风化砂岩地区超高层建筑基坑开挖的力学特征

余莉，蒋宗鑫，闫名卉,赵拓

(1.河北省建筑科学研究院有限公司，河北 石家庄 050000；2.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；3.河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002;4.甘肃中建市政工程勘察设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

随着科技的不断发展，地下工程的开发和利用日益增加，其中基坑开挖逐渐朝着深大方向发展.基坑施工可能引起周边土体的变形，而采用室内实验可重复性差、成本较高，较难深入细化地分析基坑开挖过程的力学特征，而采用数值模拟可分析其复杂的力学性质.胡海英等[1]利用三维有限元程序 Midas/GTS分析了基坑开挖对地铁隧道的影响，认为基坑开挖期间对于隧道不一定是卸荷影响，有时也会增加隧道围压，这与基坑开挖深度、隧道与基坑的位置有关，也与基坑支护结构施工方法有关，应结合具体力学传递路径来确定卸荷或加荷影响.刘继国等[2]利用FLAC3D软件对武汉长江过江隧道江南明挖段深基坑进行了开挖与支护模拟，通过计算得出不同开挖阶段的地表沉降、基底隆起和墙后土体水平位移.崔宏环等[3]利用ABAQUS(有限元数值模拟软件)模拟某高层建筑深基坑开挖全过程，分析了基坑变形和稳定的影响因素，提出了控制支护结构变形、保持基坑稳定的方法措施.秦会来等[4]验证了ABAQUS数值模拟在分析计算基坑开挖变形问题的可行性.莫时雄等[5]采用同济曙光三维有限元分析软件，计算基坑变形并与实测值对比，得出深基坑在开挖过程中土层内摩擦角与地面沉降呈线性变化趋势，并给出拟合回归关系式.贾堤等[6]研究出了利用勘察报告数据获得数值分析中土体弹性模量的3种方法：1)直接估算，从压缩模量换算割线弹性模量；2)通过不排水抗剪强度、塑性指数和超固结比估算弹性模量；3)使用静力触探的锥尖阻力换算弹性模量.张培文等[7]根据土的弹性模量和泊松比满足双曲线关系，给出弹性模量和泊松比折减的基本原理.算例分析表明，调节泊松比对安全系数的求解是有影响的，但对弹性模量的影响一般较小.

综上所述，本文以甘肃省风化砂岩地区的某超高层建筑的基坑开挖为背景，采用实验和有限元数值模拟结合的手段分析该地区强风化砂岩和中风化砂岩的强度特征，进而建立了基坑开挖的三维数值模拟模型，得出该地区岩体基坑开挖的受力和变形特征，为工程施工设计提供参考依据.

1 工程概况

该项目位于兰州市城关区，项目用地面积14 511.1 m2，是集大型商业、甲级办公、豪华公寓、安置住宅、配套幼儿园等多种功能于一体的大型城市综合体的综合类建筑项目，建成后将成为兰州市新的城市地标.

1.1 场地的地层条件

根据工程地质调查及现场钻探揭露，场地地层较为简单，自上而下分别为①杂填土、②粉土、③卵石、④1强风化砂岩、⑤2中风化砂岩.岩土层材料参数如表1,其中γ为重度，C为黏聚力，φ为内摩擦角，E为弹性模量，v为泊松比.

表1 岩土层参数Tab.1 Rock soil layer parameter table

1.2 工程概况及力学参数

风化砂岩层深达64 m，因此该模型选取60 m×60 m×70 m的正方体土体，基坑开挖深度为10 m，基坑支护结构为地下连续墙，墙高20 m，具体开挖情况如图1所示.地连墙参数见表2.

图1 土层分布和具体开挖情况Fig.1 Soil layer distribution and specific excavation

表2 地连墙弹性体参数Tab.2 Ground wall parameter table

根据该地区岩土层的勘察结果，利用其参数进行基坑开挖数值模拟，分析其开挖过程中的力学变化特征.

2 三轴压缩实验

实验采用2个测试钻孔的13组砂岩样品，天然状态下进行不固结不排水三轴实验，砂岩的抗压强度随围压增大而增大.实验统计结果见表3.表3中σ1为第1主应力，σ3为第3主应力，γ为重度，ω为含水量，c为黏聚力，φ为内摩擦角.

表3 风化砂岩三轴压缩实验成果Tab.3 Statistical table of triaxial compression test results of weathered sandstone

续表3Continue tab.3

天然状态下的强风化砂岩在低围压0.1 MPa时，强度最大值为809.06 kPa;当围压为0.4 MPa时，强度最大值为3 364.78 kPa.天然状态下的中风化砂岩在低围压为0.1 MPa时，强度最大值为1 612.66 kPa;当围压0.4 MPa时，强度最大值为2 862.74 kPa；随围压增加破坏强度增加，随深度增加破坏强度具有增大趋势.

3 基坑开挖数值模拟实现过程

3.1 建模的过程

按照图1尺寸在有限元软件中做出了三维立体模型,如图2和图3所示.采用摩尔库伦破坏准则，模拟参数见表1所示，地连墙参数如表2所示.

图3 基坑开挖后模型Fig.3 Model foundation pit after excavation

图2 基坑开挖前模型Fig.2 Model foundation pit before excavation

本次基坑开挖模拟中基坑深度为10 m，宽度为20 m，分3层开挖，第1层开挖3 m，第2层5 m，第3层2 m.地连墙的宽为1 m，高为20 m.

3.2 基坑开挖模拟结果

3.2.1 开挖过程中土体应力及变形

基坑开挖过程中，土体由于卸荷会产生一定的应力和应变.根据模拟计算结果，当基坑开挖至10 m时，且未设置地连墙支护，其基坑侧壁的最大应力为1.42×103kPa，最大的水平位移为18.75 mm，最大沉降量为14.74 mm.当采用地连墙支护后，其基坑侧壁的最大应力为0.25×103kPa，最大的水平位移为8.25 mm，最大沉降量为8.59 mm，均满足基坑变形的允许值.基坑开挖至10 m时，总应力云图和位移变形云图如图4a、4b，水平位移变形云图如图4c，竖直位移变形云图如图4d.

a.整体应力云图;b.整体位移云图;c.水平位移云图;d.竖直位移云图.

3.2.2 开挖过程中地连墙的变形

基坑开挖中设置了地连墙.地连墙的应力和变形云图见图5所示，当开挖到10 m时，计算结果表明墙体的墙后2侧同时受相同大小的拉力，应力的分布曲线重合，但A侧墙体和B侧墙体受力是不同的，B侧墙体受力大于A侧墙体，如图5a、5b.墙体的位移相差较小，A侧墙体的最大位移为16.6 mm,B侧墙体最大位移为20 mm，墙体的应力和位移分布见图6a、6b所示.

图5 地连墙的应力云图(a)和位移云图(b)Fig.5 Stress cloud diagram and displacement cloud diagram of the ground wall

图6 墙体应力分布图(a)与变形分布图(b)Fig.6 Wall stress distribution(a)and deformation curve(b)

根据《JGJ311—2013建筑深基坑工程施工安全技术规范》中12.1.6的规定，基坑侧壁与地面变形控制应按设计要求进行，当无具体要求时，宜根据基坑安全等级对变形限制进行控制：安全等级为1级的基坑，基坑侧壁水平位移的最大变形限值为30 mm或3‰H(H为基坑开挖深度)；基坑侧壁最大沉降为1‰H.通过计算，位移变形都符合规范要求.

4 风化砂岩基坑开挖的对比

该地区的风化砂岩分为强风化砂岩和中风化砂岩，根据当地砂岩的性质分别进行二维基坑开挖数值模拟，选用摩尔库伦模型，对比分析其结果.模型参数如表4所示.假设开挖深度、宽度分别为10.0 m和20.0 m的基坑.由于轴对称模型，因此模拟开挖宽度取B/2(B为完整基坑的宽度)为10.0 m.选取分析土体区域宽度和高度均为100 m.模拟结果如图7所示.

表4 摩尔库伦模型参数Tab.4 Moor Coulomb model parameters

a、c.为强风化砂岩；b、d.为中风化砂岩.

计算结果表明：强风化砂岩地区的最大水平应力为3 784 kPa，最大竖向应力为4 918 kPa;中风化砂岩地区的最大水平应力为3 790 kPa,最大竖向应力为3 605 kPa,2种风化砂岩进行基坑开挖时水平应力相差不大，中风化砂岩的竖向应力比较小，有利于基坑开挖.强风化砂岩地区的最大水平位移为22.12 cm，最大沉降为25.01 cm；中风化砂岩地区的最大水平位移为11.25 cm，最大沉降为13.95 cm，结果表明中风化砂岩的变形较小.因此，根据甘肃省兰州市的2种风化砂岩的基坑开挖受力和位移特征相比较，中风化砂岩更适合基坑开挖，建议对强风化砂岩采取相应的处理措施.

5 结论

1)对兰州市风化砂岩地区超高层建筑天然地基进行基坑开挖时，采用分层开挖加地连墙的方式是可行的.根据三轴实验可知，兰州市风化砂岩，随围压增加抗压强度增加，随深度增加抗压强度增大.

2)对未采用和采用地连墙支护的基坑开挖进行了对比分析，计算结果表明：当基坑开挖至10 m时，未设置地连墙支护，其基坑侧壁的最大应力为1.42×103kPa，最大的水平位移为18.75 mm，最大沉降量为14.74 mm.当采用地连墙支护后，其基坑侧壁的最大应力为0.25×103kPa，最大的水平位移为8.25 mm，最大沉降量为8.59 mm，均满足基坑变形的允许值.

3)甘肃的风化砂岩地区中，中风化砂岩在基坑开挖中较强风化砂岩稳定.

4)上述结论都是基于数值模拟结论，假设了土体的均质性和各向同性特征，为实际工程提供一定的理论指导意义，但其准确性需要实际开挖进行进一步验证，进一步优化计算.