岩石风化程度对土岩双元基坑变形的影响

2023-10-09宋娜赵红艳李登科齐银萍张晋元段抗

科学技术与工程 2023年26期

宋娜, 赵红艳, 李登科, 齐银萍, 张晋元, 段抗*

(1.山东正元地质资源勘查有限责任公司, 济南 250061; 2. 山东大学土建与水利学院, 济南 250061)

随着经济社会的飞速发展,建筑物不断向更高处发展的同时,也向着更深的地下挺进。同时,城市轨道交通地下工程的发展,也使得基坑开挖越来越深,这给基坑支护带来更大的挑战。地铁车站深基坑一般深度能达到20～ 30 m[1-2]。因此在一些土层厚度较小的城市,如济南、青岛、大连、重庆等,地铁车站深基坑会出现开挖的上半部分为土层,下半部分为岩层的情况,称之为“土岩双元基坑”[3-5]。土岩双元结构在中风化岩以下部位具有很好的边坡自稳能力和竖向承载能力[6],在这类基坑中有时采用垂直开挖或者一定角度放坡开挖后就可以保持稳定,继续沿用上部土层支护方式,如采用钻孔灌注桩时继续使桩底低于基坑底面,会使结果过于保守,产生浪费,且土层支护施工工艺在岩层中施工难度大,从而增加了施工工期。同时,由于在土岩界面处存在应力集中[7],整体圆弧滑动的破坏模式可能不再适用。为此,找出土岩双元基坑变形规律,对选用合适的支护类型,采取针对性加固措施具有重要意义。

土岩双元基坑变形模式同岩石有无结构面、岩石风化程度和土岩厚度等地层条件有关。目前国内外学者针对土岩双元基坑变形规律已展开了一些研究。刘涛等[8]推导出了岩石基坑沿着不同结构面滑动时的基坑稳定性分析计算公式,提出岩石基坑在设计时要考虑岩体介质的强度、岩体中的结构面等因素;宋享桦[9]提出结构面作为一种岩体结构单元,在岩质基坑中,影响基坑破坏模式的同时还对基坑的稳定性起着控制性作用。刘红军等[10]通过将有限元数值模拟结果同现场实测数据对比得出:在上覆土层较薄的岩石地区,围护结构的变形主要集中在土层部分;伊晓东等[11]运用有限元软件对一实际工程基坑开挖全过程进行非线性分析,结果表明:二元结构分界处存在支护结构的“急剧”变形。吕凡恩[12]基于实际工程,通过强度折减法研究了土岩组合基坑在下卧为不同风化岩层时,发生破坏最危险滑动面的位置。结果表明:土岩组合基坑发生破坏时,全风化岩的破坏形式同土层类似,基坑完全发生滑移破坏;强风化岩部分发生滑移破坏;中风化岩不发生滑移破坏。

在基坑工程大量涉及土岩双元结构的济南地区,有关于深基坑开挖变形特点和破坏模式的研究还不是很透彻。为此,现以济南万象城工程项目的典型土岩双元结构基坑为实例,研究岩石风化程度对深基坑开挖变形规律的影响,探究基坑的变形规律,对指导类似地层中基坑工程设计与施工具有重要的意义,也为后续的理论研究提供有力支撑。

1 工程实例

1.1 工程概况

济南万象城工程项目位于济南市东部新城的核心位置。地处历下区经十路以北,和平东路以南,姚家东路以东,转山西路以西,西侧毗邻山东美术馆、档案馆、博物馆,周边交通便利,地理位置优越,通过连桥与北侧二期工程相连。拟建物主要包括购物中心、2栋超高层写字楼及配套设施,总建筑面积约46万m2。基坑形状大体呈不规则矩形,东西宽约192 m,南北长约267 m。场地地势起伏略大,总体南高北低。基坑开挖深度15.28～23.40 m,基坑支护总长度约922.31 m。基坑周边荷载在基坑顶边线外2.0 m处按30 kPa重车荷载考虑。

1.2 工程地质及水文地质条件

场地主要由第四系人工填土、冲洪积成因的黄土、黏性土及碎石土组成,下伏奥陶系石灰岩、泥灰岩。场地岩溶现象较发育,广泛分布于整个场地内,表现为溶洞或溶隙,未发现空洞,均充填棕红色硬塑黏土或碎石土。图1为现场地层分布图。

图1 现场地层分布图

该区地下水埋深大于35 m,低于基坑开挖深度,因此,在数值模拟分析时暂不考虑地下水的影响。

1.3 基坑支护方案

基坑围护结构形式复杂,选取基坑北侧典型剖面建立数值模型开展计算分析。选取典型剖面的支护方案如图2所示。基坑开挖深度为20.22 m,支护形式为天然放坡挂网,上部土层放坡角度42.27°(1∶1.1),下部放坡角度84.29°(1∶0.1)。岩质边坡设置全长黏结型锚杆,与水平面夹角为15°,孔径70 mm,杆体材料采用HRB400钢材。注浆材料采用水泥浆,水灰比为0.50,采用压力式注浆,注浆压力不小于0.6 MPa。

图2 基坑北侧典型剖面图

2 有限差分计算模型及参数确定

2.1 有限差分网格

数值模型的建立和计算网格的划分,均采用Rhino软件完成。具体步骤为:准备工作,实体建模,画网格,griddle细化网格,输出grid文件,导入连续体的快速拉格朗日分析(fast lagrangian analysis of continua,FLAC)软件中。Briaud等[13]的研究表明基坑开挖影响宽度在开挖深度的3倍左右。本文所建立的数值模型宽度方向上在基坑外取3倍的基坑开挖深度,模型的高度取2倍的基坑开挖深度。运用Rhino软件在 80 m×40 m×1 m范围内建立数值分析模型,网格划分结果如图3所示,将模型导入FLAC3D中,岩土体用zone单元模拟,总个数为5 235个,节点数为7 951个。

2.2 本构关系和材料特性

2.2.1 岩石和土体

对岩层和土体的力学行为采用摩尔-库伦本构模型模拟。其中,不同地层岩石和土体材料的内聚力(c)、摩擦角(φ)和密度(ρ)从地勘报告中获取;摩擦系数μ参考当地工程的经验取值;弹性模量E的取值对土体取其压缩模量的4倍;对于岩体,可由岩土钻孔波速试验中的剪切波速VS按式(1)～式(3)计算得到[14]。

E=2(1+μ)GS

(1)

(2)

(3)

式中:G0为岩体的小应变剪切模量;GS为剪切模量;γ为剪应变;γ0.5为剪切模量GS/G0=0.5时对应的剪应变,在本模拟中,取GS=0.5G0;ρ为土体的密度,取1 900 kg/m3。

参照本工程的岩土勘察报告及相关文献,岩土体参数取值如表1所示。

表1 各岩土层参数

2.2.2 锚杆

选用FLAC3D软件中提供的Cable单元来模拟基坑支护中用到的锚杆。

单位长度上水泥浆的黏结力cg与单位长度上水泥浆剪切刚度kg可由式(4)和式(5)计算而得。

cg=π(D+2t)τpeak

(4)

τpeak=τ1QB

(5)

式中:τ1为围岩和注浆体较弱者单轴抗压强度的一半;QB为注浆体和围岩的黏结质量(QB=1表示完全黏结);τpeak为最大剪切强度峰值。

(6)

式(6)中:G为注浆体剪切刚度;D为锚杆直径;t为注浆圆环体厚度。

Cable单元的参数取值如表2所示。

表2 锚杆参数

2.2.3 混凝土喷面

模拟方法:对于混凝土喷面的模拟采用线弹性3节点壳单元模拟。本文混凝土强度等级为C20,按经验关系考虑混凝土刚度折减,弹性模量取为10 GPa,泊松比取为0.2,重度取为 25 kN/m3。

2.2.4 土岩界面

模拟方法:采用Interface界面单元模拟。FLAC3D接触面采用的是无厚度接触面单元,接触面本构模型采用的是库伦剪切模型。在土岩界面设置“硬”接触面,即相对于周围材料接触面是刚性的,在荷载作用下可以产生滑移和分离的真实接触面。

参数取值:接触面的法向刚度kn和剪切刚度ks,取周围“最硬”相邻区域的等效刚度的10 倍[15]。

(7)

式中:K为体积模量;G为剪切模量;Δzmin为接触面法向方向上连接区域上最小尺寸。

2.3 边界和初始条件

基坑模型的上部为地表,为自由边界,不施加任何约束;模型底部为固定约束,约束各个方向的位移;4个侧向边界约束其法向上的水平位移。重力加速度设为10 m/s2。因基坑坑边超载,在基坑顶边线外2.0 m处施加30 kPa的法向面力。

图4为基于FLAC3D软件建立的济南市某基坑工程北侧典型剖面基坑变形分析三维有限差分数值模型。

图4 计算模型图

基坑开挖与支护模拟分为以下几个步骤:①初始地应力平衡,建立初始应力场;②施加基坑周边地面载荷;③分7层开挖基坑,并布设相应锚杆。具体模拟施工步如表3所示。

表3 施工步骤

3 模拟结果分析

基坑工程中主要关注3种形式的变形:基坑围护结构的侧向水平变形、基坑外地表沉降变形以及基坑内部的坑底土体向上隆起变形。对本工程在开挖结束后坑底为岩层,隆起量很小,因此,本文研究重点关注前两种变形。

图5为不同施工阶段基坑坑壁水平位移变化曲线。由图5分析可得如下结果。

图5 各施工步下坑壁水平位移线

(1)各施工阶段下,坑壁在水平方向上变形均朝向坑内,这是由于基坑坑内开挖卸荷引起。

(2)各施工步下,坑壁水平位移沿深度方向在土层中均呈现先增大后减小的趋势,土层水平位移最大值均出现在深度为2.5 m左右的杂填土中。前6个施工步最大水平位移出现在土层中,施工步7施工完成后,最大水平位移出现在深度12 m的破碎石灰岩中,达到12 mm。

(3)随着施工步5～7的开挖,坑壁水平位移增加较多,同时呈现出双峰值特征。其原因主要是此时卸载较多,岩层中存在黏土层,其强度、刚度较完整石灰岩小很多,且岩石破碎严重,因此最终坑壁水平位移最大值出现在下部岩层中。

图6为不同施工阶段基坑周边地表沉降随与坑壁距离的变化曲线。由图6分析可得如下结果。

图6 各施工步下地表沉降曲线

(1)各施工步下地表沉降均呈现“凹槽形”,地表沉降最大值均出现在坑外2.5 m处。不同的是,前6个施工步下基坑边缘出现一定程度的隆起,施工步7则全表现为沉降,并且施工步7的开挖,使得基坑影响范围变大,约为一倍的开挖深度(20.22 m)。

(2)前4个施工步的地表沉降曲线形态一致,随着施工步5到施工步7的开挖,周边地表沉降增加较多。尤其是施工步7破碎石灰岩的开挖使得地表出现较大沉降增量,最终地表沉降最大值为5.3 mm,约为0.026%H(H为基坑开挖深度),小于设计要求的0.2%H,表明支护结构设计较为合理,能有效控制坑外的地面沉降。在前6个施工步坑边出现隆起,而施工步7的开挖,使坑边表现为沉降。主要由于在土岩二元地层中进行基坑开挖时,由于卸载使坑底较硬的岩土体将会产生一定的隆起,同时带动其周围地层向上运动,而随着开挖的进行,基坑侧向土体会产生向坑内、向下沉的趋势,使得坑边隆起量逐渐变小。开挖到施工步7时,此处石灰岩较破碎,且仅靠混凝土喷面进行支护,使得下部破碎岩层同上部土体形成连通位移面,地表位移因此产生了陡降。中外一些文献也对地面沉降最大值与开挖深度之间的关系进行了统计分析,如表4所示。

表4 地面沉降最大值统计表

从表4中可以看出地面沉降受到地层情况影响较大,软土地层的地面沉降值普遍较大,而粉土、砂土地层地面沉降相对较小。对于青岛、济南地区的土岩组合基坑而言,由于下半部分为岩层,所以地面沉降更小。卢途[21]在统计济南土岩二元放坡土钉墙基坑的地面沉降最大值与基坑开挖深度之间的关系时得出,地面沉降最大值约为0.027%H,平均值为0.019%H。本文岩面深度为5.2 m,小于所有统计案例岩面深度最小值(6 m),但与统计案例中土层大部分为粉质黏土、碎石,岩层大部分为强风化岩、中风化岩相比,本案例中上部有3.4 m杂填土,且在破碎石灰岩中存在黏土夹层,这两种地层的存在会使地表沉降加大。因此,地面沉降最大值(0.026%H)位于所有统计案例的上限是合理的。

图7和图8分别给出了基坑施工完成后锚杆的轴力分布云图和土-岩界面的相对变形图。从图7中可以看出,岩层中的锚杆,其最大轴力位于靠近基坑一侧的杆端部位。此处锚杆的最大轴力为61 kN,小于本案例的拉拔极限(128 kN)。

图7 锚杆轴力云图

通过观察图8中土-岩界面的相对变形,可以发现在距离基坑5 m范围内,土层和岩层发生了部分的相对滑移变形,最大滑移值为1 mm,而距离基坑较远的部位,二者结合良好,并未发生相对变形。

分别在土层中、土岩界面上和岩层中设置3个监测点来监测不同地层在各施工步下的水平位移变化规律,模拟结果如图9所示。

图9 各施工步下不同监测点的水平位移曲线

由图9分析可知:监测点1位于土层,在施工步1的开挖下,就已经暴露出来,因此其水平位移在施工步1就出现,并在每次施工步下,都有增加趋势。监测点2位于土岩交界处,在施工步3的开挖下暴露出来,因此在施工步2至施工步3的模拟过程中,坑壁水平位移出现。监测点3位于岩层中,在施工步5的开挖过程中才暴露出来,因此前4种施工步下,该点均没有水平位移,施工步7对较破碎石灰岩进行开挖,使得该处水平位移出现剧增。从最终水平位移来看,监测点3(岩层中)>监测点1(土层中)>监测点2(土岩交界处)。

4 不同风化程度下基坑变形对比

在第2节计算模型的基础上,将地层改为土+破碎岩石、土+完整岩石和土+破碎岩石+完整岩石3种情况,以探究土岩双元基坑在天然放坡挂网支护条件下卧岩层风化程度不同时的基坑变形情况。

4.1 地层信息

本节建立不同岩石风化程度数值模型的思路为:保持基坑模型的尺寸、支护形式和土层信息不变,改变岩石地层分布情况,依据原地层厚度分布信息定义新地层厚度,如破碎岩石长度是原岩层中前四层地层厚度之和;地层参数信息取自原地勘报告。各计算模型沿深度方向具体地层信息情况如图10所示。

图10 不同风化程度影响研究方案中地层信息

4.2 结果分析

以坑壁水平位移和地表沉降作为主要监测变量来讨论岩石风化程度对土岩双元基坑稳定性的影响。图11为考虑不同岩石风化程度时模拟得到的基坑开挖完成后的位移云图,其中,当模拟地层为土+破碎岩石,基坑开挖到施工步5时,基坑最大位移达到3.6 m,远大于预警值,且变形达到相对稳定状态,因此人为中断该计算[图11(b)]。在设计时,应将破碎岩石当作土层考虑,进行基坑安全分析与支护设计。

图11 不同岩石风化程度下基坑位移云图

从其他3种地层组合情况的位移云图可知:①当地层为土+破碎岩石+完整岩石时,基坑变形出现了类似原地层的双峰规律,即在上部土层和下部岩层都有位移峰值出现;②地层为土+完整岩石条件下的基坑变形规律明显有别于前面两个,主要是由于其下部完整岩石的刚度和强度均明显大于土层,较大位移均出现在土层。

图12对比了其他3种模型计算得到的基坑开挖完成后坑壁水平位随基坑深度变化曲线。

图12 不同地层坑壁水平位移随基坑深度变化曲线

由图12分析知,当地层分布为土+完整岩石时,坑壁水平位移明显小于原模型,土层中坑壁水平位移呈现先增大后减小的趋势,岩层中坑壁水平位移近似为零,坑壁最大水平位移出现在深度为2.5 m左右的土层中。

当为土+破碎岩石+完整岩石时,坑壁水平位移大于原模型。沿深度方向的变化趋势是,在土层和岩层中均是先增大后减小,最大水平位移发生在深度为12.5 m左右的破碎石灰岩中。

图13为不同岩石风化程度下地表沉降变化图,由图13可知,3种计算模型中,地表沉降曲线均呈现“凹槽形”,最大地表沉降均出现在基坑外2.5 m处。

图13 不同信息地表沉降随与坑壁距离变化曲线

当地层为土+完整岩石时,地表沉降明显小于原模型,并且在基坑边缘出现一定程度的隆起。当为土+破碎岩石+完整岩石时,地表沉降同原模型类似。

5 连续-离散耦合

为了进一步研究边坡滑移面上岩土体破坏的微观机理,现将第4节中出现失稳破坏的土+破碎岩石地层使用连续-离散耦合方法进行模拟分析。具体思路为:根据图11(b)中边坡失稳滑移面的位置,确定一尺寸为2 m×2 m×6 m的立方体区域,该区域用颗粒流程序(particle flow code, PFC)模拟,其余部分用FLAC模拟。在保证计算成本的同时,PFC的局部使用可以对微观破坏机理进行分析[22-24]。图14是建立的耦合模型,该耦合模型包括9 474个颗粒,12 234个实体单元。颗粒与颗粒之间的接触采用平行黏结(parallel bond, PB)接触模型,该模型能较好地模拟岩土体微观破坏。

基于地勘报告结果,通过单轴压缩和常规三轴压缩数值试验对PB接触模型的参数进行标定,最终获得与破碎岩石的宏观力学性质相匹配的微观参数,微观参数取值如表5所示。

表5 平行粘结模型的微观力学参数

5.1 耦合模型的地应力平衡

在重力作用下,分别对FLAC模型、耦合模型两种模型相同位置的竖向位移进行监测,监测点分别为ID15 936和ID10 260(图15),两点的竖向位移变化如图15所示。图16为两种模型在重力作用下竖向应力云图,可以看出耦合模型在重力下竖向位移和应力都较好地与FLAC模型的结果吻合,验证了耦合模型和微观接触参数取值的合理性。下面基于建立的耦合模型开展土岩基坑边坡的开挖支护模拟研究。

图16 FLAC模型与耦合模型初始应力比较

5.2 耦合结果分析

采用平行黏结模型模拟破碎岩石,破坏后用线性接触模型模拟,通过追踪耦合模型中线性接触模型的时空演化,分析破碎岩石失稳破坏的过程,揭示边坡失稳破坏的微观机理。由第4节知,土+破碎岩石基坑在开挖第6步后出现变形过大,基坑失稳的情况。图17给出了不同计算阶段颗粒间接触模型变化过程。

由图17可以看出,在循环1 000步时,已经出现少数接触破坏,说明破碎岩石内部的破坏是同土层同步发育的,当循环至10 000步时,线性接触模型明显增多,表明破碎岩石的内部破坏加剧,在循环30 000步时滑移面已基本形成,相同的时步间隔内出现了更多地平行粘接模型接触破坏,微观破坏急剧增长,同时观察到FLAC模型中的变形快速增加。

图18是耦合模型开挖完第6步,循环40 000步、50 000步的位移云图,由于耦合模型开启大变形模型,网格变形明显大于FLAC模型。且观察到破碎岩石与土层是整体滑移破坏的,将其当作土层进行支护设计是合理的。