级配不良卵石深基坑地表及支护变形规律研究

王明年，曾正强，赵银亭，刘大刚，吴圣智



级配不良卵石深基坑地表及支护变形规律研究

王明年1, 2，曾正强1, 2，赵银亭1, 2，刘大刚1, 2，吴圣智1, 2

(1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031； 2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

以洛阳市地铁1号线卵石深基坑为工程原型，采用颗粒离散元软件PFC2D，建立级配不良卵石层深基坑支护结构数值分析模型，分析地表沉降和支护结构变形规律。研究结果表明：围护结构插入比对地表沉降的影响存在3个发展阶段，适用于级配不良中密卵石基坑的插入比范围为0.38~0.58。根据对变形规律的分析，得到内撑在控制围护结构侧向位移和地表变形中作用效果不同的结论。通过理论与实测数据对比，论证级配不良中密卵石地层基坑内支撑设计和插入比选择的可靠性。研究成果可为类似卵石地层中地铁深基坑施工提供参考。

卵石基坑；变形规律；插入比；支护时机；级配不良

深基坑工程是地铁建设过程中一种常见的临时地下工程，由于支护型式设计和施工时机不当极易引发一系列安全问题：如2005年广州市海珠城广场基坑因为超挖使得内支撑布置不合理、道数不够而导致坍塌事故[1]；2007年深圳地铁1号线大新站因为基坑开挖过快，内支撑架设未能跟上开挖速度导致基坑垮塌[2]；2012年武汉地铁王家湾站因开挖至9.4 m却未及时施作第2道内撑造成基坑坍塌。以上事故的发生，在于对变形规律认识不清，而基坑塌方的突发性极易造成施工人员伤亡，导致严重的经济财产损失。近年来，随着我国城市轨道交通的快速发展，相继在北京、成都和洛阳等城市的地铁基坑开挖过程中遇到了大面积的卵石地层。卵石地层基坑开挖的稳定性受卵石土级配的影响。级配不良卵石土在上述地区中均有所分布，在洛阳地铁1号线沿线的分布尤其集中。由于缺少细颗粒，又因降水造成卵石层中细颗粒流失[3]，使得坑壁自稳能力不足，与一般卵石地层相比面临着更大的施工风险。国内外不少专家学者对卵石层的特殊工程性质开展了大量研究。陈沅江等[4]选取基坑开挖深度、砂卵石层厚度及地下水位高度作为砂卵石基坑安全等级评价指标，给出了砂卵石基坑安全等级评价规范化流程；Bortkevich[5]探讨了在堤坝修建过程中的卵石基坑质量控制优化措施；熊宗喜[6]基于土钉支护技术分析了砂卵石地层基坑开挖技术；张忠苗等[7]分析了超长嵌岩桩施工中超长桩的受力特性。上述研究成果大都偏向于一般卵石基坑的工程分类和某类支护技术的总结和分析，而针对级配不良卵石基坑的围护结构变形规律的研究甚少。本文依托洛阳地铁1号线级配不良中密卵石深基坑建设项目，对基坑中采用的桩+内支撑支护结构型式进行变形规律的研究，结合数值模拟与现场实测，总结出适用于级配不良卵石深基坑内支撑的插入比选择方案和架设方式，为类似级配不良卵石地层深基坑的稳定开挖设计提供参考经验。

1 工程概况与地质条件

1.1 工程概况

洛阳市轨道交通1号线工程线路全长为22.35 km，设车站18座，平均站间距为1.30 km，均为地下2层站，车站主要采用明挖顺作法施工，主体部分围护结构采用桩+内支撑。根据基坑深度不同，设计采用桩+3或4道内支撑，典型断面的内支撑架设具体位置如图1。

单位：m

1.2 工程地质与水文地质

洛阳地铁1号线处于洛河Ⅱ级阶地，根据钻孔得到的地质资料，主要地层有①1杂填土、①2素填土、②22黄土状粉质黏土、③22粉质黏土、③23粉质黏土和③93卵石和⑥1泥岩等。详细物理力学参数见表1。

地下水主要赋存于下部的卵石层中，最高地下水位在地表以下8 m左右。黄土状粉质黏土、黄土状粉土水量小、富水性差、透水能力弱。卵石层水量较大、富水性中等、透水性强，渗透系数可达120~160 m/d。基坑开挖期前采用管井降水等措施使地下水位降于基坑底部以下一定深度处。

1.3 卵石颗粒级配

③93卵石为杂色，含漂石，所取试样中最大粒径可达20 cm，其中卵石占土样的67.1%，圆砾占土样的14.5%，砂占土样的17%，土颗粒含量为1.4%；粗筛粒径大于20 mm的颗粒质量约为总质量的65%~70%，卵石呈亚圆形。根据提取现场得到的卵石土样进行室内颗粒粒径筛分试验，得到卵石土的土颗粒粒径分布曲线，如图2所示。

根据颗粒分析试验可知，粗筛后卵石粒径主要集中在20~40 mm之间，约占总试样的36.1%；填充物为中砂、细砂、圆砾及少量黏土构成。经细筛可知粒径主要分布在0.25~0.5 mm之间，占总试样32.4%~43.9%。不均匀系数u=109.5~160，曲率系数c=11.79~20.3，属于级配不良卵石层。由于缺少细颗粒，卵石层的自稳能力较差，容易引起侧壁乃至基坑坍塌。

表1 土层物理力学指标

图2 卵石颗粒分布曲线

2 级配不良卵石深基坑支护结构变形规律研究

2.1 离散元数值模型

采用PFC2D颗粒离散元软件模拟基坑开挖过程，模型由颗粒和墙体组成，颗粒用于模拟包括不同地层、桩和内支撑等，墙体用于模拟边界条件。为了更接近于实际土的特性，颗粒半径从min到max之间变化，并随机生成于模型空间内。级配程度通过调整颗粒粒径比max/min和不同粒径范围的体积份数(volumefraction)的方法实现。基坑开挖前已通过管井降水等措施将地下水位降至基坑坑底以下，施工过程中不再考虑地下水的影响。由于卵石级配较差，缺少细颗粒，故采用粒径较为单一的粗颗粒模拟级配不良的中密卵石地层；素填土和杂填土物理力学参数相近，为便于建模，视为同一土层，密度取较大值。

卵石土几乎没有黏聚力和抗拉破坏强度，颗粒接触采用线性模型；其他土层均存在一定的黏聚力和抗拉强度，故采用平行黏结接触模型[8−10](为了简化，标定时平行黏结刚度数值取为对应颗粒刚度的一半)。土体细观参数取值采用三轴数值试验或者直剪试验的方法进行标定，标定流程参考HUANG 等[9−10]的研究成果，本工程中土层颗粒细观参数标定结果如表2。

模型取标准段基坑平均宽度22 m，开挖深度取20 m。再根据地质条件和基坑的对称性，取半个基坑建立模型尺寸为60 m×50 m，共计19 859个颗粒，建立数值模型如图3。

基坑开挖前先施作大直径钻孔灌注桩，桩径Φ=1 000 mm，桩间距=1 200 mm，采用C35混凝土浇筑，嵌入深度取为10 m。内支撑设计参数为，第1道内支撑采用800 mm×900 mm的C30砼支撑，横向间距6.0 m；第2、3和4道内支撑均采用Φ609，=16 mm的Q235型钢支撑，横向间距3.0 m。建模时使用clump和cluster命令连接形成内支撑的整体结构，内支撑第一个颗粒与围护桩不产生相对位移，使用clump命令将内支撑和相应位置桩颗粒进行连接。桩和内支撑细观颗粒参数依据等效刚度原则进行标定[10]，标定结果见表3，开挖后的模型如图4。

表2 土层细观参数

表3 支护细观参数

注：，和分别为颗粒半径、法向刚度和切向刚度；pb_k和pb_k分别为平行黏结法向刚度、切向刚度

图3 深基坑模型

图4 开挖后数值模型图

2.2 插入比对地表沉降的影响规律

桩的插入比定义为桩的嵌入深度与基坑开挖深度的比值，它是评价桩体设计经济性的重要指标。类似一般砂卵石地质条件的深基坑围护桩插入比的通常为0.30~0.60[11−13]。结合本工程中密卵石级配不良的特殊性，设计拟选择0.26，0.30，0.34，0.38，0.42，0.46，0.50，0.54，0.58和0.62共计10组插入比，以确定插入比的合理选择范围。在数值模拟中，通过控制围护桩的嵌入深度来改变插入比，详细对应关系如表4。根据模拟结果并绘制出最大地表沉降量—插入比曲线如图5。

表4 嵌入深度与插入比对应关系

图5 卵石地层围护桩插入比对地表最大沉降的影响

由图5可知，地表最大沉降量随着插入比的增大而逐渐减小。根据减小速率的不同可以分为3个阶段：1) 线性下降阶段，在插入比为0.26~0.38时，地表最大沉降量随着插入比的增大呈线性下降趋势，当插入比大于约0.38时，地表最大沉降量小于0.1%(基坑深度)，地表沉降量相对安全；2) 曲线下降阶段，插入比为0.38~0.58时，地表最大沉降量随着插入比的增大下降速率逐渐减缓；3) 平稳阶段，插入比大于0.58时，随着插入比的增大，地表最大沉降量逐渐趋于平缓，在这一阶段，通过增加围护桩的嵌入深度，对减少地表沉降的作用越来越小。以上变化规律与李淑等[12, 14]的统计结果相似，但阶段临界值因受级配和密实度的不同而有所不同。

根据以上结果，结合洛阳地铁1号线的实际插入比选取结果(表5)，可以得出，插入比的选择不宜小于0.38，这是出于安全的考虑；同时，也不应盲目增大嵌入深度，特别是当插入比大于0.58时，增大嵌入深度对减小地面沉降的效果不理想，且造价相对较高，不符合经济性的要求，因此，插入比的最佳选择范围为0.38~0.58。

表5 洛阳地铁1号线中密卵石基坑插入比选择

2.3 内撑支护对桩侧位移的影响效果分析

《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012)规定，基坑开挖过程中，基坑围护桩的最大侧向位移不得超过0.2%基坑深度(一级基坑)且不得超过30 mm[15]，以此作为判断基坑开挖的安全性的依据。当围护桩最大侧向收敛位移大于该临界值时，应在到达该开挖深度前进行加撑。以开挖深度间隔2.5 m为例，根据围护桩最大侧向收敛位移与0.2%基坑深度和最大限值30 mm的关系适时加撑，直至开挖完成，在每级开挖深度下，绘制出相应的桩体侧向位移随深度的变化曲线如图6所示。

从图6可以得出：1) 在级配不良中密卵石层的地质条件下，保证深度为20 m的基坑安全开挖所需要的最小横支撑道数为4道，各级支撑的深度间隔以5 m为宜(实际工程中可取对应深度以下约0.5 m处)；2) 及时地架设横支撑，可以有效的减小围护桩的最大侧向位移，减小幅度35%~80%不等，该数值随着已有的横支撑数增加而增大，说明增加横支撑数量对于减少桩侧位移的作用十分显著；3)在无横撑的情况下，桩体侧向位移在基坑顶部最大；采用横撑后，桩体侧向位移呈弓形分布。根据图6分析结果，内撑的合理架设方案见表6。

根据表6和图6，可以得出：1) 相同支撑条件下，随着开挖深度增加，围护桩最大侧向位移增大，但位移的增加量与相应深度土层的物理力学指标有关。如2道内撑的7.5 m与10 m深度位置和3道内撑的12.5 m和15 m深度位置，其侧向位移增加量均超过6 mm，但同是4道内撑的17.5 m和20 m深度位置，最大位移增加量仅为2.11 mm，这是由于相应深度土层由弹性模量较小的黏土向弹性模量较大的卵石层过渡；2) 在有内撑的情况下，桩体最大侧向位移的发生位置在0.5~0.7(开挖深度)处，因此，可以针对性的加强该深度范围内的侧向位移监测以判断深基坑开挖的安全性。

(a) 第1和2道支撑架设时机分析；(b) 第3和4道支撑架设时机分析

表6 深基坑横支撑架设稳定性分析表

考虑到实际工程的施工可行性，合理的开挖和架设内撑流程为：在开挖到对应内支撑架设深度时，先架设内支撑，再继续往下开挖，这样可以进一步增强内支撑对基坑的变形控制作用，也利于合理安全施工。

2.4 内撑支护对地表沉降的影响效果分析

根据表6的钢支撑架设时机和架设位置，统计并绘制相应位置在加撑前后的地表沉降曲线图，见图7。

图7 各级开挖加撑前后地表沉降曲线

根据各级开挖深度在架设新内撑前后的沉降曲线，可以统计得到相应工况下的最大地表沉降量及其发生位置，见表7。

坑内土体的开挖卸荷引起围护结构内外侧土压力不平衡，围护结构将发生向坑内的水平位移，从上述统计可以看出：1) 随着开挖深度增加，地表沉降量逐渐增大，地表沉降曲线呈凹槽形；2) 对比相同开挖深度在架设新内撑前后的沉降曲线，可以看出内撑的架设可以减少地表沉降量，通过架设内支撑的方式可以一定程度地控制地表沉降。但多道内支撑的架设对控制地面沉降作用存在上限，第1道内撑的减少幅度约为30%，随着已有支撑道数的增加，新支撑的架设对于减少地表沉降的作用显著降低，因此通过增加过多的内支撑道数来控制地表沉降的措施显然不可靠；3) 地面沉降量最大值并非发生在基坑坑壁处，而是在离坑壁一定距离处。在无内撑的情况下，最大沉降发生在离坑壁2~4 m处，有内撑的情况下，最大沉降发生在离坑壁4~6 m处，说明内撑的存在使最大沉降点略往远离坑壁的方向发展。

表7 各开挖深度下架设新内撑前后沉降对比

3 实测与数值模拟结果对比分析

3.1 围护桩侧向位移

现场测试选在洛阳地铁1号线某车站，基坑深度19.61 m，设计了共4道内支撑。将基坑开挖、施作内支撑到开挖完成得到的实测数据与理论模拟的数据统计如图8所示。

由图8可知：1) 在各种开挖深度下，桩侧位移值的数值模拟解和现场实测值拟合程度较好，最大差值仅1.91 mm，说明使用数值模拟进行基坑内支撑结构的设计是合理的；2) 数值模拟和实测所得桩侧位移均呈两端小，中间大的“弓形”分布，最大值出现在约0.65~0.7处；3) 桩侧最大位移为11.52 mm，小于0.2%基坑深度且小于30 mm，说明内支撑的多道支撑在深基坑的开挖过程中可以有效地稳定周围土体。

图8 各开挖深度桩侧向位移理论与实测对比

3.2 地表沉降规律

将基坑开挖完成后现场测点得到的沉降值与数值模拟值进行比较，见表8所示。

由表8知基坑开挖完成后，距基坑侧壁分别为5，10，15和20 m处的地表沉降现场实测值比数值模拟值偏小，最大误差约10%，说明了通过数值模拟可以较好地反映出现场实际的地表变形情况。因为施工过程中采用了先加撑再开挖这样的开挖顺序，通过数值模拟得出的最终地表沉降量比图7的数值小，更偏于安全，利于施工。

表8 地表沉降对比

4 结论

1) 围护桩插入比对地表沉降的影响分为3个阶段；级配不良中密卵石地层的合理插入比范围为0.38~0.58。

2) 多道内撑的架设可以显著地减少围护桩的侧向位移，稳定基坑侧壁。围护桩侧向位移呈“弓形”分布，最大侧向位移的发生位置约在0.65~0.7开挖深度处。

3) 架设多道内撑可以在一定程度上减少地表沉降量。基坑周围10 m内沉降最为明显。内撑结构使得最大沉降发生点略微向远离坑壁处发展。采用内支撑过多，并不能有效地控制地面沉降，反而增加了施工工序和成本。

以上研究成果基于基坑的变形规律对支护结构进行设计，保证了卵石基坑开挖的安全性。通过控制桩的插入比和内撑的合理支护时机，可以有效的控制地表及支护的位移发展。成果可为类似卵石层分布地区的深基坑开挖工程提供参考。

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Study on deformation rules of earth’s surface and support structure for deep foundation pit in bad gradation pebble stratum

WANG Mingnian1, 2, ZENG Zhengqiang1, 2, ZHAO Yinting1, 2, LIU Dagang1, 2, WU Shengzhi1, 2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The particle discrete element software PFC2Dis used to establish the numerical analysis model of the deep foundation pit supporting structure in bad gradation pebble stratum to study the surface subsidence and the deformation rules of support structure based on the deep foundation pit construction in Luoyang Metro Line 1. The results show that, there are three developing stages in the influence of the insertion ratio of the retaining structure on the surface subsidence. And the insertion ratio for middle-dense pebble foundation pit with poor gradation is 0.38~0.58. By analysis of the law of deformation, the conclusion of the different effects of internal braces on lateral displacement and surface deformation of retaining structures is obtained. Finally, by comparison of the theoretical and measured data, the reliability of internal support design and insertion ratio selection in mediate-dense pebble foundation pit with bad gradation is demonstrated. The research results provide a certain reference value for the construction of deep foundation pit in the similar pebble stratum.

pebble foundation pit; deformation rules; insertion ratio; supporting time; bad gradation

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.03.012

U231.3

A

1672 − 7029(2019)03 − 0646 − 08

2018−04−16

国家自然科学基金资助项目(51578458)

刘大刚(1979－)，男，辽宁黑山人，副教授，博士，从事地下工程的教学与科研工作；E−mail：82384975@qq.com

(编辑 涂鹏)