方 家 升
(合肥工大建设监理有限责任公司，安徽 合肥 230009)
1 概述
随着城市和社会的快速发展，高层和超高层建筑涌现，出现了大量的基坑工程。目前在基坑开挖中面临的较大问题是深大基坑常位于城市中心地带，由于用地紧缺和地下管线复杂，给基坑开挖带来极大困难。近年来，因基坑开挖引起的围护结构破坏和地面、地层活动造成的地下管线断裂等事故频发，对周围环境造成巨大影响[1,2]。迄今为止，基坑边坡的分析方法主要有三类：极限平衡法、极限分析法和数值分析法。对于很多实际的岩土工程问题，由于岩土颗粒形状的任意性以及成分的非均质性，导致通过理论分析获得解析解不切实际。随着数值分析手段的进步和计算机性能的提高，近年来利用数值计算方法研究分析基坑土体稳定性得到了广泛的发展。其中颗粒流法作为一种离散单元法，能够较理想的模拟基坑变形破坏力学行为，为岩土工程中的诸多问题提供一种从细观角度分析的新途径。因此，本文基于PFC2D软件，对一悬臂式排桩支护基坑进行不同嵌固深度、不同地面超载的稳定性分析，验证颗粒流模拟可为基坑失稳判定提供一种新的分析方法。
2 工程概况
本基坑工程[3]位于广州地铁一号线黄沙试验段，全场237 m。其中南段ADK1+344.38～ADK1+363.94段，基坑开挖深度在6 m～9 m，采用1.0 m×15 m～17 m长悬臂式C25钢筋混凝土灌注桩支护。此区域段内地层土质情况为从地面起，有杂填土、淤泥质土、粉细砂、中砂、可塑亚粘土、硬塑亚粘土到强风化砂岩，淤泥质土由于隧道上方土方开挖已清除。基坑设计土层的物理性能指标见表1。
3 颗粒流模型建立
参照工程实例，根据基坑开挖深度3倍～4倍的影响范围确定模型中水平向和竖向的土体尺寸。模型尺寸50 m×30 m(宽度×深度)，开挖区宽度15 m。砂土颗粒最大粒径和最小粒径分别为0.090 m和0.099 m，颗粒数共42 737个，半径服从高斯分布。由于上述基坑工程实例中涉及到的三层砂土层物理力学性能指标比较接近，所以在PFC模型中只假设为均质砂土层，砂土颗粒法向刚度kn=3.75×107N/m，切向刚度ks=1.5×107N/m，摩擦系数为0.7，颗粒生成后通过挤压排斥法循环得到所需的粒径，孔隙率取0.2。灌注桩半径0.5 m，密度2 500 kg/m3。该颗粒流模型建立步骤如下：1)在初始场地土体外围的左、右、下三面建立3片墙体作为土体边界；2)定义颗粒粒径和孔隙率，施加密度和重力加速度模拟场地土在天然状态下的沉降过程；3)天然土体沉降完成后，进行钢筋混凝土灌注桩打桩过程的模拟。即首先将对应桩位置处的土颗粒删除，再植入桩体颗粒。形成桩颗粒后，先固定桩颗粒的x向和y向自由度进行循环计算，使打桩位置边缘的土颗粒与桩颗粒紧密接触，再将桩的x向和y向自由度释放，继续循环至平衡状态；4)打桩土体平衡后，进行基坑开挖，将开挖区域土颗粒删除。基坑开挖颗粒流模型详见图1。
表1 基坑设计土层参数表
4 结果分析
4.1 不同嵌固深度下位移场分析
悬臂式基坑围护结构的嵌固深度对基坑稳定性有很大影响。为了研究在地面超载一定情况下不同嵌固深度对基坑稳定性的影响，分别在前述基坑模型中设定桩在开挖面下嵌固深度为6 m,10 m，地面超载为40 kPa进行循环计算，至最大不平衡力与平均不平衡力均小于1×10-4N时计算中止，得到2组基坑开挖的位移场，如图2所示。由图2可以看出，在相同地面超载情况下，坑外地表发生不同程度沉降，围护桩向坑内倾覆，坑内土体呈现向上隆起趋势。嵌固深度为6 m的基坑在围护桩附近三角形区域内位移场明显大于其余区域，并且可以看到一条从地表到支护桩底的直线形剪切带。在位移变化分界处内的土体呈整体滑动趋势，地表剪切带内的土体塌陷严重。嵌固深度为10 m的基坑地表同样沉降量过大，但地表剪切带位置距离围护桩更远，剪切带内土体塌陷情况也没有嵌固深度为6 m的严重。
4.2 地面超载对基坑稳定性的影响
选取围护结构嵌固深度为10 m的基坑在地面超载分别为40 kPa，30 kPa，20 kPa，10 kPa进行研究，通过监测地表颗粒的沉降量找到地表沉降突变点，判断基坑整体稳定性破坏时剪切带的位置。同时，对桩颗粒水平位移进行分析，研究桩发生倾覆量与水平滑动破坏机制。
由图3可知，在整体滑动的土体范围内，颗粒沉降值有一定离散性，这是由于颗粒流理论是基于非连续颗粒介质特性建立的，颗粒流模型中单个颗粒的运动在一定程度上会受到相邻接触颗粒的约束和限制，造成不同位置处颗粒的位移表现出一定的非连续性。地表无超载时，坑外土体沉降呈“三角形”状，且沉降曲线较平滑连续。随着地面超载的增加，地表沉降量开始变大，由于加载颗粒是从距离围护桩3 m处开始布置，可以看出存在超载时，地表沉降离围护桩3 m以外的值要大于3 m以内的值，并且地表沉降量随着超载量的增大而增加。超载在30 kPa与40 kPa时，地表沉降在距离围护桩6.5 m～7 m处产生突变点，突变点两侧沉降差约为开挖深度的1.3%，此处即为整体失稳破坏的剪切带在地表的破坏点。
由图4可知，无超载时，各个标高位置水平位移量与深度近似线性关系。各组超载情况下桩均明显发生向坑内的水平移动，桩水平位移与深度呈现出非线性关系。桩变形在开挖面以下2 m处发生转折。超载越大，平动量越明显。超载10 kPa和20 kPa时，地表沉降虽未出现整体失稳破坏的突变点，但桩顶侧移量分别为102.2 mm和126.6 mm，向坑内倾覆量较大。超载30 kPa和40 kPa时，桩顶侧移量分别为202.9 mm和252.0 mm，向坑内倾覆严重，基坑发生整体失稳破坏。桩向坑内位移过大使得开挖面以上桩附近土体也向坑内移动并发生沉降，可以解释了地表沉降曲线中坑外土体沉降图呈“三角形”状的现象。
5 结语
本文基于广州地铁一号线某段实际悬臂式排桩支护砂土基坑工程，建立相应的PFC2D数值计算模型，进行不同嵌固深度下位移场分析以及地面超载对基坑稳定性的影响研究，得出以下结论：1)通过在地表设置加载颗粒，改变桩的嵌固深度，研究地表超载情况对基坑破坏时的位移场影响，发现随着桩嵌固深度的减小，围护桩向坑内位移和坑底隆起变形逐渐增大，坑外土体在围护桩附近三角形区域内发生整体稳定性破坏。嵌固深度越短，三角形区域越小并且越明显，区域内土体沉降量越大，说明足够的嵌固深度是保持基坑稳定性的重要条件。2)随着地面超载的增加，悬臂式围护桩水平位移以及坑底隆起逐渐增大，当地面超载超过一定量时，基坑发生整体失稳破坏。
