風化凝灰巖土釘支護基坑工程的數值分析和模擬

嚴耿明 黃建華,2

(1．福建工程學院土木工程學院 福建福州 350108；2．地下工程福建省高校重點實驗室 福建福州 350108)

0 引言

土釘支護是一種運用于基坑開挖支護、隧道和邊坡加固的擋土技術，土釘支護具有占地面積小、施工效率高、成本低廉、施工過程簡易等特點。所謂土釘支護，就是用土釘作為應力構件加固原位巖土體，同時與被土釘錨固的巖土體、噴射混凝土面組成支護結構，抵抗基坑側壁的土壓力以及位移。

目前針對土釘支護結構的研究主要集中在支護結構變形研究[1-3]，土釘支護結構的壓力分布模式，以及土釘支護結構的優化模擬分析[4-5]等方面。沿海地區風化凝灰巖地質條件下的土釘支護結構的力學表現和變形性質，對工程施工安全有著重要的指導作用，對于支護工程的建設有非常重要的理論意義和工程應用價值。

本文結合工程實例以及數值模擬，對土體受力、位移、變形進行分析，得到其在穩定、變形等方面的一些基本規律，進而提出土釘支護技術在風化凝灰巖地質條件下基坑設計建議，為優化支護設計提供參考。

1 工程概況及地質條件

擬建建筑物施工場地屬山前準平原地貌單元。項目總規劃用地面積約6.1萬m2，擬建項目由9棟高層住宅樓和裙樓及地下室組成。其中，5棟住宅樓為18層，4棟住宅樓為33層，裙樓均為1層，地下室為2層。場地東側與村莊接壤，西側北側與住宅樓相接。場地經大致整平地勢較平坦，標高為4.20m～15.70m。

1.1 場地巖層特征

擬建工程巖土層典型剖面圖見圖1，土層分布特征如下。

圖1 巖土層典型剖面圖

① 雜填土：灰-灰黃色，稍濕-飽和，松散狀態，主要由粘性土、碎石及建筑垃圾等組成，厚度0.50m～5.30m。

② 淤泥：深灰色，流塑-飽和，主要由粘、粉粒組成，含少量腐植質和細砂，厚度1.20m～6.30m，平均厚度3.23m。

③ 凝灰巖殘積粘性土：褐黃-灰黃色，濕，可塑-硬塑狀態，殘余原巖結構，主要以粘性土為主，厚度1.30m～17.30m。

④ 全風化凝灰巖：褐黃-灰黃色，凝灰結構，散體狀構造，巖體極破碎，為極軟巖，質量等級為Ⅴ級，層厚1.90m～4.80m。

⑤ 砂土狀強風化凝灰巖：褐黃-灰黃色，凝灰結構，散體狀構造，巖體極破碎，為極軟巖，質量等級為Ⅴ級，層厚4.50m～30.60m。

⑥ 碎塊狀強風化凝灰巖：灰黃色，凝灰結構，碎裂狀構造，孔隙發育充分，巖體破碎，為極軟巖-軟巖，質量等級為Ⅴ級，揭露厚度2.20-19.00m。

1.2 場地水文地質條件

施工場地的地下水主要受降雨的下滲補給及滲流補給，通過蒸發及側向滲流排泄。場地初見水位埋深2.21m～4.27m，混合穩定水位埋深為2.09m～4.13m。③凝灰巖殘積粘性土中的網狀分布的孔隙裂隙水，為潛水，透水性較差，富水性較差。④全風化凝灰巖的基巖孔隙裂隙水具弱承壓性，滲透性主要受孔隙的性質及豐度控制，張性裂隙豐度較差，其水量一般。因此，應在基坑內布置井點降水體系確保土釘支護施工順利。

2 支護方案選擇

二層地下室基坑工程開挖土層以①雜填土、②淤泥、③凝灰巖殘積粘性土、④全風化凝灰巖為主，開挖深度不大(介于1.80m～6.10m)，由于存在①雜填土、②淤泥軟弱土層，基坑在放坡開挖過程，基坑側壁土體在自重、土壓力及地下水滲流作用下可能發生坍塌、滑坡等破壞，須采取防護措施。

由于工程工期緊，在保證基坑安全前提下采取快速有效的基坑支護可加快施工進度。其次，基坑工程面積大，支護范圍廣，需要采用最經濟的支護手段，在適應地質要求同時盡可能減少成本，降低工程造價。同時施工現場施工設備多，占用大部分場地，留給支護結構的空間較少。結合工程場地的地質條件及周邊情況，基坑開挖支護方式采用土釘支護結構形式。土釘支護結構剖面圖如圖2所示。

圖2 土釘支護剖面圖

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

在方便計算的前提下，對土釘支護結構進行有限元模擬時有如下4種假定：(1)設定模型為二維平面，支護問題是平面應變問題；(2)基坑巖土體為各向同性且顆粒均勻的彈塑性體；(3)土釘結構為理想彈性體；(4)不考慮車載影響[6-8]。

本文對基坑支護模型分析采用二維分離式模型，把土體、土釘結構和噴射混凝土面視作3種獨立的單元結構，并考慮單元間相互作用。土釘支護結構模型長度取25m，高度取11.5m，模擬的基坑開挖深度為10.6m。模型使用15節點的三角形單元進行網格劃分，模型兩側設置水平約束，模型底部設置水平和垂直兩方向約束。模型中，混凝土面用板單元來模擬，板單元表面的界面單元用來模擬巖土體、土釘以及噴射混凝土面的相互作用；土釘僅考慮其抗拔能力，且與土體緊密貼合，不考慮被拔出土體，用錨錠桿單元來模擬[9-11]。土體中，淺黃色為粘性土層，淡綠色為強風化凝灰巖土層，具體土層物理力學參數見表1。土釘支護模型見圖3(a)，根據工程設計施工參數，建立網格劃分圖3(b)，初始應力分布圖4(a)，初始水壓力分布圖4(b)。

(a)

(b)圖4 初始應力和水壓力分布圖

表1 各土層物理力學參數表

3.2 施工步驟模擬

為了模擬實際施工過程，減少有限元模擬與實際的偏差，將有限元模擬分為7個步驟，具體程序如下：(1)通過重力加載形成土層的初始應力狀態，激活巖土體單元及邊界條件，僅計算土體的初始應力場。(2)開挖第一層巖土體，建立第一層土釘并配置噴射混凝土面。(3)開挖第二層巖土體，建立第二層土釘并配置噴射混凝土面。(4)開挖第三層巖土體，建立第三層土釘并配置噴射混凝土面。(5)將基坑水位降低至開挖面以下，開挖第四層巖土體，建立第四層土釘并配置噴射混凝土面。(6)將基坑水位降低至開挖面以下，開挖第五層巖土體，建立第五層土釘并配置噴射混凝土面。(7)將基坑水位降低至開挖面以下，開挖第六層巖土體，配置噴射混凝土面[12]。

3.3 基坑變形分析

圖5為基坑開挖過程中基坑變形的模擬圖。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)圖5 基坑開挖變形圖

隨著基坑開挖的進行，基坑側壁受周圍巖土體產生的側向土壓力的影響會向基坑開挖側發生水平位移，如圖5所示，基坑側壁側向位移由基坑開挖坡面呈現曲線狀分布，隨著開挖深度的不斷增加，基坑側壁側向位移也隨之逐漸增加，且有變形加快的趨勢。前兩步工序水平位移量較少，在第三步、第四步工序開挖支護時，基坑側壁發生了相對較大的變形，第五步與第六步工序造成的位移又有所減少。開挖支護穩定后，基坑坑壁最大位移在基坑的中下部，距離坡頂7m位置，最大位移為7.22cm，基坑側壁側向位移隨開挖深度呈現出類似于括號的曲線。具體各工序坑壁水平位移如圖6所示。

實測的最大位移為7.35cm，略大于模擬的結果，其原因是數值模擬是一個理想化的過程，忽略了在實際開挖時巖土體可能因為開挖而產生強度降低現象。

圖6 各工序水平位移統計

由于基坑的開挖，基坑底部出現隆起現象，這有兩個原因：一是原位土體被開挖后卸載荷載產生的回彈，二是因為基坑四周的巖土體產生的側向壓力對基坑底部具有擠壓的效果。隨著基坑開挖的進行，在開挖卸荷和擠壓作用的影響下，基坑底部隆起量不斷增大，呈現出在粘性土層隆起較少，在風化凝灰巖層隆起較大且較為均勻。基坑底部隆起量的最大值部位向基坑底部中心位置靠近，開挖施工結束后，基坑底部隆起量最大值出現在基坑中心位置，最小值在坑壁坡腳處，最大隆起量為8.41cm?；又行奈恢脦r土體的隆起量比基坑側壁位置巖土體的隆起量更大，且隨著開挖的進行，兩個位置隆起量差值逐漸增大。基坑底部隆起量數據如圖7所示。

實測的隆起量最大值為8.19cm，略小于模擬的結果，其原因是數值模擬受限于模型的邊界，不能完美地模擬出基坑底部隆起的整體過程，但其變形趨勢與實際基本相同。

圖7 各工序基坑坑底隆起量統計

基坑周圍地表由于基坑的開挖會產生沉降，并隨著開挖量增加，沉降量不斷增加，但切增速較為均勻?；铀闹艿孛娴某两盗垦剡h離坑壁的方向呈現出下凹曲線狀分布，在距離基坑一定距離后，地表沉降量將歸零。基坑開挖完成后，沉降量最大值出現在離基坑側壁1.5m位置，沉降量最大值為2.74cm。開挖的前4個步驟，基坑側壁附近沉降量為正值，其原因是基坑開挖卸荷造成的回彈變形。各工序具體沉降量如圖8所示。

實測的沉降量最大值為2.81cm，略大于模擬的結果，基坑周圍土體的沉降量與基坑側壁的位移相關，基坑側壁水平位移的實際值大于理論值，導致土體沉降量的實際值大于理論值。

圖8 基坑周圍土體沉降量

3.4 基坑內應力分析

圖9為基坑開挖過程剪應力分布。

其中，圖9(g)為剪應力分布圖的色度表，單位為(kN/m2)。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)圖9 基坑開挖剪應力分布

由于側向土壓力，開挖基坑會造成基坑坑壁底部剪應力集中，第一步、第二步開挖時產生的剪應力較小，后4步開挖產生剪應力較大?；娱_挖分兩層，在第三步開挖之后，上層坡腳處剪應力基本不變，保持在18kN/m2左右?；娱_挖完成后，剪應力最大值出現在坡腳處，最大值為37kN/m2，小于抗剪強度，并未出現剪切破壞現象，基坑整體處于較為穩定狀態。

3.5 基坑內滲流場分析

圖10為基坑開挖過程滲流場的分布。

(a)

(b)

(c)

(d)圖10 基坑開挖滲流場

其中，d圖為滲流場色度表，單位為m/d。

工程擬建場地地下水位為6.0m，第四步到第六步工序開挖原地下水位以下巖土體，基坑內需布設井點降水裝置降低地下水位至開挖深度以下再進行開挖支護。降水后的基坑內的地下水位與場地外的地下水位之間的水頭差形成滲流場。圖10是有限元模擬的第四步到第六步基坑內的滲流場。在坑壁坡腳處，滲流速度較快，基坑開挖完成后最大滲流速度為19.08m/d。工程實際中，巖土體在自重壓力下仍保持完整和穩定，未有流沙流土等破壞現象。

4 基坑穩定性驗算

4.1 土釘抗拔承載力驗算

為了控制單根土釘拔出后造成的土釘墻支護局部段失穩，需要單獨算出每根土釘在側向土壓力作用下產生的軸向應力和每根土釘的抗拔承載力，同時計算得出的兩種參數必須符合下式的公式規定:

式中Kt為土釘抗拔安全系數，安全等級為二級的土釘墻，Kt應不小于1.6，Nk,j為第j層土釘的軸向拉力標準值(kN)，Rk,j第j層土釘極限抗拔承載力標準值(kN)。經計算，Kt最小值為6.169，滿足上述公式要求。

4.2 整體穩定性驗算

土釘支護結構的整體穩定性驗算應該參照施工期間各工序可能產生的滑動面，采用圓弧滑動簡單條分法進行計算，計算公式如下：

min{Ks1,Ks2…Ks3, …}≥Ks

代入參數Ksmin值為4.35大于1.3，滿足上述公式要求。

5 結論

本文運用理論分析結合數值模擬的方法，對風化凝灰巖地質基坑土釘支護安全穩定性的問題進行研究。二維分離式模型模擬了基坑在開挖全過程中變形以及受力。研究結果表明：

(1)PLAXIS有限元軟件能很好地模擬整個基坑開挖并進行土釘支護過程，采用摩爾庫倫模型計算的坑壁位移、基坑底部隆起以及基坑四周地面沉降的數據可靠，與實測監測數據先吻合，對變形的分析與工程實際變形基本相似。

(2)由各工序水平位移統計可以看出，土釘支護下基坑坑壁水平位移呈先增大后緩慢減小，最大位移出現在基坑中下部距離坡頂7m處，最大位移為7.22cm。由各工序坑底隆起統計可以看出，基坑坑底隆起量在基坑中心最大，眼兩側逐漸減小，隆起量最大值為8.41cm。由基坑周圍土體沉降統計可以看出，基坑周圍地表沉降深度隨離基坑的距離增加而減少，沉降量最大值為2.74cm?；幼冃卧谠试S值之內，整體結構較為穩定，滿足工程需求。

(3)由基坑各工序開挖剪應力分布可以看出，基坑坑壁底部形成剪應力集中區，在坡腳出現最大值，剪應力沿遠離坡腳方向逐漸減少，最大值為37kN/m2。小于土體抗剪強度，并未產生剪切破壞。

(4)由基坑各工序開挖滲流場分布可以看出，在開挖低于原地下水位的巖土體時，基坑內部產生滲流場，在坡腳處滲流速度最大，最大滲流速度為19.08m/d，擬建場地巖土體性質較好，并未產生滲流破壞。