Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2024 , Vol. 41 >Issue 9: 130 - 137

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230504

Engineering Safety and Disaster Prevention

Deformation of Foundation Pit Retaining Piles in Footwall Zone Influenced by Normal Fault

  • NIU Yun-gang , 1 ,
  • MA Feng-hai , 1, 2 ,
  • WANG Qiong-yi 2
Expand
  • 1 School of Civil Engineering, Dalian University, Dalian 116622, China
  • 2 School of Mechanicsand Engineering, Liaoning University of Engineering and Technology, Fuxin 123000, China

Received date: 2023-05-09

  Revised date: 2023-09-12

  Online published: 2023-12-07

Fold

Abstract

To investigate the deformation characteristics of retaining piles in the footwall influenced by normal faults, a case study of a foundation pit project in Shenzhen City was conducted using a comprehensive approach that included numerical simulations and field measurements. The study examined how different fault slip amounts, dip angles, and positions affect the deformation of retaining piles in the footwall’s influence zone. Sensitivity analysis and orthogonal experiments were carried out to assess the impact of these fault parameters. Results revealed that deformation of the retaining piles decreased under the normal fault, with the center of gravity shifting downward. The upper sections of the piles experienced more significant deformation compared to the lower sections. Deformation was inversely proportional to both the fault slip amount and dip angle, and directly proportional to the distance from the fault to the foundation pit. Specifically, the maximum deformation rate, r(ΔZmax/Δ), decreased exponentially with increasing fault slip amount and dip angle, but increased logarithmically with increasing distance from the fault. Sensitivity analysis showed that dip angle had the most significant impact on the maximum deformation of the retaining piles, followed by slip amount, with the fault position having the least influence. By fitting data from 64 orthogonal experiments, a strong linear relationship was established between the maximum deformation Uhm and the index η(θ π T 180 ° S).Consequently,a predictive model for the maximum deformation of retaining piles in the footwall’s influence zone was developed, along with a corresponding predictive equation for this project. These findings offer valuable insights for deformation control in foundation pit projects located in normal fault areas with similar geological conditions.

Key words： normal fault; footwall influence zone; deformation of foundation pit retaining pile; numerical simulation; field measurement; sensitivity analysis; prediction model

Cite this article

NIU Yun-gang , MA Feng-hai , WANG Qiong-yi . Deformation of Foundation Pit Retaining Piles in Footwall Zone Influenced by Normal Fault[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024 , 41(9) : 130 -137 . DOI: 10.11988/ckyyb.20230504

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

随着城市建设不断发展,地下空间的利用广受关注。在城市工程建设中,由于特殊地质环境的存在,如活动断裂带和断层滑移等,给工程带来了严重的威胁和破坏[1⇓⇓-4]。断层滑移不仅对跨断层建筑和地下结构等工程造成破坏,而且还对其影响区内的结构工程产生极大影响[5⇓⇓⇓-9]。位于断裂带影响区的基坑工程,很容易受到断裂活动的影响,从而产生基坑围护结构的变形、底板的隆起开裂以及防渗结构设施的破坏等一系列不良后果。因此,断裂活动对其影响区内基坑工程安全具有很大的威胁性。针对这种情况,开展断裂活动对基坑围护桩变形影响的研究十分必要。
国内外学者关于基坑工程及类似工程方面已进行了研究。Mei等[10]通过对西安10个基坑开挖地铁车站实测数据的统计分析,探究了湿陷性黄土中长基坑开挖的时空变形特性。张政伟等[11]采用数值模拟手段,结合现场实测数据,系统研究了地震断裂带大跨度铁路拱桥项目深基坑围堰支护施工过程中钢板桩的变形受力特性。Baziar等[12]研究了正、逆断层下,浅基础与加筋土间相互作用,并通过邓迪大学和早稻田大学试验验证了数值模拟结果的准确性。秦会来等[13]主要研究了深厚淤泥地层坑内加固区范围、支护桩嵌固深度、支护桩刚度等对基坑变形规律的影响,并提出相应变形控制措施。刘学增等[14⇓-16]通过模型试验研究了75°倾角逆断层对地层变形、隧道应变和破坏特征的影响。在此基础上,通过室内模型试验,研究了75°倾角正断层滑移影响下的隧道受力变形机制。此后结合有限元方法,对比研究不同衬砌断面型式在断层滑移下的隧道结构受力变形影响。张钦喜等[17]对断裂带上深基坑支护工程的地质条件,滑坡诱发因素等通过系统分析,揭示了影响类似基坑的稳定性因素。Triantafyllaki等[18]在数值分析穿越活动正断层和逆断层的深埋海底管道结构响应方面取得了重要研究成果。金鲍等[19]主要研究了岩溶及断层破碎带地层基坑开挖时,地连墙嵌固深度不足引起坑底涌水导致基坑变形等问题。
经过对多位学者关于基坑工程和断层活动方面的研究成果分析,发现目前基坑工程领域鲜有断层对基坑围护桩变形影响的研究。因此,开展此方面的研究对于理论和工程都有着非常重要的意义。本文以深圳市某基坑工程为研究对象,通过基坑围护桩的数值和现场实测结果进行对比分析,验证了有限元计算的可靠性,并重点开展了正断层对下盘影响区基坑围护桩变形影响的研究。主要研究内容包括:分析了正断层下围护桩的变形情况及不同断层滑移量、倾角和位置对围护桩的变形影响特性,进而分析了这3个参数对围护桩最大变形的敏感性程度。最后,通过64组正交试验数据的拟合,确定正断层对下盘影响区基坑围护桩最大变形的预测模型和本项目预测公式。

1 工程概况

1.1 项目设计简介

本项目位于深圳市罗湖区地铁5号线怡景站东南侧。基坑支护安全等级为一级,总面积约8 900 m2,周长约380 m,最大开挖深度16.8 m,采用桩+内支撑支护结构,设置2道内支撑,间距为8.5 m,围护桩和立柱桩桩径均为1.2 m,围护桩桩长为25.8 m,立柱桩桩长为20.0 m,冠梁、腰梁及支撑梁截面尺寸均为1.0 m×1.2 m。围护桩、支撑梁、连梁及立柱桩混凝土强度等级为C30。基坑-正断层横剖面示意图如图1所示。支护结构的截面尺寸和物理力学性能参数见表1。
图1 基坑-正断层横剖面示意图

Fig.1 Cross-section of foundation pit and normal fault

表1 支护结构截面尺寸和物理力学性能参数

Table 1 Sectional dimensions and physical-mechanicalparameters of support structure

名称 材料 截面尺寸 弹性模量
E/GPa		 泊松比ν
咬合桩
(等效连续墙)		 C30 厚度880 mm 30 0.2
立柱 C30 Φ1 200 mm 30 0.2
冠梁 C30 1 000 mm×1 200 mm 30 0.2
支撑梁 C30 1 000 mm×1 200 mm 30 0.2
连梁 C30 1 000 mm×1 200 mm 30 0.2

1.2 工程地质及水文地质

拟建场地位于南华系笔架山群混合岩(NhB)中,受F1322(畲禾嶂-横岗-罗湖)断裂带断裂(简称横岗断裂)活动影响。断裂带是断裂组中主干断裂,市内长38 km,宽7~70 m,最宽大约267 m,走向NW 25°~ 55°,断裂面倾向SE,倾角60°~80°,为全新世活动的高角度正断层。受不同时期构造运动改造,断面间充填物有黏土矿物、滑石、石英等,力学性质较差,且断层面较粗糙。土层参数依据勘察报告进行选取见表2。
表2 土层计算参数

Table 2 Computation parameters of soil strata

地层 层厚/m 重度γ/
(kN·m-3)		 割线刚度
/MPa		 切线刚度
/MPa		 卸载刚度
/MPa		 泊松比ν 黏聚力c/
kPa		 内摩擦角φ/
(°)		 渗透系数K/
(m·d-1)
①素填土 4.40 19.0 2.0 2.0 6.0 0.35 14 15 5.0
②黏土 3.05 18.5 2.8 2.8 8.4 0.33 25 18 0.1
③角砾 0.80 19.5 6.0 6.0 18.0 0.28 0 36 25.0
④砂质黏性土 4.60 21.0 8.0 8.0 24.0 0.26 25 22 5.0
⑤全风化混合岩 6.95 20.0 16.0 16.0 48.0 0.24 23 28 0.1
⑥强风化混合岩 6.90 20.5 25.0 25.0 75.0 0.23 20 32 0.5
⑦中风化混合岩 未揭穿 21.0 70.0 70.0 210.0 0.22 200 50 0.5

2 三维数值模拟分析

2.1 数值计算模型

采用MIDAS GTS NX有限元分析软件建立三维数值计算模型,为减少边界效应和充分反映断层滑移现象,选取数值计算模型尺寸(长×宽×高)为320 m×220 m×45 m,如图2所示。
图2 三维有限元计算模型

Fig.2 Three-dimensional numerical calculation model

假定各土层采用理想弹塑性模型,服从修正摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)强度准则。基坑支护结构均采用线弹性模型,其中基坑围护桩采用等效地连墙模拟,等效厚度为0.88 m。地层采用了3D实体单元模拟,围护结构采用了2D板单元模拟,立柱桩、冠梁、腰梁及支撑梁则采用了1D梁单元模拟。为较好反映咬合桩及截水帷幕的截水效果,采用MIDAS GTS NX有限元分析软件中interface接触面单元模拟截水帷幕,渗透系数设定为0。为简化计算,假定断层面为规则几何形状,也采用MIDAS GTS NX软件中的interface接触面单元模拟,有限元界面助手根据接触面两侧岩土体参数自动计算,综合判断得到接触面界面计算参数见表3。
表3 接触面计算参数

Table 3 Computation parameters for contact surface

滑移面 法向刚度Kn/
( kN·m-1)		 切向刚度Ks/
( kN·m-1)		 内摩擦角
φ/(°)		 黏聚力
c/kPa
土-土界面单元 5.6×104 5.6×103 13 10
岩-岩界面单元 3.2×106 3.2×105 32 22

2.2 边界条件及计算工况

在进行有限元动态模拟计算前,对模型周围施加水平方向约束,底部加上竖向约束,固定下盘底部自由活动,通过对上盘施加一定强制位移,分析正断层对下盘影响区基坑围护桩的变形影响特性。同理,通过约束相应边界,模拟一定滑移量下,不同断层倾角和断层位置对围护桩的变形影响规律。

2.3 数值模拟结果分析

通过有限元计算,得到基坑开挖完成时和正断层粘结滑移下围护桩的水平位移云图,见图3。
图3 基坑开挖完成时和正断层粘结滑移下围护桩水平位移云图

Fig.3 Contours of horizontal displacement of retaining piles at excavation completion and normal fault’s bond slip

提取围护桩近断层侧某点(JCX5)桩身水平位移的计算结果,得到围护桩变形曲线,如图4所示。发现围护桩自桩顶至底,变形呈现出内凸式扩展分布,最大变形出现在基坑开挖面附近,随着基坑的不断开挖,围护桩变形不断增大,最大变形增长率也在增大。基坑开挖完成时,围护桩最大水平位移为5.21 mm,此时,最大变形出现在基坑中下部位置。当正断层发生一定的粘结滑移时,围护桩受到断层间张拉作用导致其变形减小,变形减小趋势重心下移,桩身的上部变形影响明显大于下部,围护桩顶的影响尤为显著。整个围护桩变形呈现近似勺型曲线分布,此时,围护桩最大水平位移为3.98 mm。
图4 围护桩变形数值计算结果对比

Fig.4 Numerical results of retaining wall deformation

2.4 数值与实测结果对比分析

本项目现场实测内容为围护桩深层水平位移,监测点平面布置情况为每隔5根咬合桩布置一处监测点,共计约43处监测点,如图5所示。
图5 实测点平面布置

Fig.5 Plane layout of measurement points

提取基坑近断层侧排桩实测点JCX5、JCX7和JCX9的桩身水平位移监测结果,并与数值计算结果进行对比分析,变形监测结果如图6所示。需要注意的是,实测结果可能受到未考虑分层分区开挖、周边堆载、支护加固不及时等因素的影响,从而导致一定程度的变形扩大,使结果偏大。总体来说,二者数值结果规律基本吻合,表明有限元计算在一定程度上可以反映实际情况。因此,本文将采用有限元分析手段重点开展正断层下围护桩的变形影响分析。
图6 围护桩变形监测对比

Fig.6 Comparison of monitoring result of retaining pile deformation

3 断层参数影响分析

为了分析正断层作用下,断层参数对下盘影响区基坑围护桩的变形影响,本节采用控制变量的方法,假设其余参数不变,分析其中一个参数变化对其变形影响。通过有限元计算,研究断层滑移量、断层倾角及断层位置3个参数对围护桩的变形影响。断层初始参数设定为:断层滑移量9 mm,断层倾角72°,断层离基坑距离25 m。

3.1 断层滑移量影响分析

保持断层倾角和断层位置不变,依次调节断层滑移量为3、9、18、27 mm,研究随着滑移量增大,围护桩的变形影响特性。通过有限元计算,得到了不同滑移量下,围护桩的变形规律曲线如图7所示。在不同滑移量下,围护桩变形基本符合勺型曲线规律。在一定范围内,随着滑移量增大,围护桩受正断层张拉作用的影响增强,导致变形呈现减小趋势,同时也发现桩身的上部变形影响明显高于下部。
图7 不同滑移量下围护桩变形对比

Fig.7 Deformations of retaining piles under different sliding amounts

为进一步量化,对不同滑移量下围护桩最大变形进行对比分析。得出:随着断层滑移量的增大,围护桩最大变形呈非线性减小。同时,以滑移量9 mm为基准(Δ),引入围护桩最大变形减小(ΔZmax)速率r1(ΔZmax/Δ),可以发现围护桩最大变形减小速率随着断层滑移量增大呈近似指数函数减小。

3.2 断层倾角影响分析

保持断层滑移量和断层位置不变,依次调节断层倾角为45°、62°、72°和82°,研究随断层倾角增大,围护桩的变形影响特性。通过有限元计算,得到不同断层倾角下,围护桩变形影响规律曲线如图8所示。在不同断层倾角下,围护桩变形基本符合勺型曲线规律。在一定范围内,随着断层倾角的增大,围护桩受正断层张拉作用的影响增强,导致围护桩变形呈现减小趋势,同时也发现围护桩上部的变形影响高于下部。
图8 不同倾角下围护桩变形对比

Fig.8 Deformations of retaining piles under different inclination angles

为进一步量化,对不同断层倾角下围护桩最大变形进行对比分析。得出:随着断层倾角的增大,围护桩最大变形呈非线性减小。同时,以断层倾角72°为基准,引入围护桩最大变形减小速率r2,可以发现围护桩最大变形减小速率随断层倾角的增大近似接近指数函数减小。

3.3 断层位置影响分析

保持断层滑移量和断层倾角不变,依次调节断层与基坑的距离为20、25、30、35 m,研究随着断层离基坑距离的增大,围护桩的变形影响特性。通过有限元计算,得到不同断层位置下,围护桩的变形影响规律曲线如图9所示。在不同断层位置下,围护桩变形基本符合勺型曲线规律。在一定范围内,随着断层与基坑距离的增大,围护桩受正断层张拉作用的影响减弱,导致围护桩变形呈现增大趋势,同时也发现围护桩上部的变形影响高于下部。
图9 不同位置下围护桩变形对比

Fig.9 Deformations of retaining piles at different locations

为进一步量化,对不同断层位置下围护桩最大变形进行对比分析。得出:随着断层离基坑距离的增大,围护桩最大变形呈非线性增大。同时,以断层距基坑25 m为基准,引入围护桩最大变形增长率r3,可以发现围护桩最大变形增长率随断层距基坑距离增大呈近似对数函数增大。当断层距基坑达到一定距离后,正断层作用的影响极小。

4 敏感性分析

4.1 理论分析

设定某一个集合,其因变量为Y,由n个自变量X1,X2,…, Xn所决定。Y和X的函数关系可以表示为:Y=f (X1,X2,…, Xn)。在某个条件下,将自变量设为基准自变量X',得到基准因变量Y'=f (X'1,X'2,…, X'n)。分析因变量相对于基准因变量的偏离程度和趋势,即所谓的敏感性分析[20-21]。
为了比较多个自变量之间的敏感程度,定义无量纲的敏感函数和敏感因子。敏感函数Pi(Xi)为
P i ( X i ) d f ( X i ) d ( X i ) X i Y , 　 i = 1,2 , 3 , … 　 。
将基准自变量X'i代入式(1),即可得到自变量Xi的敏感因子Pi。敏感因子越大,表示在基准状态下,因变量对自变量Xi的敏感性越强;反之则越弱。

4.2 理论结果分析

为明确正断层作用下,围护桩最大变形对断层滑移量、断层倾角和断层位置3个参数的敏感性强弱,本节以断层滑移量、断层倾角和断层位置为自变量,基坑围护桩的最大变形值为因变量进行敏感性分析。

4.2.1 断层滑移量(T)敏感性分析

通过控制断层倾角和断层位置不变,提取不同断层滑移量下基坑围护桩最大变形值,并进行二次函数拟合。得到围护桩最大变形(y)与滑移量(T)的关系曲线为
y = 0.003 T 2 - 0.1436 T + 5.0971 　 。
由式(2)可得敏感函数为
P (T) = 0.006 T - 0.1436 T y 　 。
将基准值T=9 mm代入式(3),得到围护桩最大变形的敏感因子为PT=0.203。

4.2.2 断层倾角(θ)敏感性分析

通过控制断层滑移量和断层位置不变,提取不同断层倾角下基坑围护桩最大变形值并进行二次函数拟合,可得到围护桩最大变形与倾角的关系曲线为
y = 0.0005 θ 2 - 0.0941 θ + 8.3451 　 。
其中,θ不考虑单位,按值计算。由式(4)可得敏感函数为
P (θ) = 0.001 θ - 0.0941 θ y 　 。
将基准值θ=72°代入式(5),得到围护桩最大变形的敏感因子为Pθ=0.400。

4.2.3 断层位置(S)敏感性分析

通过控制断层滑移量和断层倾角不变,提取不同断层位置下的围护桩最大变形值并进行二次函数拟合。得到围护桩最大变形与断层位置的关系曲线为
y = - 0.0044 S 2 + 0.1905 S + 0.5854 　 。
由式(6)可得敏感函数为
P (S) = - 0.0088 S + 0.1905 S y 　 。
将基准值S=25 m代入式(7),得到围护桩最大变形的敏感因子为PS=0.185。
综上所述,在正断层作用下,围护桩最大变形受到断层各参数影响的敏感因子如表4所示。其中,断层倾角对围护桩最大变形的敏感因子最大,其次是断层滑移量,断层位置的影响最小。3个参数对围护桩最大变形影响均较大,因此在正断层对下盘影响区基坑围护桩的变形影响实际评价中,应综合考虑断层各因素的影响。
表4 敏感因子汇总

Table 4 List of sensitive factors

指标 断层滑移量T 断层倾角θ 断层位置S
围护桩最大变形敏感因子P 0.203 0.400 0.185

5 正断层下围护桩最大变形预测模型

本节采用正交试验法[22-23]对断层滑移量、断层倾角和断层位置三个因素建立三因素四水平的数值模拟试验进行分析,如表5所示。考虑到正断层对下盘影响区基坑围护桩最大变形的影响与断层滑移量、断层倾角呈负相关,而与断层距基坑距离呈正相关,决定采用η( η = θ π T 180 ° S)作为正断层下围护桩最大变形Uhm的预测指标,η越大说明正断层对下盘影响区基坑围护桩最大变形的影响越大。基于64组不同断层参数组合的数值模型试验,数据拟合结果发现,Uhm与η具有良好的线性关系。因此,正断层对下盘影响区基坑围护桩最大变形的预测模型为
U h m = J 1 θ π T 180 ° S + J 2 　 。
表5 因素水平

Table 5 Factor levels

水平 断层滑移量T/mm 断层倾角θ/(°) 断层位置S/m
1 3 45 20
2 9 62 25
3 18 72 30
4 27 82 35
式中J1和J2为与基坑相关的变量,可以通过试验数据拟合得到。
如图10所示,进而得到该项目正断层对下盘影响区基坑围护桩最大变形的预测公式为
U h m = - 1.1 × 10 - 7 θ π T 180 ° S + 5.15 　 。
图10 正断层下围护桩最大变形预测曲线

Fig.10 Predicted maximum deformations of retaining piles in the footwall zone of normal fault

本节试验得到的围护桩最大变形的预测模型,对预测类似地质条件下正断层不同断层参数组合引起的围护桩最大变形具有一定的参考价值。

6 结论

本文以深圳市某基坑工程为背景,采用MIDAS GTS NX有限元分析软件,研究了正断层对下盘影响区基坑围护桩的变形影响特性,得出以下主要结论:
(1)正断层张拉作用使得基坑开挖卸荷引起的围护桩变形减小,减小趋势重心下移。同时,桩身的上部变形影响明显大于下部,围护桩顶的影响尤为显著,整个桩身变形呈现近似勺型曲线分布。
(2)通过模拟值和现场实测值的对比分析,发现二者数值规律曲线基本吻合,验证了有限元计算的可靠性,表明有限元计算能在一定程度上反映实际情况。
(3)正断层下围护桩变形与断层滑移量、断层倾角成反比,与离断层的距离成正比;桩身最大变形变化率r(ΔZmax/Δ)随断层滑移量和倾角的增大呈近似指数函数减小,随断层离基坑距离的增大呈近似对数函数增大。
(4)通过对断层滑移量、断层倾角和断层位置3个参数对围护桩最大变形的敏感性分析,发现断层倾角对围护桩最大变形的敏感性最高,其次是断层滑移量,断层位置的影响最小。
(5)通过对64组正交试验结果的数据拟合,发现围护桩最大变形Uhm与指标η( η = θ π T 180 ° S)具有良好的线性关系,进而确定了正断层对下盘影响区基坑围护桩最大变形的预测模型。该模型对预测类似地质条件下正断层不同断层参数组合引起的围护桩最大变形具有一定的参考价值。
本文针对实际工程项目,研究了正断层对下盘影响区基坑围护桩的变形影响规律,以及在该工程地质条件下断层参数对围护桩变形的影响程度和敏感性的强弱。然而,不同地质条件下的基坑工程,断层参数对围护桩变形的影响程度和敏感性存在一定差异性。因此,作者将在后续的研究中进一步探讨这方面的内容。

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