逆斷層傾角對(duì)出線井深基坑變形特性的影響及控制分析

摘要：通過大量實(shí)際基坑工程研究可知，逆斷層等薄弱地層與基坑開挖方向呈現(xiàn)的夾角對(duì)基坑的變形影響較大.運(yùn)用Midas GTS NX巖土軟件與工程實(shí)際監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，分析逆斷層破碎帶與基坑開挖方向夾角呈0°、30°、45°、60°時(shí)的基坑變形情況，總結(jié)不同夾角下基坑地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的變化特性.通過數(shù)值分析，研究超前預(yù)注漿加固措施對(duì)逆斷層破碎帶區(qū)域變形控制的效果.

關(guān)鍵詞：基坑變形；數(shù)值模擬；逆斷層破碎帶夾角；變形控制

中圖分類號(hào)：TU491 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-6991（2023）01-0083-06

Abstract：Through a large number of practical foundation pit engineering studies， it can be seen that the angle between the weak strata such as reverse faults and the excavation direction of the foundation pit has a great influence on the deformation of the foundation pit. By using Midas GTS NX geotechnical software combined with actual engineering monitoring， the deformation of foundation pit when the angle between the reverse fault fracture zone and the excavation direction of foundation pit is 0 °， 30 °， 45 ° and 60 ° is analyzed， and the variation characteristics of surface settlement and horizontal displacement of retaining structure under different angles are summarized. Through numerical analysis， the effect of advanced pre-grouting reinforcement measures on the deformation control of the reverse fault fracture zone is studied.

Key words：foundation pit deformation; numerical simulation; angle of reverse fault fracture zone; deformation control

根據(jù)大量工程模擬及實(shí)驗(yàn)[1-3]可知，斷層破碎帶埋深與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性呈正比，斷層破碎帶埋深越大，地下建筑在穿越斷層破碎帶時(shí)變形越小.斷層破碎帶寬度越大，縱向荷載分布范圍越廣，穿越斷層破碎帶區(qū)域的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到的剪力和彎矩值越大.

斷層與結(jié)構(gòu)水平方向的夾角稱為斷層破碎帶傾角.斷層破碎帶的傾角通過影響地下結(jié)構(gòu)的巖層縱向荷載分布從而影響基坑的變形.斷層破碎帶傾角越大，基坑等平行管線工程周圍縱向荷載越均勻，結(jié)構(gòu)的變形和受力越對(duì)稱.

對(duì)于斷層破碎帶影響范圍內(nèi)的深基坑工程，斷層破碎帶傾角越大，基坑周圍的應(yīng)力場越不穩(wěn)定，容易引起地層滑動(dòng)側(cè)移，導(dǎo)致基坑變形過大.當(dāng)斷層破碎帶分布范圍與基坑開挖深度方向垂直時(shí)，基坑周圍的斷層破碎帶應(yīng)力場相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)基坑變形的影響也比較小.

應(yīng)用Midas GTS NX有限元軟件模擬斷層破碎帶的不同埋深與傾角，通過數(shù)值模擬分析逆斷層破碎帶的埋深和傾角對(duì)基坑變形的影響并總結(jié)規(guī)律.

Roboski[4]總結(jié)了20世紀(jì)80年代至2002年間國外學(xué)者在不同區(qū)域條件、不同支護(hù)結(jié)構(gòu)和不同幾何條件下深基坑斷層效應(yīng)的18個(gè)現(xiàn)場觀測(cè)研究和有限元分析結(jié)果.系統(tǒng)研究了基坑底距離與剛性巖層的二維空間位置位移計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的關(guān)系，即基坑坑底和剛性巖層的空間位置超過一定距離時(shí)，基坑底部中間位置土體變形的三維數(shù)值模擬比二維計(jì)算結(jié)果更加接近于現(xiàn)場測(cè)試值.

劉小麗[5]和楊劍維[6]通過對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)及有限元數(shù)值模擬對(duì)內(nèi)支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變化的分析，認(rèn)為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和土壓力具有明顯的斷層空間效應(yīng).

1 工程概況

A基坑節(jié)點(diǎn)（為方便分析，原工程中JW-24基坑記為A基坑，JW-25基坑記為B基坑）地處逆斷層破碎帶區(qū)域，B基坑為A基坑相鄰基坑節(jié)點(diǎn)，地處逆斷層破碎帶區(qū)域外.受F101（葫蘆坡-炮臺(tái)子斷裂帶）斷層破碎帶影響，A基坑項(xiàng)目場地內(nèi)局部斷層呈不同程度灰色或者褐色，其主要成分為全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖，巖層受擠壓變形現(xiàn)象明顯.A基坑與B基坑平面圖如圖1所示，A基坑地層剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示.

基坑建設(shè)場地地層主要由以下6層巖土層組成：① 雜填土（Q4me）：雜色、褐黃、褐紅色、棕紅色，多呈松散狀至密實(shí)狀，千燥或稍濕，局部摻雜礫石及建筑碎石、粗砂等雜物，土質(zhì)均勻性較好，層厚±0.00～ -5.05 m，平均層厚5.05 m左右;

② 素填土（Q4al）：灰黃色、灰褐色等，松散狀至稍密狀，摻雜有一定建筑混凝土塊、生活垃圾，層厚-5.05～ -8.07 m，平均層厚3.02 m左右;

③ 粉質(zhì)黏土（Q4el+dt）：顏色以黃色、黃褐色為主，硬塑狀，有一定可塑性，層厚-8.07～ -15.65 m，平均層厚7.58 m左右;

④ 全風(fēng)化礫巖（K1S）：褐紅色，風(fēng)化成土，局部殘留一定強(qiáng)度的巖層結(jié)構(gòu)，用手可折斷，遇水即軟化，失水易干裂，局部夾10% ～ 40%的礫石，粒徑為0.5～ 2.0 cm，粒徑最大可達(dá)4 cm，層厚-15.65～ -28.62 m，平均層厚12.97 m左右;

⑤ 全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（K1S）：暗紅色至褐紅色，一定比例巖層風(fēng)化成土，礫石含最約50%～70%，粒徑為0.5～ 2.0 cm左右，粒徑最大達(dá)4 cm，層厚-28.62～ -48.55 m，平均層厚19.93 m左右;

⑥ F-101逆斷層破碎帶：巖層呈暗青色，主要為礫砂和圓礫土.該斷層斷裂區(qū)域長約60 km，深度影響范圍為20～ 70 m.逆斷層破碎帶影響范圍內(nèi)，地層不整合接觸，巖層風(fēng)化較為嚴(yán)重.位于全風(fēng)化礫巖層上部，層厚-23.2～ -25.7 m，平均層厚2.5 m左右，在斷層破碎帶區(qū)域形成一定發(fā)育的溶蝕空洞.

A基坑地下水形式主要分為3類：20%為上層滯水、50%為巖層土體孔隙水和30%為固定承壓水.本區(qū)間的上層水位標(biāo)高為-29.44 m ～ -52.41 m，路基填土經(jīng)壓實(shí)及路面排水設(shè)施，上層滯水對(duì)工程無影響.

2 數(shù)值模擬

2.1 參數(shù)分析

頡永斌等[7]對(duì)逆斷層破碎帶區(qū)域相關(guān)參數(shù)進(jìn)行弱化處理，通過室內(nèi)相似度實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，驗(yàn)證了參數(shù)弱化處理方法的可靠性.

建模過程中通過粘聚力、內(nèi)摩擦角和壓縮模量3個(gè)參數(shù)的改變，模擬巖層的破碎狀態(tài)，通過參數(shù)弱化法對(duì)3軸實(shí)驗(yàn)割線剛度、主壓密加載實(shí)驗(yàn)的切線剛度、卸載彈性模量進(jìn)行弱化處理，模擬逆斷層破碎帶巖層物理特征.

通過地勘資料提供的壓縮實(shí)驗(yàn)、剪切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)學(xué)者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[8]，采用參數(shù)弱化法及相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行折減計(jì)算，逆斷層破碎帶建模的巖體物理屬性參數(shù)如表1所列，其他參數(shù)如表2和表3所列.

分析超前預(yù)注漿加固技術(shù)對(duì)逆斷層破碎帶的變形控制效果.該方法為未施工前對(duì)斷層破碎帶區(qū)域注漿處理，通過水泥漿填充斷層破碎帶巖層孔隙范圍內(nèi)，凝固后的水泥漿把斷層破碎帶區(qū)域的巖層粘接形成持力層，防止深基坑開挖過程中變形過大.注漿加固區(qū)域同時(shí)形成阻水層，減小地下水對(duì)A基坑變形的影響.

注漿加固材料使用純水泥漿（水灰比1∶1，采用普通硅酸鹽水泥），注漿壓力取0.8～ 1.5 MPa（考慮基坑周邊的靜水壓力）.注漿加固范圍以圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)為邊界，向外延伸10 m為注漿加固區(qū)域.靠近地鐵隧道一側(cè)在該基坑施工前已做注漿處理，本次注漿不予考慮.注漿孔直徑0.5 m，注漿孔長度32 m，注漿初始傾斜向下45°，共計(jì)82個(gè)注漿孔.注漿材料參數(shù)如表4所列，注漿鉆孔如圖3和圖4所示.

2.2 模型建立

斷層破碎帶與基坑水平方向夾角呈0°、30°、45°和60°時(shí)，深基坑各結(jié)構(gòu)位移變化較為明顯.對(duì)比A基坑斷層破碎帶與基坑水平方向夾角呈不同角度的模型數(shù)據(jù)，分析不同斷層破碎帶傾角引起的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線，總結(jié)斷層破碎帶傾角對(duì)基坑變形的影響，建立模型如圖5所示.

通過Midas GTS NX 數(shù)值分析軟件依次模擬注漿加固范圍2 m、4 m、6 m、8 m和10 m基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，注漿加固區(qū)域在模型中等效為地連墻（二維板單元），模型選擇彈性本構(gòu)關(guān)系.研究注漿加固范圍對(duì)逆斷層破碎帶區(qū)域內(nèi)深基坑變形規(guī)律的影響，優(yōu)化深基坑注漿加固方案.注漿加固范圍Midas模型如圖6所示.

3 逆斷層傾角對(duì)基坑變形特性的影響

節(jié)選圍護(hù)結(jié)構(gòu)4條邊界線中點(diǎn)分為AP1、AP2、AP3和AP4，研究斷層破碎帶傾角對(duì)A基坑變形的影響.

原狀結(jié)構(gòu)中斷層方向與圍護(hù)結(jié)構(gòu)方向呈直角狀態(tài)，此時(shí)記為“0°”，初始狀態(tài)下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線如圖7所示.

對(duì)比斷層方向與圍護(hù)結(jié)構(gòu)方向呈60°狀態(tài)，斷層結(jié)構(gòu)面與初始地層呈銳角狀態(tài)，記為“30°”第2狀態(tài)，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線如圖8所示.

對(duì)比斷層方向與圍護(hù)結(jié)構(gòu)呈45°狀態(tài)，斷層結(jié)構(gòu)面與初始地層呈正三角形狀態(tài)，記為“45°”第3狀態(tài)，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線如圖9所示.

對(duì)比斷層方向與圍護(hù)結(jié)構(gòu)呈30°狀態(tài)，斷層結(jié)構(gòu)面與初始地層呈較大銳角狀態(tài)，記為“60°”第4狀態(tài)，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線如圖10所示.

分析圖7 ～ 圖10可知，工況七圍護(hù)結(jié)構(gòu)AP1、AP2、AP3、AP4 4個(gè)剖面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化，逆斷層破碎帶傾角對(duì)基坑變形的影響如下所示：

（1）AP1、AP2、AP3、AP4 4個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)面均受逆斷層破碎帶傾角的影響.AP2所在平面受到的影響最大，AP1和AP3所在平面受到的影響基本相同，AP4所在平面受到的影響較小；

（2）斷層破碎帶與基坑水平方向夾角為0°時(shí)，工況八施工引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為4.57 mm；斷層破碎帶與基坑水平方向夾角為30°時(shí)，工況八施工引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為5.13 mm；斷層破碎帶與基坑水平方向夾角為45°時(shí)，工況八施工引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為6.52 mm；斷層破碎帶與基坑水平方向夾角為60°時(shí)，工況八施工引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為4.89 mm.

當(dāng)斷層破碎帶與基坑水平方向夾角在0°～ 45°時(shí)，斷層破碎帶對(duì)A基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響逐漸增大.當(dāng)斷層破碎帶傾角在45°～60°時(shí)影響逐漸減小.在深基坑工程施工穿越斷層破碎帶等薄弱地層區(qū)域施工時(shí)，設(shè)計(jì)方案時(shí)考需考慮斷層破碎帶傾角造成基坑的附加變形現(xiàn)象.

4 超前預(yù)注漿加固措施變形控制效果分析

不同加固范圍內(nèi)A基坑地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的變化如圖11所示.模型對(duì)比超前預(yù)注漿加固長度為2 m、4 m、6 m、8 m和10 m時(shí)，逆斷層破碎帶引起的地表沉降變化和圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化如圖12所示，分析超前預(yù)注漿加固措施對(duì)逆斷層破碎帶區(qū)域基坑變形的控制效果.

分析圖11和圖12可以得到以下結(jié)論：

（1）超前預(yù)注漿加固技術(shù)對(duì)逆斷層破碎帶引起的基坑變形控制效果比較明顯.注漿加固范圍為2～6 m，變形控制效果最明顯；注漿加固范圍為6～8 m時(shí)，變形控制效果逐漸減小；注漿加固范圍為8～10 m時(shí)，變形控制效果比較微弱；

（2）如圖11所示，注漿加固長度分別為2 m、4 m、6 m、8 m和10 m時(shí)，地表最大沉降量分別為20.1 mm、19.2 mm、17.3 mm、14 mm和11.8 mm.注漿加固范圍越大，地表最大沉降值減小的趨勢(shì)越明顯，注漿加固范圍對(duì)地表沉降變形控制效果越顯著.注漿加固長度分別為2 m、4 m、6 m、8 m和10 m時(shí)，工況七引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分別為3.9 mm、3.4 mm、3.1 mm、2.8 mm和2.6 mm.注漿加固范圍越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移減小的趨勢(shì)越緩慢，注漿加固范圍對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制效果越微弱；

（3）避免后續(xù)施工造成的變形過大，基坑采用10 m注漿加固長度.在處理類似逆斷層破碎帶的實(shí)際工程中，需綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和實(shí)際情況，根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)基坑變形的控制要求，選擇合適的注漿加固長度.

5 結(jié)語

通過建立相關(guān)模型，分析斷層破碎帶與基坑水平方向夾角對(duì)基坑地表和圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移變化規(guī)律，分析可知，當(dāng)斷層破碎帶與基坑水平方向夾角在0°～45°時(shí)，斷層破碎帶對(duì)A基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響逐漸增大.當(dāng)斷層破碎帶與基坑水平方向夾角在45°～60°時(shí)，斷層破碎帶對(duì)A基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響逐漸減小.通過模擬逆斷層破碎帶區(qū)域注漿加固范圍對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移規(guī)律和地表沉降形態(tài)的變化趨勢(shì)可知，注漿加固范圍越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移減小的趨勢(shì)越緩慢，注漿加固對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的控制效果越微弱.

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉學(xué)增，林亮倫，桑運(yùn)龍.逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)公路隧道的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，40（7）：1008-1014.

[2] CAI Q P，PENG J M，CHARLES W N G，et al. Centrifuge and numerical modelling of tunnel inte-rsected by normal fault rupture in sand[J].Computers and Geotechnics， 2019， 111：137-146.

[3] 張?jiān)骑w，陳新民，袁宗盼.斷層位錯(cuò)量對(duì)跨斷層隧道的影響[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，41（1）：129-134.

[4] ROBOSKI J F.Three-dimensional performance and analyses of deep excavatio-ns[J].Journal of Canada Geotechnical，1993，30（5）：100-111.

[5] 劉小麗.基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與土壓力的三維彈塑性分析[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2000.

[6] 楊劍維，莫海鴻，許濤.基坑支護(hù)樁結(jié)構(gòu)幾何尺寸效應(yīng)分析[J].廣東土木與建筑，2002（11）：21-23.

[7] 頡永斌.斷層破碎帶內(nèi)隧道縱向受荷特征和變形分析[J].中國公報(bào)，2021，34（11）：211-224.

[8] 鄭剛，顏志雄，雷華陽.天津市區(qū)第一海相層粉質(zhì)黏土卸荷變形特征性的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（5）：1237-1242.

［責(zé)任編輯：李 嵐］

基金項(xiàng)目：安徽省高校省級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2019JD02）； 合肥城市學(xué)院自然科學(xué)、人文社會(huì)科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（CSZR202206）

作者簡介：劉曉鳳（1989-），女，安徽淮北人，講師，研究方向：住宅產(chǎn)業(yè)化.E-mail：819690770@qq.com.

通信作者：楊傳亮（1996-），男，山東濟(jì)南人，在讀碩士，研究方向：地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論與應(yīng)用.E-mail：1317955917@qq.com.