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2024 , Vol. 41 >Issue 10: 133 - 139

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240025

岩土工程

超深基坑吊脚桩局部稳定性分析

  • 孙昌利 , 1, 2 ,
  • 陈富强 1, 2 ,
  • 李支令 3 ,
  • 贾恺 , 1, 2
展开
  • 1 广东省水利水电科学研究院, 广州 510635
  • 2 广东省岩土工程技术研究中心, 广州 510635
  • 3 广东省水利电力勘测设计研究院有限公司, 广州 510635
贾 恺(1985-),男,山西晋城人,高级工程师,博士,从事岩土工程方面的研究。E-mail:

孙昌利(1983-),男,江苏盐城人,高级工程师,硕士,从事基坑边坡、地下水渗流等研究工作。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2024-01-08

  修回日期: 2024-03-25

  网络出版日期: 2024-10-25

基金资助

国家自然科学基金项目(52078143)

收起

Local Stability of End-suspended Piles in Ultra-deep Foundation Pits

  • SUN Chang-li , 1, 2 ,
  • CHEN Fu-qiang 1, 2 ,
  • LI Zhi-ling 3 ,
  • JIA Kai , 1, 2
Expand
  • 1 Guangdong Institute of Water Resources and Hydropower Research, Guangzhou 510635, China
  • 2 Technical Research Center of Geotechnical Engineering of Guangdong Province,Guangzhou 510635, China
  • 3 Guangdong Hydropower Planning & Design Insitute, Guangzhou 510635, China

Received date: 2024-01-08

  Revised date: 2024-03-25

  Online published: 2024-10-25

Fold

摘要

目前基坑设计中对于吊脚桩预留岩肩的宽度和支护桩的嵌固深度取值大多从对上部支护结构内力及变形的影响角度出发,往往忽略了支护结构底部附近的局部稳定性问题。依托珠江三角洲水资源配置工程超深竖井项目,提出了外倾结构面下或破碎岩体吊脚桩基坑可能存在的3种破坏模式,采用极限平衡法分别给出了不同破坏模式下稳定安全系数的计算方法。同时针对不同破坏模式下,影响稳定安全系数的参数如岩层的埋深、结构面的倾角和力学参数、岩肩宽度、岩肩深度等进行了分析,结果表明外倾结构面倾角、结构面或岩体的力学参数对稳定安全系数影响较大。研究成果可为类似工程提供参考。

关键词： 深基坑; 竖井; 吊脚桩; 结构面; 极限平衡法; 安全系数

本文引用格式

孙昌利 , 陈富强 , 李支令 , 贾恺 . 超深基坑吊脚桩局部稳定性分析[J]. 长江科学院院报, 2024 , 41(10) : 133 -139 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240025

Abstract

At present, the reserved rock shoulder width of end-suspended piles and the embedded depth of support piles in foundation pits are mostly determined from the impact on internal forces and deformations of the upper support structure. This approach often overlooks the local stability issues near the bottom of the support structure. Based on the ultra-deep shaft project of the Pearl River Delta Water Resources Allocation Project, we identified three potential failure modes for end-suspended pile foundation pits with inclined structural planes or fractured rock masses. We employed the limit equilibrium method to calculate the stability safety factor and analyze the impact of various parameters on the safety factor under different failure modes, such as rock layer burial depth, mechanical properties of structural planes, rock shoulder width, and rock shoulder depth. Our findings reveal that the inclination angle of outward-dipping structural planes and the mechanical properties of structural planes or rock masses significantly affect the stability safety factor. This study offers valuable insights for similar projects.

Key words： deep foundation pit; vertical shaft; end-suspended pile; structural plane; limit equilibrium method; safety factor

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0 引言

近年来随着城市的发展,出现越来越多的深基坑工程,如广州地区地铁线路下穿已建轨道,其埋深往往>30 m,因此工作井基坑也在变深。在广东、福建等地区的深基坑常开挖至中风化或微风化岩,因此在基坑开挖深度范围内会形成土岩二元地层结构,如果像常规基坑设计一样,支护结构的桩底嵌固到坑底以下,在遇到较硬岩的时候,支护桩(墙)成桩(墙)非常困难,不仅影响工期且经济成本很高,此时基坑设计可考虑采取吊脚桩方案,即基坑的支护桩在开挖面以上[1-2]。如广州地铁琶洲地铁区间隧道采用明挖,未预留岩肩,桩端为中风化泥岩[3];深圳观澜河调蓄池深基坑靠近山体,基岩埋深浅,基坑采用吊脚桩,桩端为中风化砂岩[4];深圳地铁5号线大学城站基坑桩端为微风化花岗岩[5]。
目前针对吊脚桩的设计理论尚不够成熟,相关规范中也没有对吊脚桩基坑提出相关的理论和设计方法。吊脚桩基坑一旦设计或施工不当,同样会引发一定的险情,如徐州一个开挖16 m的吊脚桩基坑周边突发地表沉降,经基坑回填和增加侧向锚杆抢险后才恢复稳定[6]。
国内的学者多采用数值方法研究吊脚桩支护结构上部支护桩的内力和变形,其影响因素包括嵌固深度、岩肩宽度、岩体的力学性质、锚索预加力等[7⇓⇓-10],有学者通过灰色关联法选取影响因子研究上述变量对支护结构的影响程度[11],还有学者提出在水平力作用下嵌岩桩的嵌固深度计算方法等[12]。目前基坑设计中对于吊脚桩预留岩肩的宽度和支护桩的嵌固深度的研究大多从对上部支护结构内力及变形的影响角度出发,或者考虑上部支护结构“抗踢脚”稳定安全[13⇓-15],往往忽略了支护结构底部的局部稳定性问题。
目前应用较多的吊脚桩基坑设计方法是将岩面以上垂直支护结构与岩面以下分开设计。岩面以上桩端有一定的嵌固深度,可采用常规基坑设计的弹性地基梁法,并考虑锁脚锚索的作用;岩面以下一般将上部土体作为超载对岩体稳定性进行验算。但岩土交界面处的设计问题如对于不用的岩性吊脚桩能否均适用,支护桩入岩深度以及岩肩预留宽度如何合理取值等往往被大家忽略。
对于深度较大的基坑,在整个支护结构的自重下支护结构端部会产生较大压力,存在如下问题:在桩(墙)端压力作用下桩(墙)底岩体的局部稳定性是否满足要求?需要预留多宽的岩肩?不同的岩体地质条件下对稳定有多大的影响?本文将从多个因素讨论桩(墙)底岩体局部稳定性问题。

1 吊脚桩局部稳定破坏模式

吊脚桩基坑内侧土体被开挖,在保留有限岩肩宽度的情况下,被动区承担的抗力极为有限,有可能沿下卧基岩或墙底结构面发生滑动破坏。边坡规范中一般采用极限平衡法计算岩质边坡稳定安全系数,如果岩体破碎则采用圆弧滑动法;如果边坡岩体有外倾结构面,边坡岩体按结构面滑动破坏计算。吊脚桩局部稳定问题属于岩体边坡稳定,这里借鉴极限平衡法分析其破坏问题,可能存在3种破坏模式。

1.1 沿下卧基岩结构面发生滑动破坏(破坏模式1)

在开挖到岩层之前,上部支护结构是安全的,因此认为桩的水平力由支撑或内衬墙来承担,同时偏安全考虑,忽略支护结构自身的抗剪作用。在此情况下分析桩端岩体的局部稳定性。
此破坏模式是由于支护结构底部岩层的开挖导致沿下卧基岩结构面发生滑动,假设结构面为平面,顺坡方向,取滑动岩体作为受力单元,计算简图如图1所示,B1为滑裂面宽度,B2为支护结构宽度,L1为支护结构在土层中的埋深,L2为滑动体在岩层中的深度,H为支护结构入岩深度,b为岩肩宽度,P1为上覆土层自重,P2为上支护结构底部压力,θ为锚索与水平面的夹角,G为滑动岩体自重,β为结构面倾角, T为锁脚锚索轴向拉力设计值,S为由黏聚力在滑动面上产生的抗力。
图1 沿下卧基岩结构面滑动破坏示意图

Fig.1 Schematic diagram of sliding failure along the underlying bedrock structural plane

按刚体极限平衡理论,破坏模式1滑动稳定安全系数K1计算公式为
K 1 = ( M c o s β + T c o s θ s i n β ) t a n φ + c L M s i n β - T c o s θ c o s β 。
其中,M=G+P1B1+P2B2。
式中:L为滑裂面的长度;c为结构面黏聚力;φ为结构面内摩擦角。
式(1)中墙底压力P2与结构自重G0、墙体侧阻力Q及锚索轴向拉力T有关,计算公式为
P 2 = G 0 - Q + T s i n θ 　 。
墙体侧阻力Q为墙体与接触岩土体的摩擦力,因为基坑在开挖过程中会产生向坑内的位移,这里不能简单沿用规范[16]中桩周极限侧阻力乘以桩周长公式计算,本文按式(3)计算。
Q = E a f 　 。
式中:Ea为主动土压力;f为桩土摩擦系数,f=tanδ,δ为土体对桩的摩擦角,当墙后土体与墙体位移较小时,δ可取(0.67~1.0)φ,位移越小,系数取值越大。
墙后土体发生沉降可能引起桩侧负摩阻力,应考虑负摩阻力引起的下拉荷载 Q g n,此时式(2)变为式(4), Q g n计算方法可参考相关规范[16]。
P 2 = G 0 - Q + T s i n θ + Q g n 　 。

1.2 沿墙底结构面发生滑动破坏(破坏模式2)

该破坏模式假定连续墙施工切断了岩层,垂直段沿连续墙外侧面,滑动面沿墙底某一深度发生。计算简图如图2所示,B为支护结构宽度,支护结构底部的压力P2作为附加荷载作用在岩面上,岩体产生的侧向压力作用于垂直面上,在墙底压力和侧向土压力作用下发生沿结构面的破坏,连续墙嵌固深度及锚索力影响墙底压力P2的大小,岩肩宽度b影响滑动面的大小。破坏模式2抗滑稳定安全系数K2为
K 2 = ( G + P 2 B + P a s i n β ) c o s β t a n φ + c L ( G + P 2 B ) s i n β + P a c o s β 　 。
式中Pa为考虑锚索水平方向分力后沿基坑方向的剩余侧向土压力。Pa=Ea-Tcosθ,当Pa<0时,不考虑Pa作用力。
图2 沿桩(墙)底结构面滑动破坏示意图

Fig.2 Schematic diagram of sliding failure along the structural surface of the wall bottom

1.3 沿墙底发生圆弧滑动(破坏模式3)

基坑在开挖过程中,岩石爆破或机械振动会导致岩肩产生不同程度的破碎,如破碎程度较大时,岩体的整体性会明显降低,墙底岩体局部稳定可按圆弧滑动法计算,最不利滑弧面通过搜索得到,计算简图见图3,计算时桩(墙)底压力作为荷载P2作用在模型上。破坏模式3稳定安全系数 K 3计算方法见式(6)。
K 3 = ∑ ( W + P 2 ) s e c α t a n φ + c b ' s e c α ∑ ( W + P 2 ) s i n α 　 。
式中:W为土条自重;b'为土条宽度;α为土条重力线与通过此条块底面中点的半径所夹角度,P2的计算方法同1.1节。
图3 沿桩(墙)底圆弧滑动面滑动破坏示意图

Fig.3 Schematic diagram of sliding failure along the arc sliding surface of the wall bottom

2 工程实例

2.1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程输水线路总长度113.1 km,途径佛山、广州、东莞和深圳4个城市。其中主干线总长度90.3 km,沿线设两级泵站,设计总扬程108 m,输水线路为避开珠三角城市群,采用深埋形式,隧道埋深40~60 m,本工程盾构工作井(含兼作高位水池、检修排水泵房、水闸)共40座,隧道沿途经过泥岩、泥质粉砂岩、砂岩、混合岩、花岗岩等多种不同岩性岩石,工作井基坑最大深度约63 m。

2.2 支护结构形式

典型吊脚桩竖井支护结构剖面如图4所示,上部支护结构采用地下连续墙和混凝土内支撑,在连续墙墙脚位置设置两道锁脚锚索,进入中风化岩层后采用垂直开挖,设置钢筋锚杆。
图4 典型竖井剖面

Fig.4 Profile of typical vertical shaft

2.3 地质条件

根据地质钻孔披露,顺德、番禺和南沙段工作井井身下部多为不同风化程度的泥质粉砂岩、泥岩,少量花岗岩、砂砾岩;东莞、深圳段工作井井身下部多为不同风化程度的混合岩、变质砂岩以及花岗岩,沿程地质条件多变,各岩层结构面力学参数见表1。
表1 中风化岩体结构面力学参数

Table 1 Mechanical parameters of structural planes in moderately weathered rock masses

序号 岩体 天然重度/
(kN·m-3)		 黏聚力/
kPa		 摩擦角
φ/(°)
1 泥岩 25.4 20 14
2 泥质粉砂岩 25.6 50 19
3 砂岩、砾岩 26.0 80 24
4 片麻岩、花岗岩 26.8 200 35

2.4 局部稳定安全系数计算

本工程竖井上部覆盖层平均厚度约30 m,根据地质勘察成果,结构面倾角为10°~20°,计算中的结构面外倾角为15°,基岩为中风化泥岩、泥质粉砂岩、砂砾岩及花岗岩片麻岩。
按文中第1节方法,对不同高程位置的吊脚桩支护结构的局部稳定性进行计算,结果见表2,从结果可以看出,泥岩的稳定安全系数基本小于1或略高于1,故在泥岩上不适合做吊脚结构,其余基岩可以考虑采用吊脚桩,但是否适用应具体分析岩体结构面走向、强度,墙底荷载等因素,另外从不同的计算方法比较来看,沿墙底发生圆弧滑动稳定安全系数最小,这是因为发生圆弧滑动的前提是岩体较为破碎,与结构面本身无关。因此实际应用中不能简单地取3种计算方法中稳定安全系数的最小值,应根据岩层的强度、结构面状态、土方开挖方法等综合确定选用其中一种或几种方法计算。
表2 吊脚桩局部稳定性计算结果

Table 2 Calculation results of local stability of end-suspended piles

序号 岩体 稳定安全系数
沿下卧基岩
滑动K1		 沿墙底结构面
滑动K2		 沿墙底圆弧
滑动K3
1 泥岩 1.015 1.019 0.817
2 泥质粉砂岩 1.591 1.501 1.182
3 砂岩、砾岩 2.145 2.006 1.382
4 片麻岩、花岗岩 3.795 3.475 1.587

2.5 监测结果分析

支护结构水平位移与深度的关系如图5所示,支护结构竖向位移随时间的变化如图6所示。竖井开挖到设计标高后基坑监测数据显示,支护结构底部最大水平位移很小,约为4 mm,支护结构的最大竖向位移约为7 mm,该基坑岩体为片麻岩,岩体强度较高,基坑位移控制较好,墙底未发生局部稳定破坏问题。
图5 支护结构水平位移与深度关系

Fig.5 Horizontal displacement of support structure versus depth

图6 支护结构竖向位移随时间的变化

Fig.6 Vertical displacement of support structure against time

3 参数敏感度分析

3.1 沿下卧基岩结构面滑动(破坏模式1)

对于沿下卧基岩结构面滑动,连续墙的嵌岩深度主要影响其滑动面的最小深度,式(1)中需要搜索不同深度滑动面的安全系数,因此连续墙的嵌固深度不直接影响稳定安全系数,仅限制了最小滑动面深度。
影响岩体稳定安全系数的其余变量主要有岩层上部覆盖层厚度L1、结构面的倾角β和结构面的抗剪强度指标(黏聚力c、内摩擦角φ)等。通过变换其中一个或两个变量,保持其余变量不变,计算岩体稳定系数的变化情况,即对相关参数的敏感性进行分析,可将影响因素分为3类:与结构面上覆荷载有关的参数(L1)、与结构面倾角有关的参数(β)、与结构面力学特性有关的参数(c、φ)。
假设结构面倾角为20°,锚索拉力为200 kN,稳定安全系数随岩层上部覆盖层厚度L1的变化情况见图7,在不同岩体下稳定安全系数随上部覆盖层厚度的增加而减小,但变化幅度不大,说明基岩的埋深对下部岩体稳定影响有限。
图7 稳定安全系数与上部覆盖层厚度L1的关系

Fig.7 Relationship between stability factor of safety and upper overburden thickness L1

设定结构面的倾角β以5°为增量,结构面倾角范围在10°~45°之间变化,得到岩体安全系数随结构面倾角的变化情况见图8。结果表明,随着结构面倾角的增加,岩体稳定安全系数下降显著,说明结构面的倾角对稳定安全系数影响较大,同时图8显示结构面力学参数越高,下降幅度越大,影响越明显。
图8 稳定安全系数与结构面倾角β的关系

Fig.8 Relationship between stability factor of safety and structural plane inclination β

以基岩结构面的内摩擦角φ为变量,当c分别为20、50、80、100、200 kPa时,得到岩体安全系数与结构面内摩擦角的关系曲线如图9所示,岩体稳定安全系数随结构面内摩擦角的增加而增大,且内摩擦角的变化对计算结果的影响十分明显,大致呈线性增长。可以推断,在内摩擦角一定的情况下,稳定安全系数也会随黏聚力的增加而增加。
图9 稳定安全系数与结构面内摩擦角φ的关系

Fig.9 Relationship between stability factor of safety and internal friction angle φ of structural plane

综上所述,在破坏模式1下,稳定安全系数受结构面的倾角及结构面的力学参数影响较大。

3.2 沿墙底结构面滑动(破坏模式2)

岩墙底结构面滑动与岩肩的宽度及嵌固深度有关,岩肩宽度影响滑动面长度,嵌固深度主要影响墙底荷载的大小,此外稳定安全系数还与结构面的倾角有关。
假定岩肩宽度在0.5~2 m之间变化,同时设定嵌固深度为2 m,结构面倾角为15°。沿墙底结构面滑动稳定安全系数与岩肩宽度的关系如图10所示,对于砂砾岩和泥质粉砂岩,岩肩宽度对稳定安全系数影响较小,增长较为缓慢,对于花岗岩及片麻岩,随岩肩宽度增加,稳定安全系数有一定的增长。
图10 破坏模式2稳定安全系数与岩肩宽度b的关系

Fig.10 Relationship between stability factor of safety and rock shoulder width b of failure mode 2

假定嵌固深度在2~5 m之间变化,同时设定岩肩宽度为1 m,结构面倾角为15°。沿墙底结构面滑动稳定安全系数与嵌固深度的关系如图11所示,总体而言稳定安全系数均随嵌固深度的增加而增加,说明增加嵌固深度减少了墙底压力,对于改善墙底局部稳定有一定的帮助。
图11 破坏模式2稳定安全系数与嵌固深度H的关系

Fig.11 Relationship between stability factor of safety and embedment depth H of failure mode 2

综上所述,在破坏模式2下,稳定安全系数受嵌固深度的影响较大。

3.3 沿墙底发生圆弧滑动(破坏模式3)

当发生沿墙底的圆弧滑动时,假定嵌固深度为2 m,岩肩宽度与稳定安全系数关系如图12所示,曲线呈现明显的非线性关系,不同岩性下曲线的变化趋势基本一致,稳定安全系数均随岩肩宽度的增加而增加,岩肩宽度从0.5 m增加至1 m时稳定安全系数变化不大,当岩肩宽度从1 m往上增加时,稳定安全系数有明显的提高。
图12 破坏模式3稳定安全系数与岩肩宽度b的关系

Fig.12 Relationship between stability factor of safety and rock shoulder width b of failure mode 3

假定岩肩宽度固定为1 m,嵌固深度与稳定安全系数关系如图13所示,不同岩性下曲线的变化趋势基本一致,稳定安全系数均随嵌固深度的增加而增加,说明适当增加嵌固深度对改善沿圆弧滑动稳定起到明显的作用。
图13 破坏模式3稳定安全系数与嵌固深度H的关系

Fig.13 Relationship between stability factor of safety and embedment depth H of failure mode 3

综上所述,在破坏模式3下,稳定安全系数受嵌固深度的影响较大。

4 结论

(1)本文提出的超深基坑吊脚桩基坑可能存在3种局部稳定破坏模式,实际应用中应根据岩体的强度、结构面状态、土方开挖方法等综合确定选用其中一种或几种方法计算。
(2)不同岩性下吊脚桩支护结构局部稳定安全系数差异较大,本文计算珠三角水资源配置工程中不同岩性吊脚桩局部稳定性,桩底的局部稳定性与岩体的力学性质、完整性、支护结构的深度等因素有关。
(3)本文对影响结构面稳定的主要参数进行了敏感性分析,在同一种破坏模式下不同的参数对稳定安全系数敏感程度差异较大。在破坏模式1下,稳定安全系数受结构面的倾角及结构面的力学参数影响较大;在破坏模式2和破坏模式3下,稳定安全系数受嵌固深度的影响较大。

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