考虑水—岩劣化效应的深基坑开挖变形与支护结构稳定性研究

武 越

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，成都 610021)

1 概述

随着城市化进程的不断发展，地上和地下空间有效利用越来越得到重视[1-2]。尤其在我国地面资源紧缺的区域，其地下空间利用率也较高。但这些区域的工程项目所涉及的基坑工程，往往存在着深度大、周围影响因素较多、施工难度大等特点[3-5]。特别是对于地下水补给排关系复杂且岩土体水敏性较高的基坑工程，频繁降雨和地下水位变化引起的水岩-劣化效应是影响基坑开挖及支护稳定性关键因素之一，容易造成基坑坍塌、边坡失稳等工程灾害[6-8]。张婉吟[9]就紧邻地铁深基坑开挖利用有限元软件对渗流场和周围地表沉降进行模拟，将实际数据和模拟数据经行对比分析，总结了临近地铁深基坑周围地表沉降规律。胡世英[10]利用geostudio数值模拟软件对近海淤泥地层基坑工程进行模拟，分析基坑开挖后应力场、渗流场与位移变形等，总结出近海淤泥地层基坑工程变形规律。刘俊城[11]对富水砂土基坑渗水事故进行现场调研，利用实测数据分析事故原因，应用 Midas-GTS-NX软件建立有限元模型，得出隔离桩能增长渗流路径降低水力梯度，起到削弱动水力对墙体的作用。姜晓博[12]以室内试验为基础，分析推到了水—岩劣化本构模型。武坤鹏[13]以船厂基坑为依托，分析现场数据，通过数值模拟方法，研究了临水软土中钢板桩支护结构变形，得出钢板桩支护结构变形较大，应及时采取加固措施。国内外大量学者对基坑工程开展了深入研究，但大多研究集中于常规基坑工程和地下水渗流对基坑工程的影响。即便是在工程的常规设计中，也多采用的是静态浸水的饱和参数来考虑岩土体强度的衰减，较少考虑水分往复变化造成的水—岩劣化效应对深基坑开挖变形与支护稳定性的影响。

本文以西南某基坑工程为研究背景，采用现场调研、室内试验和仿真分析的手段研究了基坑岩土体在干湿循环作用下的性能演化规律，分析并预测了岩土体应力场、基坑变形、地表沉降及悬臂式围护结构受力及变形。研究成果可为水—岩劣化下深基坑开挖变形与支护结构稳定性研究提供参考依据。

2 工程概况

工程区位于四川西南某古建筑改造工程，场地原始地貌为西南地区典型的侏罗系红砂岩和砂泥岩沉积地层，区内水文地质条件复杂，地下水位变化受大气降水补给影响显著。研究选取的基坑工程开挖长50 m，宽35 m，开挖深度为15 m，现场施工情况如图1所示。基坑开挖影响区范围内主要为泥岩、砂岩和白云岩基岩地层。其中强风化砂质泥岩遇水后极易出现软化现象，宏观力学强度也会出现明显衰减。场区所处环境昼夜温差大，晴雨天交替频繁，日间温度可达38℃。基坑周边地下水位也较高。受降雨及开挖工序的影响，需长期对坑内进行降水处理。因此，基坑上部的红层泥岩会长期经受浸水和干燥的干湿循环历程。对于基坑开挖后的坑壁稳定性带来了极大的影响。为了对比分析水-岩劣化效应对基坑开挖后的稳定性影响，选取现场取得的岩样及基坑开挖后的典型剖面分别进行室内试验和数值建模计算的综合分析研究。

3 室内试验

3.1 试验准备及方案

试样取自于基坑东侧以泥质胶结为主的沙溪庙组红层泥岩，呈层状构造，偶含钙质集块。原岩结构破坏严重，风化裂隙较为发育。室内基础土工试验测得其天然含水率为6.4%，密度为2.33 g/cm3。物质成分分析表明，泥岩内部的高岭土、长石和石英的含量分别为23.2%，32.1%和20.4%，同时还含有少量伊利石、方解石等，可以看出具有较强的亲水性，容易受到地下水的扰动影响。将取回的泥岩试样采用干钻法制成H=10 cm，D=5 cm的标准圆柱体试样(控制岩样尺寸误差不大于1 mm)，将两块透水石及与截面等大的滤纸分别设置于试样的两端。将样品置于饱和箱内进行抽真空120 min后，通过胶皮软管注入蒸馏水进行饱和。待试样饱水24 h，置于70℃恒高温的烘箱内烘干24 h，整个过程视作一次干湿循环。根据现场气象水文条件，共设置3组循环工况并设置一组0次循环的对照组，最后对不同工况条件下的试样进行抗剪强度参数的室内试验分析(具体工况见表1)。此外，针对基坑场区范围内的强风化泥岩、弱风化砂岩和灰岩进行了不同含水状态下的常规土工试验(单轴抗压强度)。

表1 试验设计

3.2 试验结果分析

不同含水状态下的场区岩体单轴抗压强度如图2所示，可以看出不同种类的岩石强度均与含水率具有一定联系，并且随着含水率的增加，强度整体呈下降趋势，但其中全风化泥岩的单轴抗压强度受水的影响最为明显。随着岩样含水率的增加，灰岩的单轴抗压强度降低了5.57%，弱风化砂岩的单轴抗压强度降低了16.12%，相对而言受含水率变化影响较小。但是在饱水状态下，泥岩的力学强度下降了84.87%。因此在本工程的研究分析中，应重点考虑基坑开挖后水作用对泥岩层力学性质的影响。

图2 单轴抗压强度变化规律示意

由图3可以看出，岩样的抗剪切性能整体随干湿循环次数的增加出现衰减。特别是在早期的干湿循环过程中，抗剪性能呈现出先平缓降低后显著衰减的变化过程。主要是由于离散分布在岩体中的亲水矿物在水运移过程中无论遇水膨胀还是失水收缩，均直接引起了试样内部泥岩微单元体的损伤破坏。泥化膨胀后单元结构解体，又进一步衍生出更多微裂缝从而破坏了岩体的完整性。在多次的干湿循环作用下，试样内摩擦角随循环次数增加依次降低了4.29%，12.05%和27.23%；粘聚力降幅区间为11.45%～59.54%。这表明干湿循环作用导致岩体的抗剪强度主要依靠颗粒的滑动摩擦提供，颗粒粘结所形成的抗剪断效应显著降低。可以推测，静水浸泡和动水运移的耦合作用进一步加剧了岩体力学性能的衰减，这在多次干湿循环作用下更加显著。

图3 抗剪强度参数变化规律示意

4 数值模拟结果分析

4.1 模型建立及边界条件

本基坑工程采用悬臂式围挡进行基础支护，支护结构嵌固深度约5 m，厚度约1.8 m。根据已有工程经验，基坑开挖的影响约为开挖深度的1～2倍，宽度及长度影响范围约为开挖深度的2～3倍，基于此构建数值模型，尺寸为175 m×190 m×40 m。依据现场勘察情况进行地质条件划分，一共分为3层：第1层红层泥岩厚度约7 m；第2层砂岩厚度约4 m；第3层白云岩厚度约为29 m。以基坑开挖长度方向为模型Y轴，宽度方向为模型X轴，共划分网格数为17 490个，节点数为14 023个(如图4所示)。

图4 开挖模型网格划分示意

经现场勘探情况可知，该区域地应力以自重应力为主，计算模拟过程中对模型底面及四周施加法向位移限制，上表面为自由面。由于本次模型需重点分析基坑岩土体及支护结构变形受力情况。故地层及支护结构均采用实体单元进行建模，参数赋值见表2所示。为充分考虑地下水变化及区域气象的降雨蒸发作用，假定开挖过程中模型经历了3次深度的干湿循环过程，且岩土层参数基于室内干湿循环试验数据取值。针对不同水岩劣化程度的基坑开挖工况进行模拟分析。

表2 模型材料参数参考值

4.2 模拟结果分析

4.2.1岩土体应力场分布

1)初始地应力计算

基坑开挖区域初始地应力随土层深度增加而线性增加。提取不同地层深度处水平和竖直方向上初始应力分别绘制于图5。可以得出同一土层中当深度每增加1 m，水平和竖直方向上自重应力分别增加23.1 kPa、11.6 kPa，竖直方向上增加值为该土层土体天然重度，水平方向上和竖直方向上自重应力比值为一固定值即土体侧压力系数，设置为0.5。基坑的开挖对于土体为卸荷作用，开挖深度越深所卸荷载越多，越易导致基坑底部隆起，准确计算出初始应力才能精确判断和预测基坑应力场和变形规律，为工程项目开展提供支撑。有无地下水和不同地下水循环次数对土体自重应力、黏聚力以及内摩擦角均产生影响，无地下水导致该区域内土体自重应力、黏聚力及内摩擦角增加，循环次数越多黏聚力及内摩擦角劣化越明显，所以初始地下水条件对基坑开挖数值计算影响重大。

a 水平应力云

b 竖直应力云图5 岩土体应力云示意

2)开挖后应力场分布

建立土体在不同循环条件下悬臂式基坑开挖数值模型，图6为基坑开挖后应力场分布云图，从图中可见，在开挖后远离基坑处应力场变化不大，均分层分布，土体在悬臂式围护结构悬臂段靠近基底处出现应力集中现象，最高达562 kPa。由表3分析可知，应力集中处压应力随干湿循环次数增加而增加，最小值507 kPa，最大值562 kPa，循环0至2次时增加缓慢，循环2至3次时增长较快。该现象说明，水-岩劣化效应降低了土体强度指标(黏聚力、内摩擦角)弱化了土体抗剪强度，增加了围护结构悬臂段末端处应力，为围护结构设计提出了更高要求标准。

表3 岩土体最大压应力演化

4.2.2基坑变形特征

图7为不同循环条件下基坑形变示意，从图中可见，就同一地下水条件而言，基坑开挖后中心处竖向位移最大，距基坑中轴线距离越大竖向位移越小。不同地下水条件下基坑中同一位置处，循环次数越多竖向位移越大。未进行循环时，中心和坑底边缘处竖向位移分别为12 mm、5 mm。而在循环3次后，坑底中心处竖向位移最大为25 mm，相较于未劣化时增加了116%。该现象是由于基坑上部土体开挖卸荷后，坑底中心处应力释放最多故竖向变形较大，而地下水的存在降低了土体强度指标导致多次循环后竖向变形大于正常条件下变形。

图7 基坑形变示意

4.2.3地表沉降规律

总体上来看，靠近基坑靠近边缘及远离基坑边缘处地表沉降最小，距边缘17 m处地表沉降最大。将不同循环条件下地表沉降数值提取，地表位置作横坐标，绘制得不同循环条件下基坑外地表竖向位移变形图(见图8)。由图可见，土体沉降量随循环次数增加而增加，在距基坑边缘17 m处，循环0次后所对应竖向位移为7.5 cm，循环3次后所对应竖向位移增加了11 cm，共沉降18.5 cm。地表沉降影响范围也随循环次数增加而相应增加，在循环0次后，地表沉降5 cm处距基坑边缘5 m处，在循环3次后，地表沉降5 cm处距基坑边缘3 m处。综上，地下水—岩劣化效应不仅增加基坑外地表沉降，且扩大地表竖向沉降影响范围区域，对基坑附近人员和建筑安全产生负面影响。施工过程中应密切观测基坑外地表沉降，遇地下水等因素影响时应加大观测频率[14]。

图8 地表沉降位移示意

4.2.4支护桩受力及变形规律

将不同循环条件下基坑开挖后悬臂式围护结构内外侧竖向应力绘制于图9中，由图可见，围护结构靠近基坑内侧受压，靠近基坑外侧受拉，最大值均在坑底处，两侧基本为对称分布。在围护结构同一位置，不同循环次数所对应应力不同，循环次数愈多围护结构所受应力越大，其中最大压应力为580 kPa。在悬臂式围护结构设计中应注意水—岩劣化效应造成的结构受力增加，对薄弱处应复核计算强度保证围护结构安全不破坏。将基坑开挖后靠近基坑内侧处围护结构水平变形绘制于图10中。围护结构水平位移沿开挖深度逐渐减少，同一循环次数下围护结构最上端处最大，随循环次数增加该处水平位移增加，最大增加至3.8 cm。可以看出，水—岩劣化效应增加开挖后围护结构所受侧向土压力，导致围护结构水平位移增加，容易造成结构破坏、基坑内净空不足等不良影响。对于水—岩劣化严重的消极情况可采取基坑上部安装钢支撑措施，改造为内撑式围护结构，利用轴力平衡侧向土压力以减少水平位移和结构受力。

图9 结构受力云示意

图10 桩体位移变化示意

5 结语

本文基于室内试验及数值模拟软件，针对不同干湿循环次数下的某基坑工程进行计算分析，研究水—岩劣化效应对深基坑开挖及支护结构稳定性造成的影响规律，得出以下结论：

1)随着干湿循环次数的增加，基坑岩土体抗剪强度逐渐降低。内摩擦角衰减幅度为4.29%～27.23%，粘聚力最大衰减了59%。特别是在第三次干湿循环后，水岩劣化作用对粘聚力影响更大。

2)相较于常规基坑开挖，由于水岩劣化效应导致岩土体强度指标降低，地表最大沉降增加到18.5 cm，基坑底部隆起幅度增加了116%，约25 mm。支护侧向形变及应力集中现象均呈现不同程度的恶化，桩墙位移量最大增加了约1.5倍。可见水岩劣化效应对基坑的稳定性造成严重影响。

3)随着干湿循环次数的增加，水-岩劣化效应逐步显著。在干湿循环3次后，土体强度指标下降明显，造成地基承载力不足，基坑形变及支护结构受力的复杂性显著增加。因此，在实际工程建设中，如遇气象水文条件复杂时，应考虑水岩劣化效应的影响，及时强化支护措施并加强监测。