風化砂巖地區超高層建筑基坑開挖的力學特征

余莉，蔣宗鑫，閆名卉,趙拓

(1.河北省建筑科學研究院有限公司，河北 石家莊 050000；2.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043；3.河北大學 建筑工程學院，河北 保定 071002;4.甘肅中建市政工程勘察設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

隨著科技的不斷發展，地下工程的開發和利用日益增加，其中基坑開挖逐漸朝著深大方向發展.基坑施工可能引起周邊土體的變形，而采用室內實驗可重復性差、成本較高，較難深入細化地分析基坑開挖過程的力學特征，而采用數值模擬可分析其復雜的力學性質.胡海英等[1]利用三維有限元程序 Midas/GTS分析了基坑開挖對地鐵隧道的影響，認為基坑開挖期間對于隧道不一定是卸荷影響，有時也會增加隧道圍壓，這與基坑開挖深度、隧道與基坑的位置有關，也與基坑支護結構施工方法有關，應結合具體力學傳遞路徑來確定卸荷或加荷影響.劉繼國等[2]利用FLAC3D軟件對武漢長江過江隧道江南明挖段深基坑進行了開挖與支護模擬，通過計算得出不同開挖階段的地表沉降、基底隆起和墻后土體水平位移.崔宏環等[3]利用ABAQUS(有限元數值模擬軟件)模擬某高層建筑深基坑開挖全過程，分析了基坑變形和穩定的影響因素，提出了控制支護結構變形、保持基坑穩定的方法措施.秦會來等[4]驗證了ABAQUS數值模擬在分析計算基坑開挖變形問題的可行性.莫時雄等[5]采用同濟曙光三維有限元分析軟件，計算基坑變形并與實測值對比，得出深基坑在開挖過程中土層內摩擦角與地面沉降呈線性變化趨勢，并給出擬合回歸關系式.賈堤等[6]研究出了利用勘察報告數據獲得數值分析中土體彈性模量的3種方法：1)直接估算，從壓縮模量換算割線彈性模量；2)通過不排水抗剪強度、塑性指數和超固結比估算彈性模量；3)使用靜力觸探的錐尖阻力換算彈性模量.張培文等[7]根據土的彈性模量和泊松比滿足雙曲線關系，給出彈性模量和泊松比折減的基本原理.算例分析表明，調節泊松比對安全系數的求解是有影響的，但對彈性模量的影響一般較小.

綜上所述，本文以甘肅省風化砂巖地區的某超高層建筑的基坑開挖為背景，采用實驗和有限元數值模擬結合的手段分析該地區強風化砂巖和中風化砂巖的強度特征，進而建立了基坑開挖的三維數值模擬模型，得出該地區巖體基坑開挖的受力和變形特征，為工程施工設計提供參考依據.

1 工程概況

該項目位于蘭州市城關區，項目用地面積14 511.1 m2，是集大型商業、甲級辦公、豪華公寓、安置住宅、配套幼兒園等多種功能于一體的大型城市綜合體的綜合類建筑項目，建成后將成為蘭州市新的城市地標.

1.1 場地的地層條件

根據工程地質調查及現場鉆探揭露，場地地層較為簡單，自上而下分別為①雜填土、②粉土、③卵石、④1強風化砂巖、⑤2中風化砂巖.巖土層材料參數如表1,其中γ為重度，C為黏聚力，φ為內摩擦角，E為彈性模量，v為泊松比.

表1 巖土層參數Tab.1 Rock soil layer parameter table

1.2 工程概況及力學參數

風化砂巖層深達64 m，因此該模型選取60 m×60 m×70 m的正方體土體，基坑開挖深度為10 m，基坑支護結構為地下連續墻，墻高20 m，具體開挖情況如圖1所示.地連墻參數見表2.

圖1 土層分布和具體開挖情況Fig.1 Soil layer distribution and specific excavation

表2 地連墻彈性體參數Tab.2 Ground wall parameter table

根據該地區巖土層的勘察結果，利用其參數進行基坑開挖數值模擬，分析其開挖過程中的力學變化特征.

2 三軸壓縮實驗

實驗采用2個測試鉆孔的13組砂巖樣品，天然狀態下進行不固結不排水三軸實驗，砂巖的抗壓強度隨圍壓增大而增大.實驗統計結果見表3.表3中σ1為第1主應力，σ3為第3主應力，γ為重度，ω為含水量，c為黏聚力，φ為內摩擦角.

表3 風化砂巖三軸壓縮實驗成果Tab.3 Statistical table of triaxial compression test results of weathered sandstone

續表3Continue tab.3

天然狀態下的強風化砂巖在低圍壓0.1 MPa時，強度最大值為809.06 kPa;當圍壓為0.4 MPa時，強度最大值為3 364.78 kPa.天然狀態下的中風化砂巖在低圍壓為0.1 MPa時，強度最大值為1 612.66 kPa;當圍壓0.4 MPa時，強度最大值為2 862.74 kPa；隨圍壓增加破壞強度增加，隨深度增加破壞強度具有增大趨勢.

3 基坑開挖數值模擬實現過程

3.1 建模的過程

按照圖1尺寸在有限元軟件中做出了三維立體模型,如圖2和圖3所示.采用摩爾庫倫破壞準則，模擬參數見表1所示，地連墻參數如表2所示.

圖3 基坑開挖后模型Fig.3 Model foundation pit after excavation

圖2 基坑開挖前模型Fig.2 Model foundation pit before excavation

本次基坑開挖模擬中基坑深度為10 m，寬度為20 m，分3層開挖，第1層開挖3 m，第2層5 m，第3層2 m.地連墻的寬為1 m，高為20 m.

3.2 基坑開挖模擬結果

3.2.1 開挖過程中土體應力及變形

基坑開挖過程中，土體由于卸荷會產生一定的應力和應變.根據模擬計算結果，當基坑開挖至10 m時，且未設置地連墻支護，其基坑側壁的最大應力為1.42×103kPa，最大的水平位移為18.75 mm，最大沉降量為14.74 mm.當采用地連墻支護后，其基坑側壁的最大應力為0.25×103kPa，最大的水平位移為8.25 mm，最大沉降量為8.59 mm，均滿足基坑變形的允許值.基坑開挖至10 m時，總應力云圖和位移變形云圖如圖4a、4b，水平位移變形云圖如圖4c，豎直位移變形云圖如圖4d.

a.整體應力云圖;b.整體位移云圖;c.水平位移云圖;d.豎直位移云圖.

3.2.2 開挖過程中地連墻的變形

基坑開挖中設置了地連墻.地連墻的應力和變形云圖見圖5所示，當開挖到10 m時，計算結果表明墻體的墻后2側同時受相同大小的拉力，應力的分布曲線重合，但A側墻體和B側墻體受力是不同的，B側墻體受力大于A側墻體，如圖5a、5b.墻體的位移相差較小，A側墻體的最大位移為16.6 mm,B側墻體最大位移為20 mm，墻體的應力和位移分布見圖6a、6b所示.

圖5 地連墻的應力云圖(a)和位移云圖(b)Fig.5 Stress cloud diagram and displacement cloud diagram of the ground wall

圖6 墻體應力分布圖(a)與變形分布圖(b)Fig.6 Wall stress distribution(a)and deformation curve(b)

根據《JGJ311—2013建筑深基坑工程施工安全技術規范》中12.1.6的規定，基坑側壁與地面變形控制應按設計要求進行，當無具體要求時，宜根據基坑安全等級對變形限制進行控制：安全等級為1級的基坑，基坑側壁水平位移的最大變形限值為30 mm或3‰H(H為基坑開挖深度)；基坑側壁最大沉降為1‰H.通過計算，位移變形都符合規范要求.

4 風化砂巖基坑開挖的對比

該地區的風化砂巖分為強風化砂巖和中風化砂巖，根據當地砂巖的性質分別進行二維基坑開挖數值模擬，選用摩爾庫倫模型，對比分析其結果.模型參數如表4所示.假設開挖深度、寬度分別為10.0 m和20.0 m的基坑.由于軸對稱模型，因此模擬開挖寬度取B/2(B為完整基坑的寬度)為10.0 m.選取分析土體區域寬度和高度均為100 m.模擬結果如圖7所示.

表4 摩爾庫倫模型參數Tab.4 Moor Coulomb model parameters

a、c.為強風化砂巖；b、d.為中風化砂巖.

計算結果表明：強風化砂巖地區的最大水平應力為3 784 kPa，最大豎向應力為4 918 kPa;中風化砂巖地區的最大水平應力為3 790 kPa,最大豎向應力為3 605 kPa,2種風化砂巖進行基坑開挖時水平應力相差不大，中風化砂巖的豎向應力比較小，有利于基坑開挖.強風化砂巖地區的最大水平位移為22.12 cm，最大沉降為25.01 cm；中風化砂巖地區的最大水平位移為11.25 cm，最大沉降為13.95 cm，結果表明中風化砂巖的變形較小.因此，根據甘肅省蘭州市的2種風化砂巖的基坑開挖受力和位移特征相比較，中風化砂巖更適合基坑開挖，建議對強風化砂巖采取相應的處理措施.

5 結論

1)對蘭州市風化砂巖地區超高層建筑天然地基進行基坑開挖時，采用分層開挖加地連墻的方式是可行的.根據三軸實驗可知，蘭州市風化砂巖，隨圍壓增加抗壓強度增加，隨深度增加抗壓強度增大.

2)對未采用和采用地連墻支護的基坑開挖進行了對比分析，計算結果表明：當基坑開挖至10 m時，未設置地連墻支護，其基坑側壁的最大應力為1.42×103kPa，最大的水平位移為18.75 mm，最大沉降量為14.74 mm.當采用地連墻支護后，其基坑側壁的最大應力為0.25×103kPa，最大的水平位移為8.25 mm，最大沉降量為8.59 mm，均滿足基坑變形的允許值.

3)甘肅的風化砂巖地區中，中風化砂巖在基坑開挖中較強風化砂巖穩定.

4)上述結論都是基于數值模擬結論，假設了土體的均質性和各向同性特征，為實際工程提供一定的理論指導意義，但其準確性需要實際開挖進行進一步驗證，進一步優化計算.