試驗的方法進行標定，標定流程參考HUANG 等[9?10]的研究成果，本工程中土層顆粒細觀參數標定結果如表2。

模型取標準段基坑平均寬度22 m，開挖深度取20 m。再根據地質條件和基坑的對稱性，取半個基坑建立模型尺寸為60 m×50 m，共計19 859個顆粒，建立數值模型如圖3。

基坑開挖前先施作大直徑鉆孔灌注樁，樁徑Φ=1 000 mm，樁間距=1 200 mm，采用C35混凝土澆筑，嵌入深度取為10 m。內支撐設計參數為，第1道內支撐采用800 mm×900 mm的C30砼支撐，橫向間距6.0 m；第2、3和4道內支撐均采用Φ609，=16 mm的Q235型鋼支撐，橫向間距3.0 m。建模時使用clump和cluster命令連接形成內支撐的整體結構，內支撐第一個顆粒與圍護樁不產生相對位移，使用clump命令將內支撐和相應位置樁顆粒進行連接。樁和內支撐細觀顆粒參數依據等效剛度原則進行標定[10]，標定結果見表3，開挖后的模型如圖4。

表2 土層細觀參數

表3 支護細觀參數

注：，和分別為顆粒半徑、法向剛度和切向剛度；pb_k和pb_k分別為平行黏結法向剛度、切向剛度

圖3 深基坑模型

圖4 開挖后數值模型圖

2.2 插入比對地表沉降的影響規律

樁的插入比定義為樁的嵌入深度與基坑開挖深度的比值，它是評價樁體設計經濟性的重要指標。類似一般砂卵石地質條件的深基坑圍護樁插入比的通常為0.30~0.60[11?13]。結合本工程中密卵石級配不良的特殊性，設計擬選擇0.26，0.30，0.34，0.38，0.42，0.46，0.50，0.54，0.58和0.62共計10組插入比，以確定插入比的合理選擇范圍。在數值模擬中，通過控制圍護樁的嵌入深度來改變插入比，詳細對應關系如表4。根據模擬結果并繪制出最大地表沉降量—插入比曲線如圖5。

表4 嵌入深度與插入比對應關系

圖5 卵石地層圍護樁插入比對地表最大沉降的影響

由圖5可知，地表最大沉降量隨著插入比的增大而逐漸減小。根據減小速率的不同可以分為3個階段：1) 線性下降階段，在插入比為0.26~0.38時，地表最大沉降量隨著插入比的增大呈線性下降趨勢，當插入比大于約0.38時，地表最大沉降量小于0.1%(基坑深度)，地表沉降量相對安全；2) 曲線下降階段，插入比為0.38~0.58時，地表最大沉降量隨著插入比的增大下降速率逐漸減緩；3) 平穩階段，插入比大于0.58時，隨著插入比的增大，地表最大沉降量逐漸趨于平緩，在這一階段，通過增加圍護樁的嵌入深度，對減少地表沉降的作用越來越小。以上變化規律與李淑等[12, 14]的統計結果相似，但階段臨界值因受級配和密實度的不同而有所不同。

根據以上結果，結合洛陽地鐵1號線的實際插入比選取結果(表5)，可以得出，插入比的選擇不宜小于0.38，這是出于安全的考慮；同時，也不應盲目增大嵌入深度，特別是當插入比大于0.58時，增大嵌入深度對減小地面沉降的效果不理想，且造價相對較高，不符合經濟性的要求，因此，插入比的最佳選擇范圍為0.38~0.58。

表5 洛陽地鐵1號線中密卵石基坑插入比選擇

2.3 內撐支護對樁側位移的影響效果分析

《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120—2012)規定，基坑開挖過程中，基坑圍護樁的最大側向位移不得超過0.2%基坑深度(一級基坑)且不得超過30 mm[15]，以此作為判斷基坑開挖的安全性的依據。當圍護樁最大側向收斂位移大于該臨界值時，應在到達該開挖深度前進行加撐。以開挖深度間隔2.5 m為例，根據圍護樁最大側向收斂位移與0.2%基坑深度和最大限值30 mm的關系適時加撐，直至開挖完成，在每級開挖深度下，繪制出相應的樁體側向位移隨深度的變化曲線如圖6所示。

從圖6可以得出：1) 在級配不良中密卵石層的地質條件下，保證深度為20 m的基坑安全開挖所需要的最小橫支撐道數為4道，各級支撐的深度間隔以5 m為宜(實際工程中可取對應深度以下約0.5 m處)；2) 及時地架設橫支撐，可以有效的減小圍護樁的最大側向位移，減小幅度35%~80%不等，該數值隨著已有的橫支撐數增加而增大，說明增加橫支撐數量對于減少樁側位移的作用十分顯著；3)在無橫撐的情況下，樁體側向位移在基坑頂部最大；采用橫撐后，樁體側向位移呈弓形分布。根據圖6分析結果，內撐的合理架設方案見表6。

根據表6和圖6，可以得出：1) 相同支撐條件下，隨著開挖深度增加，圍護樁最大側向位移增大，但位移的增加量與相應深度土層的物理力學指標有關。如2道內撐的7.5 m與10 m深度位置和3道內撐的12.5 m和15 m深度位置，其側向位移增加量均超過6 mm，但同是4道內撐的17.5 m和20 m深度位置，最大位移增加量僅為2.11 mm，這是由于相應深度土層由彈性模量較小的黏土向彈性模量較大的卵石層過渡；2) 在有內撐的情況下，樁體最大側向位移的發生位置在0.5~0.7(開挖深度)處，因此，可以針對性的加強該深度范圍內的側向位移監測以判斷深基坑開挖的安全性。

(a) 第1和2道支撐架設時機分析；(b) 第3和4道支撐架設時機分析

表6 深基坑橫支撐架設穩定性分析表

考慮到實際工程的施工可行性，合理的開挖和架設內撐流程為：在開挖到對應內支撐架設深度時，先架設內支撐，再繼續往下開挖，這樣可以進一步增強內支撐對基坑的變形控制作用，也利于合理安全施工。

2.4 內撐支護對地表沉降的影響效果分析

根據表6的鋼支撐架設時機和架設位置，統計并繪制相應位置在加撐前后的地表沉降曲線圖，見圖7。

圖7 各級開挖加撐前后地表沉降曲線

根據各級開挖深度在架設新內撐前后的沉降曲線，可以統計得到相應工況下的最大地表沉降量及其發生位置，見表7。

坑內土體的開挖卸荷引起圍護結構內外側土壓力不平衡，圍護結構將發生向坑內的水平位移，從上述統計可以看出：1) 隨著開挖深度增加，地表沉降量逐漸增大，地表沉降曲線呈凹槽形；2) 對比相同開挖深度在架設新內撐前后的沉降曲線，可以看出內撐的架設可以減少地表沉降量，通過架設內支撐的方式可以一定程度地控制地表沉降。但多道內支撐的架設對控制地面沉降作用存在上限，第1道內撐的減少幅度約為30%，隨著已有支撐道數的增加，新支撐的架設對于減少地表沉降的作用顯著降低，因此通過增加過多的內支撐道數來控制地表沉降的措施顯然不可靠；3) 地面沉降量最大值并非發生在基坑坑壁處，而是在離坑壁一定距離處。在無內撐的情況下，最大沉降發生在離坑壁2~4 m處，有內撐的情況下，最大沉降發生在離坑壁4~6 m處，說明內撐的存在使最大沉降點略往遠離坑壁的方向發展。

表7 各開挖深度下架設新內撐前后沉降對比

3 實測與數值模擬結果對比分析

3.1 圍護樁側向位移

現場測試選在洛陽地鐵1號線某車站，基坑深度19.61 m，設計了共4道內支撐。將基坑開挖、施作內支撐到開挖完成得到的實測數據與理論模擬的數據統計如圖8所示。

由圖8可知：1) 在各種開挖深度下，樁側位移值的數值模擬解和現場實測值擬合程度較好，最大差值僅1.91 mm，說明使用數值模擬進行基坑內支撐結構的設計是合理的；2) 數值模擬和實測所得樁側位移均呈兩端小，中間大的“弓形”分布，最大值出現在約0.65~0.7處；3) 樁側最大位移為11.52 mm，小于0.2%基坑深度且小于30 mm，說明內支撐的多道支撐在深基坑的開挖過程中可以有效地穩定周圍土體。

圖8 各開挖深度樁側向位移理論與實測對比

3.2 地表沉降規律

將基坑開挖完成后現場測點得到的沉降值與數值模擬值進行比較，見表8所示。

由表8知基坑開挖完成后，距基坑側壁分別為5，10，15和20 m處的地表沉降現場實測值比數值模擬值偏小，最大誤差約10%，說明了通過數值模擬可以較好地反映出現場實際的地表變形情況。因為施工過程中采用了先加撐再開挖這樣的開挖順序，通過數值模擬得出的最終地表沉降量比圖7的數值小，更偏于安全，利于施工。

表8 地表沉降對比

4 結論

1) 圍護樁插入比對地表沉降的影響分為3個階段；級配不良中密卵石地層的合理插入比范圍為0.38~0.58。

2) 多道內撐的架設可以顯著地減少圍護樁的側向位移，穩定基坑側壁。圍護樁側向位移呈“弓形”分布，最大側向位移的發生位置約在0.65~0.7開挖深度處。

3) 架設多道內撐可以在一定程度上減少地表沉降量。基坑周圍10 m內沉降最為明顯。內撐結構使得最大沉降發生點略微向遠離坑壁處發展。采用內支撐過多，并不能有效地控制地面沉降，反而增加了施工工序和成本。

以上研究成果基于基坑的變形規律對支護結構進行設計，保證了卵石基坑開挖的安全性。通過控制樁的插入比和內撐的合理支護時機，可以有效的控制地表及支護的位移發展。成果可為類似卵石層分布地區的深基坑開挖工程提供參考。

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Study on deformation rules of earth’s surface and support structure for deep foundation pit in bad gradation pebble stratum

WANG Mingnian1, 2, ZENG Zhengqiang1, 2, ZHAO Yinting1, 2, LIU Dagang1, 2, WU Shengzhi1, 2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The particle discrete element software PFC2Dis used to establish the numerical analysis model of the deep foundation pit supporting structure in bad gradation pebble stratum to study the surface subsidence and the deformation rules of support structure based on the deep foundation pit construction in Luoyang Metro Line 1. The results show that, there are three developing stages in the influence of the insertion ratio of the retaining structure on the surface subsidence. And the insertion ratio for middle-dense pebble foundation pit with poor gradation is 0.38~0.58. By analysis of the law of deformation, the conclusion of the different effects of internal braces on lateral displacement and surface deformation of retaining structures is obtained. Finally, by comparison of the theoretical and measured data, the reliability of internal support design and insertion ratio selection in mediate-dense pebble foundation pit with bad gradation is demonstrated. The research results provide a certain reference value for the construction of deep foundation pit in the similar pebble stratum.

pebble foundation pit; deformation rules; insertion ratio; supporting time; bad gradation

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.03.012

U231.3

A

1672 ? 7029(2019)03 ? 0646 ? 08

2018?04?16

國家自然科學基金資助項目(51578458)

劉大剛(1979－)，男，遼寧黑山人，副教授，博士，從事地下工程的教學與科研工作；E?mail：82384975@qq.com

(編輯 涂鵬)