考慮水—巖劣化效應的深基坑開挖變形與支護結構穩定性研究

武 越

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，成都 610021)

1 概述

隨著城市化進程的不斷發展，地上和地下空間有效利用越來越得到重視[1-2]。尤其在我國地面資源緊缺的區域，其地下空間利用率也較高。但這些區域的工程項目所涉及的基坑工程，往往存在著深度大、周圍影響因素較多、施工難度大等特點[3-5]。特別是對于地下水補給排關系復雜且巖土體水敏性較高的基坑工程，頻繁降雨和地下水位變化引起的水巖-劣化效應是影響基坑開挖及支護穩定性關鍵因素之一，容易造成基坑坍塌、邊坡失穩等工程災害[6-8]。張婉吟[9]就緊鄰地鐵深基坑開挖利用有限元軟件對滲流場和周圍地表沉降進行模擬，將實際數據和模擬數據經行對比分析，總結了臨近地鐵深基坑周圍地表沉降規律。胡世英[10]利用geostudio數值模擬軟件對近海淤泥地層基坑工程進行模擬，分析基坑開挖后應力場、滲流場與位移變形等，總結出近海淤泥地層基坑工程變形規律。劉俊城[11]對富水砂土基坑滲水事故進行現場調研，利用實測數據分析事故原因，應用 Midas-GTS-NX軟件建立有限元模型，得出隔離樁能增長滲流路徑降低水力梯度，起到削弱動水力對墻體的作用。姜曉博[12]以室內試驗為基礎，分析推到了水—巖劣化本構模型。武坤鵬[13]以船廠基坑為依托，分析現場數據，通過數值模擬方法，研究了臨水軟土中鋼板樁支護結構變形，得出鋼板樁支護結構變形較大，應及時采取加固措施。國內外大量學者對基坑工程開展了深入研究，但大多研究集中于常規基坑工程和地下水滲流對基坑工程的影響。即便是在工程的常規設計中，也多采用的是靜態浸水的飽和參數來考慮巖土體強度的衰減，較少考慮水分往復變化造成的水—巖劣化效應對深基坑開挖變形與支護穩定性的影響。

本文以西南某基坑工程為研究背景，采用現場調研、室內試驗和仿真分析的手段研究了基坑巖土體在干濕循環作用下的性能演化規律，分析并預測了巖土體應力場、基坑變形、地表沉降及懸臂式圍護結構受力及變形。研究成果可為水—巖劣化下深基坑開挖變形與支護結構穩定性研究提供參考依據。

2 工程概況

工程區位于四川西南某古建筑改造工程，場地原始地貌為西南地區典型的侏羅系紅砂巖和砂泥巖沉積地層，區內水文地質條件復雜，地下水位變化受大氣降水補給影響顯著。研究選取的基坑工程開挖長50 m，寬35 m，開挖深度為15 m，現場施工情況如圖1所示。基坑開挖影響區范圍內主要為泥巖、砂巖和白云巖基巖地層。其中強風化砂質泥巖遇水后極易出現軟化現象，宏觀力學強度也會出現明顯衰減。場區所處環境晝夜溫差大，晴雨天交替頻繁，日間溫度可達38℃。基坑周邊地下水位也較高。受降雨及開挖工序的影響，需長期對坑內進行降水處理。因此，基坑上部的紅層泥巖會長期經受浸水和干燥的干濕循環歷程。對于基坑開挖后的坑壁穩定性帶來了極大的影響。為了對比分析水-巖劣化效應對基坑開挖后的穩定性影響，選取現場取得的巖樣及基坑開挖后的典型剖面分別進行室內試驗和數值建模計算的綜合分析研究。

3 室內試驗

3.1 試驗準備及方案

試樣取自于基坑東側以泥質膠結為主的沙溪廟組紅層泥巖，呈層狀構造，偶含鈣質集塊。原巖結構破壞嚴重，風化裂隙較為發育。室內基礎土工試驗測得其天然含水率為6.4%，密度為2.33 g/cm3。物質成分分析表明，泥巖內部的高嶺土、長石和石英的含量分別為23.2%，32.1%和20.4%，同時還含有少量伊利石、方解石等，可以看出具有較強的親水性，容易受到地下水的擾動影響。將取回的泥巖試樣采用干鉆法制成H=10 cm，D=5 cm的標準圓柱體試樣(控制巖樣尺寸誤差不大于1 mm)，將兩塊透水石及與截面等大的濾紙分別設置于試樣的兩端。將樣品置于飽和箱內進行抽真空120 min后，通過膠皮軟管注入蒸餾水進行飽和。待試樣飽水24 h，置于70℃恒高溫的烘箱內烘干24 h，整個過程視作一次干濕循環。根據現場氣象水文條件，共設置3組循環工況并設置一組0次循環的對照組，最后對不同工況條件下的試樣進行抗剪強度參數的室內試驗分析(具體工況見表1)。此外，針對基坑場區范圍內的強風化泥巖、弱風化砂巖和灰巖進行了不同含水狀態下的常規土工試驗(單軸抗壓強度)。

表1 試驗設計

3.2 試驗結果分析

不同含水狀態下的場區巖體單軸抗壓強度如圖2所示，可以看出不同種類的巖石強度均與含水率具有一定聯系，并且隨著含水率的增加，強度整體呈下降趨勢，但其中全風化泥巖的單軸抗壓強度受水的影響最為明顯。隨著巖樣含水率的增加，灰巖的單軸抗壓強度降低了5.57%，弱風化砂巖的單軸抗壓強度降低了16.12%，相對而言受含水率變化影響較小。但是在飽水狀態下，泥巖的力學強度下降了84.87%。因此在本工程的研究分析中，應重點考慮基坑開挖后水作用對泥巖層力學性質的影響。

圖2 單軸抗壓強度變化規律示意

由圖3可以看出，巖樣的抗剪切性能整體隨干濕循環次數的增加出現衰減。特別是在早期的干濕循環過程中，抗剪性能呈現出先平緩降低后顯著衰減的變化過程。主要是由于離散分布在巖體中的親水礦物在水運移過程中無論遇水膨脹還是失水收縮，均直接引起了試樣內部泥巖微單元體的損傷破壞。泥化膨脹后單元結構解體，又進一步衍生出更多微裂縫從而破壞了巖體的完整性。在多次的干濕循環作用下，試樣內摩擦角隨循環次數增加依次降低了4.29%，12.05%和27.23%；粘聚力降幅區間為11.45%～59.54%。這表明干濕循環作用導致巖體的抗剪強度主要依靠顆粒的滑動摩擦提供，顆粒粘結所形成的抗剪斷效應顯著降低。可以推測，靜水浸泡和動水運移的耦合作用進一步加劇了巖體力學性能的衰減，這在多次干濕循環作用下更加顯著。

圖3 抗剪強度參數變化規律示意

4 數值模擬結果分析

4.1 模型建立及邊界條件

本基坑工程采用懸臂式圍擋進行基礎支護，支護結構嵌固深度約5 m，厚度約1.8 m。根據已有工程經驗，基坑開挖的影響約為開挖深度的1～2倍，寬度及長度影響范圍約為開挖深度的2～3倍，基于此構建數值模型，尺寸為175 m×190 m×40 m。依據現場勘察情況進行地質條件劃分，一共分為3層：第1層紅層泥巖厚度約7 m；第2層砂巖厚度約4 m；第3層白云巖厚度約為29 m。以基坑開挖長度方向為模型Y軸，寬度方向為模型X軸，共劃分網格數為17 490個，節點數為14 023個(如圖4所示)。

圖4 開挖模型網格劃分示意

經現場勘探情況可知，該區域地應力以自重應力為主，計算模擬過程中對模型底面及四周施加法向位移限制，上表面為自由面。由于本次模型需重點分析基坑巖土體及支護結構變形受力情況。故地層及支護結構均采用實體單元進行建模，參數賦值見表2所示。為充分考慮地下水變化及區域氣象的降雨蒸發作用，假定開挖過程中模型經歷了3次深度的干濕循環過程，且巖土層參數基于室內干濕循環試驗數據取值。針對不同水巖劣化程度的基坑開挖工況進行模擬分析。

表2 模型材料參數參考值

4.2 模擬結果分析

4.2.1巖土體應力場分布

1)初始地應力計算

基坑開挖區域初始地應力隨土層深度增加而線性增加。提取不同地層深度處水平和豎直方向上初始應力分別繪制于圖5。可以得出同一土層中當深度每增加1 m，水平和豎直方向上自重應力分別增加23.1 kPa、11.6 kPa，豎直方向上增加值為該土層土體天然重度，水平方向上和豎直方向上自重應力比值為一固定值即土體側壓力系數，設置為0.5。基坑的開挖對于土體為卸荷作用，開挖深度越深所卸荷載越多，越易導致基坑底部隆起，準確計算出初始應力才能精確判斷和預測基坑應力場和變形規律，為工程項目開展提供支撐。有無地下水和不同地下水循環次數對土體自重應力、黏聚力以及內摩擦角均產生影響，無地下水導致該區域內土體自重應力、黏聚力及內摩擦角增加，循環次數越多黏聚力及內摩擦角劣化越明顯，所以初始地下水條件對基坑開挖數值計算影響重大。

a 水平應力云

b 豎直應力云圖5 巖土體應力云示意

2)開挖后應力場分布

建立土體在不同循環條件下懸臂式基坑開挖數值模型，圖6為基坑開挖后應力場分布云圖，從圖中可見，在開挖后遠離基坑處應力場變化不大，均分層分布，土體在懸臂式圍護結構懸臂段靠近基底處出現應力集中現象，最高達562 kPa。由表3分析可知，應力集中處壓應力隨干濕循環次數增加而增加，最小值507 kPa，最大值562 kPa，循環0至2次時增加緩慢，循環2至3次時增長較快。該現象說明，水-巖劣化效應降低了土體強度指標(黏聚力、內摩擦角)弱化了土體抗剪強度，增加了圍護結構懸臂段末端處應力，為圍護結構設計提出了更高要求標準。

表3 巖土體最大壓應力演化

4.2.2基坑變形特征

圖7為不同循環條件下基坑形變示意，從圖中可見，就同一地下水條件而言，基坑開挖后中心處豎向位移最大，距基坑中軸線距離越大豎向位移越小。不同地下水條件下基坑中同一位置處，循環次數越多豎向位移越大。未進行循環時，中心和坑底邊緣處豎向位移分別為12 mm、5 mm。而在循環3次后，坑底中心處豎向位移最大為25 mm，相較于未劣化時增加了116%。該現象是由于基坑上部土體開挖卸荷后，坑底中心處應力釋放最多故豎向變形較大，而地下水的存在降低了土體強度指標導致多次循環后豎向變形大于正常條件下變形。

圖7 基坑形變示意

4.2.3地表沉降規律

總體上來看，靠近基坑靠近邊緣及遠離基坑邊緣處地表沉降最小，距邊緣17 m處地表沉降最大。將不同循環條件下地表沉降數值提取，地表位置作橫坐標，繪制得不同循環條件下基坑外地表豎向位移變形圖(見圖8)。由圖可見，土體沉降量隨循環次數增加而增加，在距基坑邊緣17 m處，循環0次后所對應豎向位移為7.5 cm，循環3次后所對應豎向位移增加了11 cm，共沉降18.5 cm。地表沉降影響范圍也隨循環次數增加而相應增加，在循環0次后，地表沉降5 cm處距基坑邊緣5 m處，在循環3次后，地表沉降5 cm處距基坑邊緣3 m處。綜上，地下水—巖劣化效應不僅增加基坑外地表沉降，且擴大地表豎向沉降影響范圍區域，對基坑附近人員和建筑安全產生負面影響。施工過程中應密切觀測基坑外地表沉降，遇地下水等因素影響時應加大觀測頻率[14]。

圖8 地表沉降位移示意

4.2.4支護樁受力及變形規律

將不同循環條件下基坑開挖后懸臂式圍護結構內外側豎向應力繪制于圖9中，由圖可見，圍護結構靠近基坑內側受壓，靠近基坑外側受拉，最大值均在坑底處，兩側基本為對稱分布。在圍護結構同一位置，不同循環次數所對應應力不同，循環次數愈多圍護結構所受應力越大，其中最大壓應力為580 kPa。在懸臂式圍護結構設計中應注意水—巖劣化效應造成的結構受力增加，對薄弱處應復核計算強度保證圍護結構安全不破壞。將基坑開挖后靠近基坑內側處圍護結構水平變形繪制于圖10中。圍護結構水平位移沿開挖深度逐漸減少，同一循環次數下圍護結構最上端處最大，隨循環次數增加該處水平位移增加，最大增加至3.8 cm。可以看出，水—巖劣化效應增加開挖后圍護結構所受側向土壓力，導致圍護結構水平位移增加，容易造成結構破壞、基坑內凈空不足等不良影響。對于水—巖劣化嚴重的消極情況可采取基坑上部安裝鋼支撐措施，改造為內撐式圍護結構，利用軸力平衡側向土壓力以減少水平位移和結構受力。

圖9 結構受力云示意

圖10 樁體位移變化示意

5 結語

本文基于室內試驗及數值模擬軟件，針對不同干濕循環次數下的某基坑工程進行計算分析，研究水—巖劣化效應對深基坑開挖及支護結構穩定性造成的影響規律，得出以下結論：

1)隨著干濕循環次數的增加，基坑巖土體抗剪強度逐漸降低。內摩擦角衰減幅度為4.29%～27.23%，粘聚力最大衰減了59%。特別是在第三次干濕循環后，水巖劣化作用對粘聚力影響更大。

2)相較于常規基坑開挖，由于水巖劣化效應導致巖土體強度指標降低，地表最大沉降增加到18.5 cm，基坑底部隆起幅度增加了116%，約25 mm。支護側向形變及應力集中現象均呈現不同程度的惡化，樁墻位移量最大增加了約1.5倍。可見水巖劣化效應對基坑的穩定性造成嚴重影響。

3)隨著干濕循環次數的增加，水-巖劣化效應逐步顯著。在干濕循環3次后，土體強度指標下降明顯，造成地基承載力不足，基坑形變及支護結構受力的復雜性顯著增加。因此，在實際工程建設中，如遇氣象水文條件復雜時，應考慮水巖劣化效應的影響，及時強化支護措施并加強監測。