大空間建筑環形點式重載作用下深廢礦坑巖壁變形穩定性數值分析

仉文崗，吳嘉昊，韓馥檉，何昌杰，李建新，黎泳欽

(1.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045；2.中國建筑第五工程局有限公司 第三建設有限公司，長沙 410004)

近年來，隨著城市化進程的加快以及基建能力的提高，土地資源越來越寶貴。在一些礦產資源型城市中，出現了填埋廢棄礦坑進行空間開發的研究和項目，根據礦坑的具體特點，因地制宜地加以改造，將其再利用，作為博物館、娛樂場、風景區等用于旅游商業開發。

在深廢礦坑中進行改造再利用施工對既有礦坑巖壁穩定性的影響是一個極為重要的問題[1]。針對該問題，學者們已從多角度采用多手段探索巖質邊坡的工程受荷行為，并評估其變形穩定性[2-4]。此外，通過對巖質邊坡受橋基荷載的研究分析發現：在一定區域內由單一樁基傳遞到巖壁的荷載都可以近似成點式荷載[5-6]。當巖質邊坡作為上部建筑主體的承載對象時，為保證邊坡及上部結構穩定性，應整體考慮巖壁與支承于其上的結構基礎相互作用協調變形的過程[7-8]。然而，使用解析方法分析邊坡和樁基礎力學行為的研究往往以力或位移的形式簡化代替邊坡與結構體的相互作用[5-6,9-10]，可能造成對結構與巖體受力變形情況和破壞機制預測的不準確。采用試驗和數值手段對巖質邊坡受結構荷載行為進行分析時，學者們通常只針對單個橋臺橋墩存在的情況進行模擬[11-14]，故考慮多點受荷情況以及荷載分布形式是查明巖質邊坡受荷表現的重要條件。針對已有研究存在的問題，筆者以環形點式受荷條件下廢棄礦坑高邊坡為研究對象，探究其三維空間穩定性問題以及巖壁與結構協同作用變形機理。基于湖南湘江歡樂城深廢礦坑再利用工程，針對在天然礦坑內進行施工活動過程中涉及的巖質邊坡穩定性問題，以及在環形點式受荷條件下的巖壁與基礎相互作用、協同變形問題，采用PLAXIS軟件對巖壁點式環形支承的大空間建筑與深廢礦坑巖壁協同作用進行了三維有限元建模分析。

1 工程概況

圖1 廢棄礦坑基本情況

礦坑平面可近似為兩個尺寸不同的橢圓，主體建筑結構集中在北側深坑，通過墩柱結構支承于礦坑各級巖壁之上，矩形排列的柱結構通過橫梁連接，如圖2所示。場地存在礦坑開采高邊坡，主要為巖質邊坡，擬建物距坑壁最近距離為5～10 m。坑壁邊坡高40～50 m，坡度80°左右。

圖2 建筑結構及巖壁支承情況

1.1 地質構造及水文條件

擬建場地無全新世活動斷裂，可不考慮斷裂對場地的穩定性影響。場地存在多級不規則邊坡，經雨水沖刷、掏空，邊坡多處出現小范圍坍塌現象，但現狀整體基本穩定。建筑主體結構施工時，應采取必要措施對高邊坡進行支護處理。

場地深度范圍內地下水主要為上層滯水及基巖裂隙水。上層滯水分布于場地的人工填土中，穩定的水位埋深在5.00～6.10 m之間，水量較小；基巖裂隙水存在于場地基巖灰巖中。兩者水力聯系相通，無穩定隔水層。

上層滯水對混凝土結構具微腐蝕、對混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕。據勘測結果，主體結構場地范圍內未發現溶洞，局部有溶蝕現象，故不考慮巖溶空洞影響。

1.2 地層巖性

場地主要巖土層分布為：雜填土①(①為地層代號，下同)結構松散～稍密狀，場地內廣泛分布，平均厚度7.81 m；粉質黏土④一般為硬塑狀，局部可塑狀，場地內局部分布，平均厚度8.21 m；巖層主要為完整性程度較破碎～破碎的微風化灰巖⑨-3，為裂隙塊狀或中厚層狀構造，屬較硬巖，巖體基本質量等級為Ⅳ級，其下分布有微風化灰巖⑨(Dq)，厚層狀構造，屬堅硬巖，巖體基本質量等級為Ⅲ級，巖石質量指標(RQD=75～90))較好，該層為場地基巖。

2 數值模型建立

針對湘江歡樂城項目深廢礦坑商業開發建設過程中的巖壁及結構穩定性問題，采用PLAXIS軟件對場地巖土體及結構基礎進行三維有限元建模分析。主體區域下臥礦坑平面幾何形態近似長軸240 m、短軸160 m的橢圓形，為簡化建模，將不規則的礦坑平面形態近似成多個折線段開展數值模擬，并假設經工程壁面處理后的坑底為平面；將主體建筑下臥區域假定為相同的坡面形態，4級放坡，如圖4(a)所示。模型尺寸500 m×500 m×80 m(x-y-z軸)。

為簡化數值模型，建模時考慮各層巖土體為近似水平分布，粉質黏土層主要分布于場地建筑主體結構西南側，故建模時考慮粉質黏土層由模型邊界向模型中部逐漸尖滅；場地地層建模情況與主要參數見圖3和圖4。采用四面體單元對巖土體進行模擬，該種類型的網格單元可適應并模擬復雜的幾何模型[15]。

圖3 巖土層分布及參數

圖4 湘江歡樂城工程三維數值模型

由于有限元軟件內部未區分土與巖的材料差異，只能采用本構模型與物理力學參數對巖土層的性質進行定義和劃分。但限于計算效率和節理面信息缺失，對灰巖層進行建模時未考慮節理面的存在，故數值模擬中的巖體各向同性。模型結構構件主要包括：礦坑坡面與底面進行巖壁處理施作面板、上部建筑主體底面(將上部建筑結構簡化為承載豎向荷載的建筑底板)、傳力柱以及下部連接的基礎、連接柱的梁。結構的模擬情況見表1。

表1 結構參數

對礦坑巖壁穩定性分析模型施工步驟共考慮建立9個分階段，如表2所示。巖壁與結構協同分析模型在上述穩定性分析基礎上，增設巖壁或結構受力變形突變的計算步驟，如表2中最后一步。

表2 模型施工步驟設置

3 礦坑巖壁穩定性分析

3.1 自然狀態下礦坑巖壁蠕變

圖5是經過長期變形穩定后的礦坑變形云圖(俯視圖)。在無工程施工的情況下，礦坑坡面及坑周土體變形值保持在較低水平。變形基本發生在上部雜填土和粉質黏土層內，即第1層放坡面位置處。淺層軟弱土體受卸荷作用影響，產生12.62 mm的變形，且以向上的隆起為主，坡度較緩的斜坡面產生了少量的側向位移。深部巖體力學性質好，卸荷、蠕變產生的變形可忽略。

圖5 礦坑自穩變形云圖

3.2 施工擾動下礦坑巖壁變形

礦坑坡面在結構施工擾動的情況下，位移主要發生在性質較差的填土或黏土層中的結構接觸位置，且以沉降和面向巖體的壓縮變形為主，坡頂位置產生少量隆起和向臨空面的位移；巖體在受荷作用下發生的變形量可忽略。

上部均布荷載由0 kN/m2逐步增大至80 kN/m2，以模擬建筑主體結構施作，巖土體最大位移由19.31 mm增大至34.98 mm。此外，隨著柱、基礎傳遞的豎向荷載值逐漸增大，土體位移水平分量占比逐漸減小，雜填土(及粉質黏土)層中土體位移形式逐漸轉變以沉降為主。

4 巖壁與結構協同作用分析

在礦坑自然狀態及結構正常運營狀態變形穩定性分析的基礎上，本章節針對兩個基本問題進行分析：環形點式巖壁支承建筑荷載變化及局部巖壁大變形引起的巖壁、結構安全性問題；支承于巖壁上的柱基礎發生突發性破壞時，巖壁及周邊結構的響應情況。

4.1 局部結構超載作用

對上臺階局部施加變荷載，以探索位于雜填土層(或粉質黏土層)中的上臺階承受過大結構荷載會對周圍巖體、結構產生怎樣的受力變形影響。大范圍區域內施加恒定的豎向均布荷載40 kN/m2，隨后上臺階以及地表局部位置承受由柱和基礎傳遞的豎向荷載由40 kN/m2逐漸增大至160 kN/m2。

當雜填土中的上臺階基礎承受由柱傳來的160 kN/m2的豎向荷載并傳遞至巖壁時，根據圖6巖土體位移矢量圖可以看出，第1級放坡臺階處的雜填土受重荷發生了大幅度下沉，最大值58.5 mm，而坡頂放坡位置發生小幅度側向位移11.3 mm。下部各級臺階承重處產生的受壓沉降基本可控。

圖6 上臺階局部荷載情況下巖土體位移情況

圖7是在局部荷載變化過程中支撐于各級臺階上的柱結構所產生的最大變形值變化情況。變荷載施加在第1級臺階柱上，由于采用的是線彈性結構單元模擬傳力柱，故初臺階柱體變形值隨豎向荷載線性增長，且最大值皆發生在柱頂。由上臺階承受的局部大荷載，傳遞到了第2級臺階處，造成了該臺階的巖壁以及支撐于其上的基礎與柱結構變形值有所增大。而第3級臺階和坑底結構基本不受上部臺階荷載的影響，只于直接施加在其上的建筑荷載相關。

圖7 上臺階局部荷載變化引起的各級臺階柱結構變形

4.2 巖壁突發大變形作用

初臺階局部下沉引起的周圍基礎柱體結構受力和變形差異見圖8，在發生局部大變形前，巖壁在承受環形點式荷載的作用下，支承于各級臺階上的柱結構變形分布較為平均，均在15～25 mm之間；發生局部大變形之后，支承在局部初臺階以及相鄰兩級臺階上的柱體發生的位移大幅增長，漲幅最大達到了247%，而分布于坑底和第3層臺階上的基礎柱體未受到較大的影響。圖8(b)是對應的軸力最大值絕對值對比，結論與變形結果相似，下沉的臺階與相鄰臺階上的結構受影響程度較大，且軸力急劇增長至387.7×103kN。在實際工程中，工程結構材料非線性，過大軸力值可能會導致結構體進入屈服甚至屈服后狀態，造成區域內多個柱結構失效。故雜填土或粉質黏土層若發生大變形，可能會對基礎以及支承結構的穩定性造成嚴重不良影響。

圖8 上臺階局部下沉前后柱體受力變形情況對比

4.2.2 斜坡面法向位移 對第2級放坡側壁施加法向位移，模擬巖體表面突發垮塌破壞對巖壁和結構穩定性的影響。面位移情況如圖9所示。局部變形之前，巖土體中產生的最大位移為31.8 mm，且集中在第1層臺階支承基礎的位置。施加局部斜向位移后，巖壁最大位移增大至56 mm(減去了施加的位移)，典型剖面的變形矢量如圖9所示。上部兩臺階以及斜向坡范圍內的巖壁表面受卸荷作用，發生向臨空面的大幅變形，但并未發展到巖體內部位置，第3級臺階和坑底巖體所受影響較小。

圖9 巖壁法向大變形后的典型位移矢量圖

局部巖壁的側向位移對支承在各級臺階上的基礎和柱結構的變形存在較大的影響。巖壁受卸荷作用向臨空面發生變形，使得其上的柱體變形形式由沉降為主轉變為側向為主。圖10展示了第3級臺階上的柱體在施加局部位移前后的變形情況。在正常承載工況下，柱體發生少量下沉位移，側向變形發生在柱身下部，而在巖壁面發生突然的側移后，各級臺階表面巖體都發生了不同程度的隆起和斜向變形，因此造成了其上的結構構件發生相似的變形：柱體發生上移，并且側移量相較之前增幅極大。柱體頂部往往考慮歸結于上部結構底面，下端產生較大的側向位移會在柱體內部產生較大的剪力和彎矩，可能會對結構穩定性造成危害。故巖壁斜坡若發生較大的側向位移，可能會對支承結構以及上部建筑主體的穩定性造成嚴重不良影響。

圖10 坡面位移前后柱體的變形模式(變形放大40倍)

4.3 單柱失效荷載傳遞機制

針對不同臺階處的單個傳力柱結構失效，以模擬施工意外或過大荷載造成的單柱失效，探究荷載向周圍梁、柱的傳遞機制。

根據計算結果，單個柱體的失效，造成梁結構的局部懸空，該位置的下沉量由30.92 mm急劇增大至178.4 mm，如圖11(a)所示。支承情況的變化也造成了梁的內力變化，圖11(b)是柱失效前后的梁彎矩圖，彎矩分布形式發生了明顯變化，其數值也增長至5倍。梁變形和受力大幅增長，可能會造成混凝土開裂，影響梁的承載效果。

圖11 單柱失效前后其連接梁的變形受力圖

單柱失效后，其上原本的豎向荷載通過梁和主體結構底板轉移到其他柱體。通過分析發現，支承在雜填土和粉質黏土層中的柱體承受的荷載遠小于支承與巖體上的柱體承受的荷載，故其失效造成周圍柱體荷載增量可忽略不計；而支承與巖壁上的柱失效后，會造成周圍各柱的承載情況發生不同程度的增加。表4列出了支承于第2層臺階巖壁的單柱失效后，周圍柱體的軸力變化情況。下部巖壁上的各單樁失效情況與此相似。

表4 第2層臺階單樁失效前后周圍柱內力

由表4結果可知，單個基礎或傳遞上部結構荷載的樁體失效，主要會對連接于其上的橫向和縱向梁產生較大的內力、變形增量。支承在巖壁上的單樁失效后，其原本承受的荷載會轉移到周圍其他樁，造成周圍樁體內的軸力值增大，但增幅不大，不會造成漸進式的連續樁體破壞。

5 結論

以湘江歡樂城項目中的深廢礦坑再利用開發工程為例，通過數值模擬手段，對天然礦坑巖壁在點式環向受荷條件下巖壁的穩定性問題以及巖壁與結構協同作用問題開展了深入研究，得到以下主要結論：

1)在天然狀態以及結構正常運營樁體下，礦坑巖壁產生的變形量基本可控且僅發生在靠近臨空面的表層土中。

2)局部結構超載會導致鄰近巖壁與基礎的下沉增量，但對深部巖體影響甚微。

3)巖壁由于突發災害產生的局部大變形，會對鄰近部位的基礎以及支承結構穩定性造成不良影響，嚴重者可致區域性的結構失效，從而影響上部主體結構的安全運營。

4)單個基礎或傳遞結構荷載的樁體失效后，荷載大量傳遞至其上連接的梁結構，可能導致梁結構局部開裂甚至逐漸發展為斷裂失效。但轉移到周圍其他樁的荷載有限，不會造成漸進的連續樁體破壞。