深长基坑绿色装配式边坡支护技术应用研究*

范立成,黄 贵,莫 凡,林细桃,程海林,徐前卫,韩宇峰,彭伯伦,麻国躍

(1.中国建筑第八工程局有限公司南方公司,广东 深圳 518038;2.同济大学交通运输工程学院,上海 201804)

0 引言

随着城市现代化进展加速,地下空间开发利用逐步向大规模、大深度、功能复杂的方向发展。由于地下环境错综复杂,安全风险大,需保证基坑稳定性、控制变形、防水防渗等,防止发生坍塌、渗漏、沉降等事故。目前许多学者研究深大基坑边坡及边坡支护的受力变形特性,在不良地质地区边坡稳定性受到特别关注。章瑞环等[1]、苏永华等[2]采用了理论分析方法分别对黄土与强降水下边坡稳定性进行分析;叶帅华等[3]、李元松等[4]给出了一般情况下边坡稳定性评价,指出未来发展趋势;针对膨胀土地层,徐永福等[5]、莫凡等[6]分别利用理论分析与现场监测方法得到了适用于膨胀土边坡稳定分析方法,并说明了装配式防护体系能有效应用于膨胀土地层中。装配式防护体系具有绿色高效特点,汪学清等[7]、莫凡等[6]、宋向荣等[8]、张鹏等[9]、孙涛等[10]分别采用理论分析、现场监测、室内试验、现场试验方法,分析不同材料、工艺、刚度面层的受力变形规律,并评价了装配式面层支护效果。

上述研究为不良地质条件下边坡稳定提供了一些经验借鉴,但目前针对边坡支护特性的研究还不够深入,尤其是针对绿色装配式边坡的研究还不多见。本文依托南宁国际空港深大基坑工程,通过数值模拟方法,结合现场实测,深入分析绿色装配式边坡稳定性及面层受力变形特性,为边坡防护设计与施工服务。

1 工程概况

1.1 项目概况

南宁国际空港综合交通枢纽工程位于南宁市吴圩机场T2航站楼前,距离南宁市区约30km,是集铁路、公路长途、城市轨道交通、城市公交、出租车及社会停车等功能于一体的大型综合交通枢纽,枢纽基坑场区具有占地面积大、范围广、深度大特点。

如图1所示,枢纽基坑分为2层开挖,全部采用明挖法施工。地下1层长边坡采用锚杆结合绿色装配式面层支护,以盆式开挖,分两级台阶,台阶坡率为1∶1.5,边坡面采用绿色装配式GFR面层支护,如图2所示。地下2层深基坑采用桩锚支护体系,桩间采用绿色装配式面层支护,支护桩径1.0m,桩间距1.5m。

图1 基坑横剖面

图2 基坑顶部边坡装配式面层铺设效果

1.2 工程地质与水文地质

根据地质勘察资料,场区内所揭露地层地质条件较复杂。如图3所示,基坑开挖所揭露的地层自上而下分别为杂填土、粉质黏土、黏土、角砾土、白云质灰岩。白云质灰岩岩体较完整,属于硬质岩,岩溶发育,白云质灰岩内部溶洞被黏土充填。

图3 工程地质剖面

南宁地区雨水丰富,地表集中径流不发育,本项目地下工程大部分敞开施工或地下工程埋深较浅,地表水易通过集中下渗补给地下水,对局部地下水水位有一定抬升作用。场区内存在岩溶区段,施工中易产生涌水现象。地下水划分为第四系土层孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水3种类型。

2 模型介绍

2.1 计算模型

计算通过对长大基坑分层开挖历程进行模拟,以实现对绿色装配式围护结构体系力学特性分析。计算模型如图4所示,模型长128m、宽6m、高44m。地下1层长边坡宽15.21m、高9.14m,坡率为 1∶1.5, 锚杆长度2m,间距2m;地下2层深基坑高9m,冠梁尺寸为1m×1m,灌注桩长14m、直径1m、间距1.5m,上层锚索自由段长度Lf=7m、锚固段长度Lm=13m,下层锚索自由段长度Lf=6.5m、锚固段长度Lm=6m。边界条件除底面全部约束外,其余侧面均施加法向约束,顶部为自由面。

图4 有限元模型(单位:m)

施工阶段按实际施工过程设置,模拟基坑支护开挖全过程。施工中采用分层分区开挖方案,按深度方向共分为2层,地下1层采用盆式开挖,开挖1块区域后立即支护;地下2层在围护桩支护条件下开挖,并随开挖分块,逐步激活装配式面层。

2.2 参数选取

地层采用修正Mohr-Coulomb三维实体单元模拟,灌注桩采用弹性梁单元模拟,GRF面层、底板采用弹性板单元模拟,锚杆、锚索采用弹性植入式桁架单元模拟。

各土层物理力学参数如表1所示,根据地质勘察报告,取弹性模量与压缩模量相同,剪胀角取0°。各结构单元参数如表2所示。

表1 土层物理力学参数

表2 结构单元参数

3 模拟结果

3.1 边坡体受力变形

坡体沉降最大值为9.19mm,出现在边坡坡顶,在施工控制范围内,边坡处于安全状态。沉降值随施工阶段变化如图5所示,随着地下1层与地下2层的开挖,坡顶整体呈阶梯式沉降趋势。由沉降贡献值柱状图可知,盆式开挖1、开挖2-7、开挖2-8、开挖3-2、开挖3-3对坡顶沉降影响最大。盆式开挖1为大量土方开挖施工步,其余施工步均为开挖深部土体。这说明一次开挖大量土体与开挖深部土体对坡体沉降影响更严重,当施工进行到深部区域时,需对坡体加强监测与保护。

图5 坡顶沉降曲线

开挖完成后坡体侧向变形如图6所示。由图6可知,边坡位移近似呈层状分布,边坡面自上至下侧向变形不断增大,边坡存在向侧向滑移趋势,侧向变形最大值为19.2mm,出现在边坡面第7层锚杆处;地下2层桩锚支护体系位移规律与悬臂梁相似,由桩底向桩顶位移不断增大,最大位移出现在桩顶位置。

图6 坡体侧向变形(单位:mm)

边坡面在无支护开挖与有支护开挖工况下沉降如图7所示,装配式面层支护开挖工况下坡顶最大沉降为9.19mm,无支护开挖工况下坡顶最大沉降达25.63mm,无支护工况超出控制标准。因此,需对边坡进行支护。

图7 边坡面开挖沉降(单位:mm)

边坡面在有支护与无支护工况下土体等效塑性应变区域如图8所示。有支护工况下边坡体等效塑性应变未贯通至地表,这说明此时坡体安全;在无支护工况下,坡体等效塑性应变贯通至地表,此时坡体可能出现整体滑移,等效塑性应变较大区域即为边坡可能出现整体滑移的滑移面。由图8可知,在地下1层基坑下方存在软弱夹层,软弱夹层处等效塑性应变也达到较大值,这表明土层自身性质是影响边坡稳定性的重要因素,这说明对软弱地层的堪察是保证施工安全的必要手段。

图8 坡体等效塑性应变对比

锚杆轴力分布如图9所示。顶部与底部锚杆轴力分布变化较均匀,这表明顶部、底部锚杆支护效果差,两种现象分别对应不同原因。顶部锚杆安置深度较浅,此处岩土体位移积累较小,无法充分发挥锚杆性能;底部锚杆长度较短,锚固段未伸入深部稳定地层内,锚杆整体处于滑坡体内,因此减弱了锚杆主动支护效果。中部锚杆受力主要集中在锚固段端头向内1/3范围,轴力沿锚杆长度方向急剧减小后趋于稳定,这是典型锚杆受力分布特征[11],说明此处锚杆支护参数设置较合理。但注意到所有锚杆轴力均较小,模拟结果最大值为3.47kN,这表明锚杆对于支护结构受力的改善效果并不明显。实际工程中应提前探查潜在滑动面,合理设置锚杆参数。

图9 锚杆轴力分布

3.2 支护体系受力变形

面层侧向变形如图10所示,分析面层与锚杆施作后的变形情况。由于面层与土体具有相同侧向变形规律,自上而下侧向变形不断增大。由于锚杆约束,在锚杆布置点周边区域,面层侧向变形比同深度面层其他位置侧向变形略有减小。值得注意的是,面板顶端出现数值较小变形负值,这说明面板顶端出现了向坑外变形,这也印证了下方土体变形较上方土体变形更大,面层本身具有一定刚度,使面层出现了转动。

图10 面层侧向变形(单位:mm)

基坑开挖完成后面层整体侧向位移如图11所示。由图11可知,面层侧向位移明显呈现层状分布,自上至下侧向位移不断增大,面层顶部为最小位移,为11.1mm,面层最大侧向位移同样出现在第7层锚杆位置,为18.9mm,由于开挖土方量大,面层整体均出现了向基侧内部方向的位移。基坑开挖完成后,在第2层放坡开挖区域,面层侧向位移沿深度方向呈先增大再减小趋势,呈现了类似于“鼓肚子”的变形特点。

图11 面层整体侧向位移(单位:mm)

基坑开挖完成后面层最大主应力如图12所示。由图12可知,面层第7层锚杆位置最大主应力最大,为256.3kPa。在面层最底端同样出现了较大最大主应力,由于坑底施作底板,导致此处面层受到底板约束应力值增大。注意到在第1层放坡开挖区域最大主应力为-62.83kPa,最大主应力为负值,这表明该区域面层受压,可能原因是面层本身具有一定刚度,且由于面层侧向位移具有层状分布,面层整体会发生转动,导致上层面层模拟结果出现压应力。

图12 面层最大主应力(单位:kPa)

3.3 装配式面层受力变形

面层第7层锚杆处出现了最大侧向位移及最大主应力最大值。第7层锚杆位置沿面层水平方向最大主应力分布如图13所示。随着开挖施工步进行,面层最大主应力沿水平方向分布规律基本保持不变,且随着开挖深度增大,面层最大主应力也不断增大,最大值均出现在面层边缘位置。沿着水平方向,注意到最大主应力分布并不均匀。在面层中部及距离中部两侧2m位置存在最大主应力极小值点。模型此处设置预应力锚杆,这说明锚杆与面层协同作用,能将面层所受荷载一部分经由锚杆传递至土层中,进而减小面层受力。并且注意到在锚杆周围一定区域的面层最大主应力均维持在一个相对平稳区间内,超出锚杆作用区域之外的面层受力急剧增大。这说明锚杆具有一定控制作用,超出锚杆控制范围的面层受力需额外关注。

图13 第7层锚杆位置面层最大主应力 (单位:kPa)

面层中部最大主应力沿深度方向分布如图14所示,完成开挖后施作面层与锚杆。随着开挖深度增大,面层中部最大主应力也不断增大,沿深度方向逐渐由受压转为受拉,施工步22之前,面层明显在14m深度位置存在极大值,11m深度位置在各施工步的面层受力均有所减小,因为此处土层性质改变,这表明土层性质是边坡稳定的重要影响因素。17m深度位置面层最大主应力较16,18m深度位置大,此处由于16,18m深度位置设置锚杆,将面层一部分荷载由锚杆传递至土层,且随着开挖土量增大,锚杆作用效果越明显,但最终会保持稳定。在面层最底部由于受到约束,最大主应力达最大值,需对最底部面层进行加固。

图14 面层中部最大主应力(单位:kPa)

边坡坡面中部节点在不同施工步下侧向位移如图15所示。由图15可知,在施工步9,11时,由于开挖土层较浅,坡面侧向位移维持在较低水平,且到达一定深度后侧向位移不再增长;随着开挖深度增大,侧向位移沿深度方向出现了先增大再减小趋势,呈现了类似于“鼓肚子”的变形特点。这也说明了面层对坡体侧向位移具有抑制作用,并且随开挖深度增大,支护效果不断增强。但为得到面层更普遍规律,应在地层属性相对稳定情况下,破除地层属性对滑移面、土体变形的影响,更能分析锚杆与面层配合支护的效果。

图15 面层中部节点侧向位移(单位:mm)

4 实测数据分析

4.1 地面沉降监测

本工程设置了地面沉降监测,截取最接近地面沉降监测点D369的10128号节点。时间历程下的地表沉降变化曲线如图16所示,模拟沉降值随开挖历程呈阶梯式下降规律,开挖深部土体时地面沉降加速,10128号节点最终沉降值为5.99mm;监测点因受其他施工活动扰动,监测值波动较大,在开挖基坑深部土体时出现了与数值模拟相同的沉降规律,D369号监测点最终沉降值为6.59mm。

图16 地表沉降变化曲线

4.2 围护桩水平位移监测

围护桩水平位移沿深度方向变化曲线如图17所示,监测最大值为7.83mm,模拟最大值为16.08mm,最大值均出现在桩顶位置,桩水平位移沿深度方向变形不断减小,围护桩侧向变形与深度未呈线性相关,埋深5m作为分界点,深度5m以上围护桩侧向变形分布均匀,稳定在较大水平;深度5m以下变形值迅速减小,模拟与监测具有相同规律,这表明桩体深度5m以上位置需额外关注,加强监测与防护,避免水平位移超过限值。

图17 桩体水平位移变化曲线

5 结语

1)一次开挖大量土体与开挖深部土体对坡体影响严重,当施工进行到深部区域时,需加强监测与保护。

2)土层自身性质是影响边坡稳定性的重要因素,软弱地层探查是保证施工安全的必要手段。

3)锚杆能将面层所受荷载一部分经由锚杆传递至土层,进而减小面层变形与受力。但具有一定控制范围,超出锚杆控制范围的面层受力需额外关注。

4)面层侧向位移沿深度方向出现了先增大再减小趋势,呈现了类似于“鼓肚子”变形特点。