二元结构地层基坑嵌岩支护变形性状研究

黄明辉， 陈乐意

(南昌航空大学 土木建筑学院，江西 南昌 330063)

因南昌区域内岩层埋藏深度较浅，工程中为满足基坑支护稳定需求，常采用嵌岩支护形式对基坑支护结构进行强化处理。此时围护构件穿越于力学强度相差较大的砂土体与风化岩层岩介质中，支护构件在受力形式及变形破坏状态方面表现出“二元化”形态，对基坑支护体系设计及施工工艺提出了较高要求[1-4]。

鉴于嵌岩支护基坑的工程难度及应用的普遍性，许多学者对此开展过研究。乌青松等[5]针对桂林地区“上硬下软”特性的红黏土-石灰岩地质，提出一种钢筋混凝土与微型钢管桩相结合的联合支护体系，并对该种支护体系展开进一步的验算分析。验算结果与监测数据表明，在红黏土中采用混凝土排桩，石灰岩中采用微型钢管桩的支护形式，其经济性较强并满足基坑支护稳定要求。马康等[6]基于土岩组合地层的地质条件，采用积分形式推导出基坑支护桩在嵌岩支护下的3种临界嵌固深度，研究得出一种基坑围护结构适宜嵌固深度的计算方法。通过工程实际案例验证表明该种计算方法具有明显的优越性，可为嵌岩支护基坑支护设计提供有利参考。何健等[7]以沿海剥蚀残丘地貌为背景，针对该区域地质特性，介绍了一种吊脚嵌岩灌注桩与内支撑结构相结合的支护形式，并提出一种围护结构嵌岩深度的计算方法，计算结果与工程实践结果表明，此种支护形式在流塑淤泥层与风化花岗岩岩层中适应性较强，并能较大程度地减小基坑工程施工作业的综合成本。

研究表明，嵌岩支护基坑的变形规律与支护结构力学性质呈现一定的复杂性，其具有明显的“二元化”规律，而国内学者有关二元化特性地层与基坑嵌岩支护作用机理等方面的研究尚有不足，需要展开更进一步的探析。

1 工程概况

1.1 项目概述

本项目基坑为南昌某轨道交通地铁车站工程，该站为地下2层岛式站台车站，采用明挖法施工。根据场地地质条件及工程特点，围护结构整体采用地下连续墙+内支撑的组合支护形式，标准段沿基坑竖向设置为3道内支撑结构，包含1道钢筋混凝土支撑与2道钢支撑。连续墙墙体厚度为800 mm，材料采用C35水下等级混凝土，因基坑支护稳定需求，连续墙墙体嵌固段需打入中风化泥质粉砂岩。混凝土内支撑采用C30强度等级混凝土材料，支撑截面形式为800 mm×1 000 mm。钢支撑材料采用Q235强度等级钢材，钢支撑直径609 mm、壁厚16 mm。按照基坑设计要求，地下连续墙可兼作为车站主体结构，基坑工程连续墙与内支撑体系平面布置示意见图1。

图1 基坑内支撑平面布置示意

1.2 地质条件

经建筑场地实地勘察，依据土体成因与工程性质，基坑区域钻探深度内土体自地表向下主要由杂填土、粉质黏土、圆砾、砾砂、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩等几个地层单元构成。本项目分析模型中，设定地表土体及各土层为均质分布，均为各项同性材料，且各地层为成层的水平状分布。有限元分析模型中，土体选取非线性材料模拟，并采纳Hardening-Soil[8-9]弹塑性土体本构模型参与计算。为保障有限元分析精确度，采用原位测试与室内试验等方法统计基坑场地岩土体物理力学性质指标的最大值、最小值、平均值、变异系数、样本数和标准值，并按现行规范要求及工程经验给定岩土体设计建议值，各土层对应工程特性参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

2 三维有限元模型建立

关于基坑工程开挖支护对临近土层的影响范围，以往已有许多学者展开相关论述。由有限元及基坑施工经验,基坑施工影响宽度范围为基坑设计深度的3～4倍，影响深度范围为基坑设计深度的2～3倍。借助有限元分析软件Midas GTS建立基坑开挖支护的三维仿真模型，考虑本项目基坑平均设计深度14.9 m，为消除模型边界效应，取模型尺寸为497 m(长度)×169 m(宽度)×54 m(高度)，基坑整体模型如图2所示。

基坑工程的运作属于一个边开挖边进行防护的动态过程，在有限元分析的过程中，数值计算过程应与实际工程施工过程相一致。为真实还原基坑工程施工状态，选取表2所示有限元分析步骤对基坑开挖支护展开数值分析。

表2 有限元分析步骤

3 有限元计算结果分析

3.1 支护体系变形

基坑施工状态下，因坑内土体开挖卸荷，改变场地内土体初始应力状态，造成连续墙内外两侧受力失衡、围护桩临近土层应力重新分布，在坑外主动土压力作用下，引起连续墙朝向坑内发生侧移。此时，连续墙承担了全部的水土压力及地面超载引起的侧向压力，并沿水平向传递给内支撑系统，进而导致内支撑体系与连续墙墙体发生协同变形。

在图2所示坐标轴中，指定正方向的变形值为正值。则基坑开挖支护作用下，连续墙与内支撑结构水平位移云图如图3、图4所示。由图中所示围护构件水平位移云图可知，支护结构侧移主要发生于坑底以上区域范围，并在第二道内支撑临近位置达到最大。其中内支撑系统与连续墙墙体在x方向的侧移主要发生于大、小端头井两侧位置处，而y向侧移则主要发生于连续墙长边及内支撑腰梁位置处。受相邻墙体水平位移限制，围护结构在x方向侧移中，大端头井一侧的连续墙及内支撑变形程度大于小端头井一侧。

图3 支护构件x向水平位移云图

图4 支护构件y向水平位移云图

为分析施工状态下的连续墙变形形态，在模型中选取基坑大端头井一侧墙体进行变形分析。由模型运算结果，揭示图5所示连续墙变形云图。由开挖前后墙体变形状态对比发现，支护结构在不同位置处的变形值差异明显。由图6坑角距离与墙身位移关系可知，基坑阴角可有效抑制其周边土压力及位移发展[10],随着基坑开挖深度增加，连续墙侧向变形也持续随之增大，连续墙变形受相邻墙体限制，导致连续墙在基坑阴角位置处出现位移程度较小的现象。

图5 大端头井侧连续墙变形

图6 坑角距离与墙身位移关系

根据坑角距离与墙身位移关系曲线，测线所在位置处的连续墙墙体，在基坑坑角处侧向位移仅为3.00 mm，而在基坑中部位置处可达16.487 mm。差值幅度高达81.804%。墙身水平位移随远离坑角方向逐渐增大而后稳定，在连续墙中部达到最大位移值，并沿墙身中部位置处呈对称状态，表现出明显的坑角效应[11-12]。

图7 连续墙侧移位测点选取

为研究各工况下基坑支护结构侧向位移差异，选取图7所示4个测点进行分析。根据有限元计算结果，各工况下支护结构水平位移情况如图8、图9所示。由图中关系曲线可知，在工程施工初期，基坑内侧土体开挖卸荷土方量较小，基坑工程施工对临近土层中应力场扰动程度有限，因此墙体变形值较小。随着基坑开挖深度增大，土体水平向应力释放迅速增大，墙顶处侧移状态保持稳定，而墙身腹部受坑外主动土压力较大且缺乏有效的水平向约束，导致其朝向坑内产生凸起现象。因砂土层与基岩强度相差较大，连续墙在砂土层中变形程度较大，而嵌固在基岩部分的支护结构受到较大约束力作用，导致其变形程度较小。基坑施工完毕后，支护结构各处水平位移值均小于连续墙报警值30 mm，表现出良好的支护效果。

图8 各工况下连续墙y向侧移曲线

图9 各工况下连续墙x向侧移曲线

对比连续墙各测点处变形状态可知，连续墙在不同平面位置处，因支护受力差异，墙体变形亦有所不同。受基坑开挖支护的坑角效应影响，长边位置处墙体变形程度明显大于短边处,大端头井侧墙体水平位移大于小端头井一侧。当基坑某支护段内连续墙分布较为规则且内支撑跨度相近时，距离基坑阴角越近的测点，墙身变形程度越小。在图中所示基坑长边的4个测点中，因测点1、测点4紧邻基坑端头井一侧阴角，故基坑开挖完成后该测点处墙体侧移量最小,仅不足14 mm。而测点2位置处距离基坑坑角较远且支撑跨度较大，故该测点处墙体水平位移大于其余测点。基坑支护设计时，应结合地铁基坑狭长型的几何特征，充分考虑基坑变形的空间效应，限制支护构件长边位置处产生过大变形。

3.2 坑外地表沉降

图10 基坑开挖完毕后土体竖向位移

由有限元计算结果，可得图10所示基坑内外两侧土体沉降云图。基坑开挖支护状态下，因坑内土体开挖卸荷，引起土层水平向应力释放，连续墙、内支撑等支护构件在坑外土压力作用下，沿不同深度位置处亦与周围土体一起朝向坑内产生不同程度的协同变形。基坑支护变形状态下，坑外土体发生塑性流动，朝向基坑内侧及底部产生滑移，为填补深层土体侧移量，上部浅埋地层会产生差异性沉降。根据模型沉降云图可见，坑外地表主要沉降范围发生于远离基坑侧壁4～12 m宽度内，沉降主要影响区域约为0.74倍的基坑开挖深度。

因基坑各测点处的支护构件侧移量均有不同，基坑外侧各处地表沉降亦具有明显差异。由图11、图12所示基坑外侧土体沉降状况可知，基坑周围土体在基坑开挖过程中呈不均匀沉降，沉降最大值发生在距离基坑壁一定距离处，周边地表沉降曲线近似呈现为抛物线状，出现宽度约为7 m的沉降槽。随着与基坑侧壁距离增大，基坑开挖支护对土体扰动影响减弱。当开挖至基坑底部后，地表沉降值在距离基坑侧壁7.5 m左右处达到最大，地表最大沉降值可达19.337 mm。

图11 各工况下基坑长边外侧土层沉降分布

图12 各工况下基坑短边外侧土层沉降分布

为分析基坑外侧不同位置处的地表沉降差异，分别选取基坑长边外的2条监测线及短边外的2条监测线进行分析。由图11和图12中数据，测线3、测线4分别位于基坑端头井一侧，该处支护体系刚度较大，因此基坑施工未对坑外地表沉降造成过大影响。而测线1、测线2位于基坑长边，支撑跨度较大且墙体布置为不规则的多边形，基坑受力形式复杂，导致该测线以外地表沉降值较大。经各测线外地表沉降统计，各测线位置处土体最大沉降值均不足20 mm，满足基坑沉降控制要求。

3.3 岩土体总位移

基坑工程施工状态下，受坑内土体卸载影响，支护结构内外侧受力状态变化，随着基坑开挖深度的增加，坑外土压力值也随之增长。由于基坑内外土体应力场的改变，对支护构件变形产生影响，引起基坑内外两侧岩土体产生协同变形。由图13所示模型总位移剖面示意可知，砂土层的土体强度弱于下伏基岩强度。当基坑土体卸荷时，支护构件在砂砾石层中出现支护薄弱区域，此时墙后砂砾层中土体变形发展迅速，形成贯通地表的潜在软弱滑移带。基坑施工至设计深度后，软弱滑移带区域内土体最大总位移可达22.209 mm，嵌固段以下土层中土体扰动影响较弱，该区域内土体总位移发展缓慢，位移值均不足3 mm。基坑支护设计中，应充分考虑支护结构在二元结构地层中的变形差异，避免围护结构与上部砂土体产生过量位移，影响基坑支护结构性能发挥。

图13 模型总位移剖面示意

3.4 坑底土体隆起

图14 坑底隆起云图

基坑工程施工状态下，因坑内土体开挖卸荷造成坑底以上土体自重应力消除、垂直方向应力释放，改变坑底土体初始应力状态，导致坑内开挖面土体发生回弹。另一方面，随基坑施工深度不断加大，基坑内外两侧土体压力差也随之增大，在自重及坑外超载作用下，坑外土体通过地下连续墙底部向坑内移动，进一步促进坑底土体隆起。经开挖支护下的模型有限元计算结果，坑底土体隆起状况如图14所示。根据云图状况可知，坑底土体隆起在基坑中部区域达到最大，受连续墙自重及土层塑性流动影响，连续墙周围土体处回弹影响最小，并表现为沉降状态。

由于坑底立柱桩与坑底土体间摩阻力影响，立柱桩施工对被动区土体而言起到拉锚作用，并对周边土体起到明显约束作用,因此坑底开挖面上，立柱桩周围土体隆起变形得到有效控制。立柱桩强度及刚度相对土体较大，因此坑底立柱桩可有效提高坑底土体整体力学性能[13]，有助于控制基坑底部隆起变形。

提取土体隆起数据，绘制施工完成后的坑底隆起曲线如图15所示。由图中数据可知，随着坑内土体开挖深度增大，坑底土体竖向应力释放越大，坑底隆起变形亦持续增大。在连续墙附近，因连续墙与临近土体相互约束，连续墙对临近土体产生摩擦作用，因此坑底土层隆起变形值在连续墙附近最小，坑底土体变形整体呈现中间大、两边小的隆起形态，并在基坑周边地层中出现塑性区域。

图15 施工完成后坑底土体竖向变形

由各监测线上土体隆起状况来看，2条监测线处坑底土层宽度范围各有差异，而其监测峰值却较为接近，土体隆起值均在10 mm左右。根据土体竖向位移云图及隆起趋势曲线展开分析，可知支撑立柱桩可有效限制坑底土体隆起变形。当立柱状存在时，基坑底部土层隆起曲线并非呈现典型的“拱形”分布，立柱桩对周边土体的摩擦影响致使土体竖向位移得到显著减小。工程中可考虑立柱桩对土体的协同变形作用，以控制由坑底土体隆起引起的不利影响。

4 结语

以南昌某地铁车站深基坑支护工程为背景，对基坑开挖支护过程进行数值建模分析。通过分析连续墙与内支撑侧移、内支撑与立柱竖向变形、坑外地表沉降、坑底土层隆起状态，分析二元结构地层基坑嵌岩支护的变形一般规律，可得如下主要结论：

(1)基坑坑角处支护结构可有效抑制周边土压力及位移发展，连续墙侧移受相邻墙体水平位移限制，导致连续墙在基坑阴角位置处位移限制较大，墙身水平位移随远离坑角方向逐渐增大而后稳定，在连续墙中部达到最大位移值，表现出明显的坑角效应。

(2)受立柱桩与坑底土体之间摩阻力影响，立柱桩对被动区土体起到拉锚作用，积极约束桩体临近土体产生竖向位移，立柱桩可有效提高坑底土体整体力学性能，有助于控制基坑底部隆起变形。

(3)基坑施工至设计深度后，支护构件嵌固段以下土层中土体扰动影响较弱，支护构件在砂砾石层中位移发展程度较大，墙后砂砾层中土体变形发展迅速，形成贯通地表的潜在软弱滑移带。