泥質(zhì)粉砂巖地層基坑變形特性及預(yù)測分析

周曉宇

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

長期以來，深基坑工程問題一直是我國建筑工程不可避免遇到的熱點問題，深基坑支護設(shè)計與施工既要考慮安全性，又要考慮經(jīng)濟性，這給巖土力學工程帶來挑戰(zhàn)[1]。工程實踐表明，不同地區(qū)、不同尺度和形狀的深基坑引起的地層變形性狀差異較大，同時，基坑處于一定地質(zhì)環(huán)境中，不同地質(zhì)環(huán)境具有不同力學特征，這給基坑設(shè)計、鄰近建(構(gòu))筑物的變形預(yù)測及保護帶來較大困難[2]。國內(nèi)外學者對于軟土地區(qū)基坑變形特征進行大量研究，得出很多有價值的成果，對于基坑設(shè)計與施工具有很好的指導意義[3-10]。但是，對于巖質(zhì)地層基坑變形特征研究較少。本文以泥質(zhì)粉砂巖地層基坑為研究對象，結(jié)合基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，對以灌注樁為圍護結(jié)構(gòu)的基坑變形性狀進行分析研究，以期為類似地層基坑工程設(shè)計與施工提供參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

該基坑是某軌道交通工程明挖區(qū)間工程，里程范圍為右JYDK57+649.829～右JYDK57+938.900區(qū)間，基坑深18 m～23 m，寬12.900 m～14.100 m，左右線側(cè)采用φ1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁+φ600@1 200 mm高壓旋噴樁樁間止水。采用灌注樁+內(nèi)支撐支護形式，其中第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐，其余各道支撐均采用鋼管支撐。基坑圍護結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程場地區(qū)域地質(zhì)相對穩(wěn)定，區(qū)域穩(wěn)定性較好，場地穩(wěn)定性分類為穩(wěn)定。地層由上而下依次如下：

①雜填土：灰黃、灰白、灰黑色，干燥～潮濕，松散～中密，主要由黏性土、砂粒、碎礫石及建筑垃圾、生活垃圾等組成，局部含植物根系。市區(qū)路面段上部為混凝土層，厚度0.3 m～0.7 m不等。回填時間1 a～5 a不等。該層局部分布，層厚0.40 m～14.50 m。

②素填土：灰黃、土褐色，稍濕～潮濕，松散～稍密，主要由黏性土、砂粒及碎礫石等組成，局部含植物根系。回填時間為1 a～5 a不等。該層分布廣泛，厚為0.60 m～15.60 m。標貫試驗實測擊數(shù)平均值N=7.42擊；重型動探試驗修正擊數(shù)標準值N63.5=9.28擊。

③粉質(zhì)黏土：灰黃色，可塑為主，下部局部硬塑，切面稍光滑，干強度中等，韌性中等。局部下部含泥質(zhì)粉砂巖風化殘碎塊。天然含水量w=28.24%，塑性指數(shù)Ip=14.21，液性指數(shù)IL=0.50，φ=14.89°，c=31.96 kPa，壓縮系數(shù)α1-2=0.36 MPa-1，壓縮模量Es=5.31 MPa。該層分布較廣泛，層面標高56.64 m～79.13 m，層面埋深0.70 m～15.60 m，厚度0.50 m～8.80 m。標貫試驗實測擊數(shù)標準值N=11.49擊，下部含風化碎塊段重型動探試驗修正擊數(shù)標準值N63.5=7.92擊。

④強風化泥質(zhì)粉砂巖：褐紅色、灰黃色、灰紫色，風化強烈，風化裂隙發(fā)育，巖芯破碎呈碎塊狀，少量短柱狀，碎塊易碎，質(zhì)軟。局部夾中等風化碎塊。該層局部缺失，層面標高55.46 m～75.13 m，層面埋深0.40 m～18.70 m，層厚0.40 m～7.00 m。重型動探試驗修正擊數(shù)標準值N63.5=20.68擊。

⑤中等風化泥質(zhì)粉砂巖：紫紅色、灰紫色、灰紅色，粉砂結(jié)構(gòu)，薄～厚層狀構(gòu)造，鐵泥質(zhì)膠結(jié)。節(jié)理裂隙不發(fā)育，局部見鐵錳質(zhì)渲染，巖芯較完整，以5 cm～35 cm短柱狀、長柱狀為主，最長可達1.3 m，局部夾塊狀。多夾有薄～中厚層狀粉砂巖，局部夾中粗砂巖及砂礫巖薄層，易軟化、易崩解。干燥抗壓強度標準值17.14 MPa，飽和抗壓強度標準值為5.78 MPa，天然抗壓強度標準值為8.50 MPa，軟化系數(shù)平均值為0.33，屬軟巖，巖體較破碎～較完整。該層全區(qū)分布，本次勘察未揭穿該層，層面標高54.73 m～72.70 m，層面埋深0.50 m～21.50 m，揭露厚度0.90 m～30.70 m。

明挖區(qū)間隧道穿越地層主要為中風化泥質(zhì)粉砂巖。地貌類型為中山溶丘、巖溶槽谷及巖溶洼地相間地貌，該區(qū)段線路主要沿道路順向敷設(shè)，敷設(shè)段地形整體平緩，地面標高1 247.5 m～1 224.8 m，北西高南東低，平均坡度1°～2°。

2 地表沉降分析

基坑在開挖過程中，由于地層受到擾動，地下水流失，基坑圍護結(jié)構(gòu)變形等因素影響，地層應(yīng)力重新調(diào)整，進而引發(fā)地表沉降。對于不同地質(zhì)條件，相同的圍護結(jié)構(gòu)會表現(xiàn)出不同的地表沉降規(guī)律。本文以泥質(zhì)粉砂巖地層基坑為研究對象，統(tǒng)計分析地表沉降數(shù)據(jù)，同時將研究結(jié)果與Peck曲線及Heish曲線進行對比(如圖2所示)。

通過對泥質(zhì)粉砂巖地層基坑圍護樁背后地表沉降數(shù)據(jù)進行分析，同時畫出地表沉降曲線包絡(luò)線，結(jié)果顯示，地表沉降最大值發(fā)生在0.1倍～0.5倍基坑開挖深度范圍內(nèi)，0.5倍～1倍基坑開挖深度范圍內(nèi)地表沉降值逐漸減小。主要影響區(qū)集中在0.5倍基坑開挖深度范圍內(nèi)，次要影響區(qū)域位于0.5倍～1倍基坑開挖深度范圍。Peck提出基坑開挖主要影響區(qū)域為基坑開挖2倍范圍內(nèi)，沉降曲線呈現(xiàn)圓滑曲線特征；Heish預(yù)測模型給出圍護樁背后最大沉降位置在0.5倍基坑開挖深度處，主要影響區(qū)域為基坑開挖深度2倍范圍內(nèi)，Heish預(yù)測沉降曲線為折線。圍護結(jié)構(gòu)背后沉降曲線如圖2所示。本文分析結(jié)果與Peck預(yù)測曲線和Heish預(yù)測曲線差別較大，因此Peck預(yù)測曲線和Heish預(yù)測曲線對于泥質(zhì)粉砂巖地層基坑地表沉降適應(yīng)性較差。

3 圍護結(jié)構(gòu)水平位移分析

在基坑開挖過程中，隨著土方開挖，基坑圍護結(jié)構(gòu)在巖土水平壓力作用下會向著基坑一側(cè)變形移動。同等圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計條件下，圍護結(jié)構(gòu)水平位移大小取決于圍護結(jié)構(gòu)背后巖土壓力，壓力越大，圍護結(jié)構(gòu)水平位移值越大。不同地質(zhì)條件下，巖土體性質(zhì)不同，巖土壓力特征也不盡相同，因此，圍護結(jié)構(gòu)水平位移值將表現(xiàn)出不同變形規(guī)律。本文針對泥質(zhì)粉砂巖地層基坑，分析其圍護結(jié)構(gòu)水平位移與地表沉降的關(guān)系，同時研究圍護結(jié)構(gòu)水平位移最大位置與基坑開挖深度之間的關(guān)系(見圖3～圖5)。

通過對研究數(shù)據(jù)進行對比分析，建立地表沉降最大值(δvm)和圍護樁水平最大位移值(δhm)之間的關(guān)系，結(jié)果顯示，地表最大沉降值為圍護樁最大變形值的0.27倍～0.96倍，平均值為0.61倍，地表最大沉降值均小于圍護樁最大水平位移值。

通過對不同深度基坑圍護樁最大變形深度分析，圍護樁最大變形深度發(fā)生位置在基坑深度(H)的0.36倍～0.84倍基坑開挖深度，平均值發(fā)生在0.5倍基坑開挖深度。因此，對于泥質(zhì)粉砂巖地層，圍護結(jié)構(gòu)水平方向位移最大值平均發(fā)生位置在0.5倍基坑開挖深度，這一規(guī)律與軟土地區(qū)差別較大。在類似工程施工中，需要注意0.5倍 基坑開挖深度的支護結(jié)構(gòu)效果，同時，根據(jù)這一結(jié)果可以優(yōu)化基坑鋼支撐布置位置，保證基坑圍護結(jié)構(gòu)經(jīng)濟、合理、安全及穩(wěn)定。

圍護樁最大水平位移變化范圍為0.02%H～0.16%H，平均值為0.08%H。根據(jù)城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范要求，堅硬～中硬地區(qū)基坑樁(墻)體向基坑外的水平位移控制值為0.20%H，顯然，這一控制值超過大部分變形值，泥質(zhì)粉砂巖地層圍護結(jié)構(gòu)水平位移值小于規(guī)范控制值。

4 圍護結(jié)構(gòu)水平位移預(yù)測

通過上文研究，圍護樁最大水平位移與地表最大沉降值之間的關(guān)系為δvm=(0.27～0.96)δhm。對于有第一道混凝土支撐的圍護結(jié)構(gòu)而言，水平方向變形特征是圍護結(jié)構(gòu)頂部和底部變形較小，圍護結(jié)構(gòu)中部變形較大，該變形特征符合二次函數(shù)拋物線變形特征。通過前述統(tǒng)計分析得知，圍護結(jié)構(gòu)變形最大位置出現(xiàn)在0.5倍基坑開挖深度位置。因此，根據(jù)以上數(shù)據(jù)參數(shù)，根據(jù)地表最大沉降值與圍護結(jié)構(gòu)水平位移最大值關(guān)系建立如下預(yù)測模型：

由于圍護結(jié)構(gòu)頂部變形較小，圍護結(jié)構(gòu)底部變形近似為零，因此以上方程組邊界條件設(shè)置如下：

y|x=-0.5≈0；y|x=0.75≈0。

通過對上述方程組進行求解，可得到預(yù)測方程模型。

5 結(jié)語

通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)總結(jié)分析，包括地表沉降、圍護結(jié)構(gòu)水平位移，得出泥質(zhì)粉砂巖地層基坑變形特征，同時提出圍護結(jié)構(gòu)水平位移預(yù)測模型。

1)泥質(zhì)粉砂巖地層基坑圍護結(jié)構(gòu)背后地表沉降與Peck曲線及Heish預(yù)測曲線差異較大，地表沉降最大值出現(xiàn)在0.1倍～0.5倍基坑范圍，0.5倍～1倍基坑范圍地表沉降值較小，影響區(qū)域主要集中在1倍基坑深度范圍內(nèi)。

2)圍護結(jié)構(gòu)背后地表沉降最大值為圍護結(jié)構(gòu)水平位移最大值的0.27倍～0.96倍，平均倍數(shù)為0.61倍，地表沉降最大值均小于圍護結(jié)構(gòu)水平位移最大值。

3)圍護結(jié)構(gòu)水平位移最大值發(fā)生在0.36倍～0.84倍基坑深度位置，平均值為0.5倍基坑深度位置，這與軟土地區(qū)基坑變形特征差異較大。

4)通過地表沉降最大值與圍護結(jié)構(gòu)水平位移最大值之間的關(guān)系，建立圍護結(jié)構(gòu)水平位移預(yù)測模型，對于類似工程地質(zhì)條件下基坑變形設(shè)計及預(yù)測具有一定參考價值。