周邊地面塌陷對某樁錨支護基坑受力性能影響分析

【摘要】

涌水涌砂導致基坑周邊地面開裂甚至塌陷的事故常有發(fā)生，結合某樁錨支護基坑周邊地面塌陷案例，分析了不同程度的地面開裂塌陷情況下樁錨支護結構受力情況。通過對塌陷區(qū)域土體強度、彈性模量及坍塌土與原狀土間界面強度折減的方法來模擬地面塌陷后的土體力學性能，分析周邊地面塌陷后土壓力的變化及對錨索、排樁受力性能的影響。結果表明： 地面塌陷會引起塌陷滑動體的下部土壓力明顯增大，錨索的內力增大幅度大于支護樁內力增大幅度，采用土體滑動后參數(shù)重新計算，并按照計算得出錨索內力對已有錨索重新張拉鎖定，少量達不到要求的錨索在旁邊補加錨索加固，該方法以較低成本達到了加固要求，可為類似基坑事故處理提供參考。

【關鍵詞】涌水涌砂； 地面塌陷； 樁錨支護； 加固

【中圖分類號】T

【中圖分類號】U476+.9【文獻標志碼】A

［定稿日期］2022-07-12

［基金項目］中鐵建設集團有限公司科技研發(fā)計劃項目（項目編號：LX20-16b）

［作者簡介］熊思遠（1990—），女，本科，工程師，主要從事建筑施工、工程管理工作。

0 引言

在樁錨支護基坑中，降雨入滲、附近雨污水箱涵滲漏經常導致淺層土體坍塌；當深層止水帷幕失效時，深層區(qū)域流土、流砂現(xiàn)象也時有發(fā)生，這兩種情況均可能導致基坑附近路面塌陷。文獻［1］分析了土體表面滲流對生態(tài)邊坡穩(wěn)定性的影響，文獻［2］分析了降雨強度及持續(xù)時間對邊坡穩(wěn)定性影響，文獻［3］對深基坑工程事故的常見原因及二次加固進行了分析，文獻［4-5］對地鐵、隧道涌水涌砂成因及治理方法進行了研究。目前少有文獻對砂土流失、地面塌陷滑動后基坑整體受力及安全性能進行定量評估分析，這將導致基坑事故搶險及加固方案的制定具有一定的盲目性?；又ёo結構局部破壞極可能引起土壓力的重分布，使得剩余支護體系的荷載傳遞規(guī)律發(fā)生改變［6-7］，進而引發(fā)大范圍連續(xù)破壞，所以相關研究很有必要。

參考邊坡穩(wěn)定分析時的有限元強度折減法，本文提出了一種對坍塌區(qū)域土體抗剪強度、彈性模量及坍塌區(qū)域土體與原狀土體界面強度進行折減的方法來模擬地面塌陷后的土體力學性能，該方法能較好地定量分析基坑周邊土體塌陷后土壓力及整個支護體系的受力變化情況，可以避免常規(guī)有限元分析中因模擬土體塌陷等大變形行為而產生計算不收斂的問題，具有較強的工程實踐參考意義。

1 工程概況

江西某基坑位于富水含砂地層，基坑地面絕對高程為20.30 m，設計基坑深度為16.85 m，根據(jù)勘察報告，場地土層分布為：雜填土、粉質黏土、細砂、礫砂、強風化砂礫巖及中風化礫巖，基坑開挖深度影響范圍內相關土層參數(shù)見表1，表1中土層彈性模量與地勘報告提供的壓縮模量及變形模量的換算參考了地區(qū)工程經驗［8］，彈性模量主要用于有限元分析。

本案例設計時地下水位取值為地面下-5.3 m，而基坑長期監(jiān)測得出的地下水位為地面下-9.0 m，為反映地面塌陷

后基坑真實的受力情況，后續(xù)計算分析過程中均采用-9.0 m地下水位。

基坑采用混凝土排樁加三道預應力錨索支護方案，為降低造價，支護樁樁頂處設置3 m高混凝土擋土墻，基坑支護結構剖面見圖1。

支護排樁為1.0 m的鉆孔灌注樁，樁間距1.2 m，樁總長21.85 m，嵌固深度為9 m，樁身采用強度為C30的混凝土，基坑頂部荷載設計取值30 kPa。3道預應力錨索編號從上至下依次為1#、2#、3#，入射角15°/20°交替布置，錨索水平間距與樁間距均為1.2 m，錨索錨固體150 mm。采用雙重止水方案，坑外設置了一道三軸攪拌樁止水帷幕，另外在樁間還設置了一道高壓旋噴樁進行止水，止水帷幕底嵌入強風化巖層0.5 m。

2018年8月，該項目基坑東側中段由于場地外污水管道長期滲漏，引起基坑中部發(fā)生噴涌，砂土穿過止水帷幕涌入基坑內，使得周邊地面開裂塌陷，塌陷現(xiàn)狀如圖2所示。

從圖2（a）可以看出：基坑在深度6～12 m處發(fā)生噴涌，砂土涌入基坑內，導致周邊道路局部塌陷，產生長約15 m、寬約10 m的塌陷面；從圖2（b）可以看出，地面塌陷時基坑側壁基本完整，塌陷處支擋結構水平變形并不是很明顯。由于地面塌陷后整個支護體系受力變化及穩(wěn)定性能不明確，根據(jù)現(xiàn)場坍塌情況，筆者建立了幾種不同深度的土體滑動和流失工況，分析周邊地面塌陷后樁錨支護體系受力變化規(guī)律。

2 滑裂破壞面的確定及有限元模型

根據(jù)JGJ120-2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》［9］，支擋式結構理論直線滑動面傾角公式見式（1）。

α=45°-φm/2（1）

式中：α為滑動面與豎向支擋結構夾角;φm為滑裂區(qū)以內各土層按厚度加權的內摩擦角平均值。

塌陷區(qū)堿寬度約10 m， 根據(jù)地面開裂形狀，將塌陷區(qū)分為3.36 m、3.10 m、3.54 m三個區(qū)域。由式（1）計算出滑動面傾角，可以得出開裂地面對應的滑動體深度分別為4 m、5 m、5 m，滑動體共分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個區(qū)域，其中Ⅲ區(qū)域又分為Ⅲ1、Ⅲ2，Ⅲ3三部分，滑裂區(qū)域劃分如圖3所示。

采用PLAXIS有限元軟件進行分析，土體采用摩爾-庫倫模型［10］，土層參數(shù)詳見表1，支護樁及樁頂混凝土擋土墻均采用板單元模擬，錨索自由段采用點對點連接單元。

為了模擬土體滑動后土壓力變化情況，共進行了6種工況下的土壓力計算，各工況詳見表2。由于土體塌陷后會產生松動，滑動土體強度折減50%，滑動土體與未滑動土體接觸面面強度折減因子取0.1。

3 計算結果分析

3.1 土壓力分析

在JGJ 120-2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》中，土壓力采用朗肯土壓力；有限元分析時，分別計算了基坑開挖前土壓力；基坑開挖到坑底，路面無塌陷（工況1）時的土壓力；區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土體塌陷（工況4）時的土壓力；區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土體塌陷且Ⅲ2、Ⅲ3區(qū)域土體部分流失（工況6）時的土壓力，圖4為上述各工況下土壓力對比，需說明的是地下水位以下的土壓力包含水壓力。

從朗肯土壓力計算公式σa=γzKa-2cKa可以看出影響土壓力的主要因素是土體的黏聚力及摩擦角的變化，土壓力不隨基坑開挖深度而變化，這是朗肯土壓力的缺點。有限元計算可以反映出土壓力隨基坑開挖深度的變化，比較符合實際情況，PLAXIS有限元計算土體自重作用下，初始土壓力采用式（2）。

K0=1-sinφ（2）

式中：φ為內摩擦角。式（2）實質為靜止土壓力經驗計算公式，靜止土壓力在計算時只考慮了土體內摩擦角的影響，沒有考慮粘聚力的影響，這是有限元計算的不足之處。從圖4還可以看出，規(guī)范推薦的朗肯土壓力與開挖前有限元計算的土壓力還是有一定的差別。由于粉質黏土粘聚力較大，故在該土層處這種差別更為明顯。從總體上看，開挖前有限元計算土壓力大于朗肯土壓力。

對比基坑開挖前、開挖至坑底后（工況1）土壓力可以看出，由于基坑開挖土體的變形，從基坑1/3深度開始，基坑下部土壓力開始減少。對比工況1與工況4土壓力可以看出，當上部區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土體塌陷后，在基坑7～13 m深度范圍內，土壓力出現(xiàn)較明顯的增大現(xiàn)象。對比工況4與工況6土壓力還可以看出，局部砂土流失，土體的彈性模量折減50%時，對土壓力的影響并不是很明顯，如果由于砂土流失局部產生土洞，土壓力變化應另行考慮。

3.2 錨索拉力分析

各工況下的錨索拉力見表3，對比工況1和工況4狀態(tài)下的錨索拉力可以看出：1#錨索內力增量41 kN，2#錨索內力增量69 kN，3#錨索內力的增量為83 kN，最大增幅比例為19.3%。

3.3 支護樁變形及內力分析

圖5為各工況樁身水平位移分布，圖6為各工況下樁身彎矩對比。

從圖5可以看出，隨著土體滑動范圍增大，樁身位移值不斷變大，但樁身的最大水平位移位置并無明顯變化。地面未發(fā)生塌陷時（工況1）支護樁樁頂位移為23.95 mm，最大位移在基坑13 m深度附近，最大位移為30.97 mm；工況6時樁頂位移為30.6 mm，樁身最大位移為35.1" mm，工況6中樁頂位移增幅最大，最大位移增幅比例為27.8%。

從圖6可以看出各工況下彎矩變化并不十分明顯，工況1樁體的最大彎矩-1 088 kN·m，工況6時樁體的最大彎矩為-1 155 kN·m，彎矩增大比例僅為6.1%。從錨索內力與支護樁彎矩增大比例可以看出，錨索的內力增大比例明顯大于支護樁，地面塌陷滑動對錨索的內力影響大于支護樁。

4 加固方法

本項目基坑土層從上至下分別為粉質黏土、細砂、礫砂、強風化砂礫巖及中風化礫巖，沒有高靈敏度及高觸變性的軟土，且錨索的錨固段主要在細砂、礫砂層。本基坑土體滑裂面主要發(fā)生在錨索的自由段，對錨固段受力影響相對較小。

本案例由于設計時地下水位取值高于實際水位，故設計有較大的安全儲備，根據(jù)JGJ120-2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》，錨索的極限抗拔承載力按式（4）計算。

Rk=πd∑qsikli（4）

式中：d表示錨索的錨固體直徑；li表示錨固段在第i層土中的長度；qsik為錨固體與第i層土的極限粘結強度標準值。本案例由式（4）計算得出的1#、2#、3#錨索極限抗拔承載力分別為640.32 kN、1 101.58 kN、1 253.51 kN，即使是在工況6狀態(tài)下，抗拔承載力安全系數(shù)仍然達到2.03、2.56、2.44，存在著較大的安全儲備。

本基坑事故發(fā)生后，立即在坑底進行填土反壓，然后對滑動區(qū)土體參數(shù)進行折減后重新進行計算，得出新的錨索拉力，然后對滑裂區(qū)域及附近錨索按新的錨索拉力進行張拉鎖定，達到抗拔承載力要求的錨索繼續(xù)使用，達不到抗拔承載力檢測值的錨索在旁邊增加新錨索進行加固，實踐證明該方法簡單可行，現(xiàn)該工程地下室已施工完畢，基坑支護已完成預期功能。

5 結論

本文結合江西某基坑涌水涌砂引起地面塌陷的工程實例，通過對多種滑裂面情況、土體強度折減情況下的樁錨支護體系的土壓力、錨索拉力及支護樁內力、位移進行對比分析，相關結論如下：

（1）基坑地面塌陷會引起土壓力有較大的變化，在塌陷滑動體的下部土壓力會有較大的增長。

（2）地面塌陷區(qū)域如果只發(fā)生在錨索自由段，對錨固段的影響不大，但如果地面塌陷區(qū)域貫穿了錨索錨固段，會降低錨索抗拔承載力，對基坑受力更為不利。

（3）樁錨支護體系中，地面塌陷并不一定會引起基坑完全倒塌，對滑動區(qū)土體強度、滑裂面強度等進行適當折減，對支護結構重新進行計算，然后按新的計算結果進行進行張拉鎖定，達到抗拔承載力檢測值的錨索繼續(xù)使用，達不到抗拔承載力檢測值的錨索在旁邊增加新錨索是一種簡單可靠的方法，費用較低具有較強的工程實踐操作性。

參考文獻

［1］ 王亮，楊俊杰，劉強，等.表面滲流對生態(tài)邊坡中客土穩(wěn)定性影響研究［J］.巖土力學，2008，29（6）：1440-1445.

［2］ 孔郁斐， 宋二祥， 楊軍. 降雨入滲對非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響［J］. 土木建筑與環(huán)境工程，2013，35（6）：16-21.

［3］ 朱彥鵬， 朱勝祥， 葉帥華. 某工程深基坑事故分析與二次加固設計［J］. 巖土工程學報， 2014， 36（s1）：186-191.

［4］ 王彥臻.地鐵聯(lián)絡通道涌水涌砂治理技術研究［J］.鐵道建筑技術，2020（3）：125-127.

［5］ 宋詩文.楊林隧道巖溶涌水成因分析及處治設計方案研究［J］.鐵道建筑技術， 2020（3）：128-132.

［6］ 鄭剛，雷亞偉，程雪松，等.局部錨桿失效對樁錨基坑支護體系的影響及其機理研究［J］.巖土工程學報，2019：1-9.

［7］ 程雪松，鄭剛，鄧楚涵，等.基坑懸臂排樁支護局部失效引發(fā)連續(xù)破壞機理研究［J］.巖土工程學報，2015，37（7）：1249-1263.

［8］ 鄭有明，戴鴻濤，劉獻剛，等.異形截面全夯式擴底灌注樁豎向承載受力機理研究［J］.建筑結構，2019，49（16）：127-132.

［9］ 中國建筑科學研究院. 建筑基坑支護技術規(guī)程JGJ120-2012［S］. 中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

［10］ 張欽喜， 樊紹峰， 周予啟. 深基坑樁錨支護側土壓力反分析及數(shù)值模擬［J］. 巖石力學與工程學報， 2009， 28 （S1）：3214-3220.