懸臂式排樁支護(hù)基坑穩(wěn)定性的顆粒流模擬研究

方 家 升

(合肥工大建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230009)

1 概述

隨著城市和社會(huì)的快速發(fā)展，高層和超高層建筑涌現(xiàn)，出現(xiàn)了大量的基坑工程。目前在基坑開挖中面臨的較大問題是深大基坑常位于城市中心地帶，由于用地緊缺和地下管線復(fù)雜，給基坑開挖帶來極大困難。近年來，因基坑開挖引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞和地面、地層活動(dòng)造成的地下管線斷裂等事故頻發(fā)，對(duì)周圍環(huán)境造成巨大影響[1,2]。迄今為止，基坑邊坡的分析方法主要有三類：極限平衡法、極限分析法和數(shù)值分析法。對(duì)于很多實(shí)際的巖土工程問題，由于巖土顆粒形狀的任意性以及成分的非均質(zhì)性，導(dǎo)致通過理論分析獲得解析解不切實(shí)際。隨著數(shù)值分析手段的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)性能的提高，近年來利用數(shù)值計(jì)算方法研究分析基坑土體穩(wěn)定性得到了廣泛的發(fā)展。其中顆粒流法作為一種離散單元法，能夠較理想的模擬基坑變形破壞力學(xué)行為，為巖土工程中的諸多問題提供一種從細(xì)觀角度分析的新途徑。因此，本文基于PFC2D軟件，對(duì)一懸臂式排樁支護(hù)基坑進(jìn)行不同嵌固深度、不同地面超載的穩(wěn)定性分析，驗(yàn)證顆粒流模擬可為基坑失穩(wěn)判定提供一種新的分析方法。

2 工程概況

本基坑工程[3]位于廣州地鐵一號(hào)線黃沙試驗(yàn)段，全場(chǎng)237 m。其中南段ADK1+344.38～ADK1+363.94段，基坑開挖深度在6 m～9 m，采用1.0 m×15 m～17 m長(zhǎng)懸臂式C25鋼筋混凝土灌注樁支護(hù)。此區(qū)域段內(nèi)地層土質(zhì)情況為從地面起，有雜填土、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂、中砂、可塑亞粘土、硬塑亞粘土到強(qiáng)風(fēng)化砂巖，淤泥質(zhì)土由于隧道上方土方開挖已清除。基坑設(shè)計(jì)土層的物理性能指標(biāo)見表1。

3 顆粒流模型建立

參照工程實(shí)例，根據(jù)基坑開挖深度3倍～4倍的影響范圍確定模型中水平向和豎向的土體尺寸。模型尺寸50 m×30 m(寬度×深度)，開挖區(qū)寬度15 m。砂土顆粒最大粒徑和最小粒徑分別為0.090 m和0.099 m，顆粒數(shù)共42 737個(gè)，半徑服從高斯分布。由于上述基坑工程實(shí)例中涉及到的三層砂土層物理力學(xué)性能指標(biāo)比較接近，所以在PFC模型中只假設(shè)為均質(zhì)砂土層，砂土顆粒法向剛度kn=3.75×107N/m，切向剛度ks=1.5×107N/m，摩擦系數(shù)為0.7，顆粒生成后通過擠壓排斥法循環(huán)得到所需的粒徑，孔隙率取0.2。灌注樁半徑0.5 m，密度2 500 kg/m3。該顆粒流模型建立步驟如下：1)在初始場(chǎng)地土體外圍的左、右、下三面建立3片墻體作為土體邊界；2)定義顆粒粒徑和孔隙率，施加密度和重力加速度模擬場(chǎng)地土在天然狀態(tài)下的沉降過程；3)天然土體沉降完成后，進(jìn)行鋼筋混凝土灌注樁打樁過程的模擬。即首先將對(duì)應(yīng)樁位置處的土顆粒刪除，再植入樁體顆粒。形成樁顆粒后，先固定樁顆粒的x向和y向自由度進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，使打樁位置邊緣的土顆粒與樁顆粒緊密接觸，再將樁的x向和y向自由度釋放，繼續(xù)循環(huán)至平衡狀態(tài)；4)打樁土體平衡后，進(jìn)行基坑開挖，將開挖區(qū)域土顆粒刪除。基坑開挖顆粒流模型詳見圖1。

表1 基坑設(shè)計(jì)土層參數(shù)表

4 結(jié)果分析

4.1 不同嵌固深度下位移場(chǎng)分析

懸臂式基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度對(duì)基坑穩(wěn)定性有很大影響。為了研究在地面超載一定情況下不同嵌固深度對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響，分別在前述基坑模型中設(shè)定樁在開挖面下嵌固深度為6 m,10 m，地面超載為40 kPa進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，至最大不平衡力與平均不平衡力均小于1×10-4N時(shí)計(jì)算中止，得到2組基坑開挖的位移場(chǎng)，如圖2所示。由圖2可以看出，在相同地面超載情況下，坑外地表發(fā)生不同程度沉降，圍護(hù)樁向坑內(nèi)傾覆，坑內(nèi)土體呈現(xiàn)向上隆起趨勢(shì)。嵌固深度為6 m的基坑在圍護(hù)樁附近三角形區(qū)域內(nèi)位移場(chǎng)明顯大于其余區(qū)域，并且可以看到一條從地表到支護(hù)樁底的直線形剪切帶。在位移變化分界處內(nèi)的土體呈整體滑動(dòng)趨勢(shì)，地表剪切帶內(nèi)的土體塌陷嚴(yán)重。嵌固深度為10 m的基坑地表同樣沉降量過大，但地表剪切帶位置距離圍護(hù)樁更遠(yuǎn)，剪切帶內(nèi)土體塌陷情況也沒有嵌固深度為6 m的嚴(yán)重。

4.2 地面超載對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響

選取圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度為10 m的基坑在地面超載分別為40 kPa，30 kPa，20 kPa，10 kPa進(jìn)行研究，通過監(jiān)測(cè)地表顆粒的沉降量找到地表沉降突變點(diǎn)，判斷基坑整體穩(wěn)定性破壞時(shí)剪切帶的位置。同時(shí)，對(duì)樁顆粒水平位移進(jìn)行分析，研究樁發(fā)生傾覆量與水平滑動(dòng)破壞機(jī)制。

由圖3可知，在整體滑動(dòng)的土體范圍內(nèi)，顆粒沉降值有一定離散性，這是由于顆粒流理論是基于非連續(xù)顆粒介質(zhì)特性建立的，顆粒流模型中單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)在一定程度上會(huì)受到相鄰接觸顆粒的約束和限制，造成不同位置處顆粒的位移表現(xiàn)出一定的非連續(xù)性。地表無超載時(shí)，坑外土體沉降呈“三角形”狀，且沉降曲線較平滑連續(xù)。隨著地面超載的增加，地表沉降量開始變大，由于加載顆粒是從距離圍護(hù)樁3 m處開始布置，可以看出存在超載時(shí)，地表沉降離圍護(hù)樁3 m以外的值要大于3 m以內(nèi)的值，并且地表沉降量隨著超載量的增大而增加。超載在30 kPa與40 kPa時(shí)，地表沉降在距離圍護(hù)樁6.5 m～7 m處產(chǎn)生突變點(diǎn)，突變點(diǎn)兩側(cè)沉降差約為開挖深度的1.3%，此處即為整體失穩(wěn)破壞的剪切帶在地表的破壞點(diǎn)。

由圖4可知，無超載時(shí)，各個(gè)標(biāo)高位置水平位移量與深度近似線性關(guān)系。各組超載情況下樁均明顯發(fā)生向坑內(nèi)的水平移動(dòng)，樁水平位移與深度呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。樁變形在開挖面以下2 m處發(fā)生轉(zhuǎn)折。超載越大，平動(dòng)量越明顯。超載10 kPa和20 kPa時(shí)，地表沉降雖未出現(xiàn)整體失穩(wěn)破壞的突變點(diǎn)，但樁頂側(cè)移量分別為102.2 mm和126.6 mm，向坑內(nèi)傾覆量較大。超載30 kPa和40 kPa時(shí)，樁頂側(cè)移量分別為202.9 mm和252.0 mm，向坑內(nèi)傾覆嚴(yán)重，基坑發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。樁向坑內(nèi)位移過大使得開挖面以上樁附近土體也向坑內(nèi)移動(dòng)并發(fā)生沉降，可以解釋了地表沉降曲線中坑外土體沉降圖呈“三角形”狀的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文基于廣州地鐵一號(hào)線某段實(shí)際懸臂式排樁支護(hù)砂土基坑工程，建立相應(yīng)的PFC2D數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)行不同嵌固深度下位移場(chǎng)分析以及地面超載對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響研究，得出以下結(jié)論：1)通過在地表設(shè)置加載顆粒，改變樁的嵌固深度，研究地表超載情況對(duì)基坑破壞時(shí)的位移場(chǎng)影響，發(fā)現(xiàn)隨著樁嵌固深度的減小，圍護(hù)樁向坑內(nèi)位移和坑底隆起變形逐漸增大，坑外土體在圍護(hù)樁附近三角形區(qū)域內(nèi)發(fā)生整體穩(wěn)定性破壞。嵌固深度越短，三角形區(qū)域越小并且越明顯，區(qū)域內(nèi)土體沉降量越大，說明足夠的嵌固深度是保持基坑穩(wěn)定性的重要條件。2)隨著地面超載的增加，懸臂式圍護(hù)樁水平位移以及坑底隆起逐漸增大，當(dāng)?shù)孛娉d超過一定量時(shí)，基坑發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。