裂隙岩体内嵌入式挡土墙施工技术与数值分析.pdf

'第31卷第4期2014年4月V01．31No．4Apr．2014doi：10．3969／j．issn．1002—0268．2014．04．007裂隙岩体内嵌入式挡土墙施工技术与数值分析王向刚，朱维申，李术才，付金伟，张敦福(山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南250061)摘要：为了解决城市道路路堑开挖影响临近建筑物安全问题，介绍英国道路嵌入式挡土墙施工技术。根据围岩性质和裂隙特点，确定挡土墙3-程数值分析方法。采用位移反演方法计算了围岩力学参数，应用FLAC3D软件对3-程进行了数值模拟。初步探讨了嵌入式挡土墙设计要点。研究表明，由于挡土墙在施作过程中增加了水平荷载和稳定基础，改变了挡土墙受力状态，减小了对周边建筑物的影响。对城市内影响临近结构物的路堑开挖施3-，该挡土墙施3-技术提供了一种很好的解决方案和施3-方法，对深基坑开挖支护也有很好的借鉴意义。关键词：道路3-程；嵌入式挡土墙；位移；数值分析；裂隙岩体；FLAC3D中图分类号：U415．2文献标识码：A文章编号：1002—0268(2014)04—0039—06ConstructionTechnologyandEmbeddedinNumericalAnalysisofRetainingWaFracturedRockMassWANGXing—gang，ZHUWei—shen，LIShu—cai(ResearchCentreofGeotechnicalandStructuralEngineering，ShandongUniversity，JinanShandong250061，China)Abstract：Inordertosolvetheissuesofcuttingexcavationaffectingthesafetyofadjacentstructuresincity，aconstructiontechnologyofembeddedretainingwallinBritishroadisintroduced．Accordingtothepropertiesofsmfoundingrockandthefracturecharacteristicsofrockmass，thenunlericalanalysismethodofretainingwallprojectisdetermined．Themechanicalparametersofsurroundingrockarecalculatedbydisplacementinversion，andtheprojectisnumericallysimulatedbysoftwareFLAC3D．Thedesigngistofembeddedretainingwallispreliminarydiscussed．Theresultshowsthat(1)theembeddedretainingwallreducedtheeffectontheadjacentbuildingsowingtoitschangeofstressstatecausedbyincreasinghorizontalloadandstabilizedbaseduringtheworkingprocess．ThisConstructiontechnologyprovidednotonlyagoodsolutionandconstructionmethodforcuttingexcavationaffectingtheadjacentstructuresincity，butalsoabeneficialreferencefordeepfoundationpitexcavation1．etaining．Keywords：roadengineering；embeddedretainingwall；displacement；numericalanalysis；fracturedrockmass：FLAC3D0前言随着中国城市化进程，土地日益稀缺，城市内新建道路多与其他建筑物临近。因此在设计、施工新的路堑开挖时，不仅要考虑路堑开挖自身的施工安全，还应考虑是否影响临近结构物的安全性。挡土墙是路堑开挖常用的支护形式。挡土墙根据其结构特点可以分为重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、支撑式挡土墙、锚定式挡土墙、板桩墙挡土墙、加筋土挡土墙等种类uJ，这些挡土墙的施工大部分是在岩体开挖后施工，即挡土墙施工时岩体已经过了一段变形过程，而对该变形过程没有收稿日期：2013—11—25基金项目：国家自然科学基金项目(41072234，51279095)；岩土力学与工程国家重点实验室项目(Z011001)作者简介：王向刚(1976一)，男，山东临淄人，博士研究生．(xianggangwang@163．COIll)e叩陀眺da技}i∞科艮萼锄交卵路E要d公Ⅻy憾gHda如 40公路交通科技第31卷有效的控制，可能在此过程中已经影响了周围建筑物的稳定性和安全性。基于以上原因，传统的路堑支护形式特别是在开挖岩体地质条件很差的情况下，路堑开挖施工往往不能满足对周围建筑物的安全性要求，城市中基坑开挖也往往遇到类似的问题[2。3]，需要寻求其他有效的施工方法解决这一问题。拉锚式支护形式、逆作法Ho等在基坑开挖支护中已广泛应用，桩锚施工口o、锚杆框架支护、板桩墙_6o支护在道路路堑施工中也得到了应用，这些施工方法能够在一定程度上减小开挖围岩的变形。在路堑开挖施工时，为减小土体变形，减小其对相邻建筑物影响，笔者介绍一种嵌入式挡土墙施工技术，能够解决以上问题，并符合路堑的施工特点和要求。在介绍其基本施工工艺后，笔者对该挡土墙支护技术进行数值模拟，初步分析其在设计、施工中应注意的问题和应考虑的因素。该施工技术和支护形式同样可应用于城市中基坑开挖支护。1嵌入式挡土墙工程简介及施q-q-艺口]1．1工程简介英国某城市为修建一条道路需进行路堑开挖，由于道路两侧地表有建筑物且距离路堑非常近，为避免路堑施工影响建筑物安全，道路两侧路堑采用嵌入式挡土墙进行保护。挡土墙长约2200m，由直径1nl长14nl的钢筋混凝土灌注桩并排而成，桩与桩之间距离为1．1nl。嵌入桩顶面与开挖前原地面平齐，桩外露长度为7．8nl，路面下方1．5nl处施工厚1in宽5nl的混凝土基础与嵌入桩浇注到一起。1．2嵌入式挡土墙施工工艺首先进行排桩施工。排桩由并排施工的钻孔灌注桩组成。灌注桩施工工艺同普通钻孔桩相同，首先放置2nl长钢护筒，然后进行钻孔、放置钢筋笼，最后浇注混凝土。钻孔桩全部完成后在桩顶部浇注混凝土梁，将所有钻孔桩连成一体，形成完整的挡土墙墙身。道路两侧排桩挡土墙墙身都施工完成后，将两挡土墙之间原地面以下、新建道路底面以上岩体挖除(第1步开挖)，为防止挡土墙向道路一侧水平位移过大，导致地表土体开裂或建筑物受到影响，开挖时留下道路一侧靠近墙体的部分岩体。岩体开挖完成后，每隔5nl在排桩上方混凝土梁上施加水平钢制临时支撑，每个支撑上加1300kN的预应力(相当于在混凝土梁上施加每延米260kN的力)。全部横向支撑力施加完成后，挖除靠近挡土墙的预留岩体(第2步开挖)及需施工混凝土稳定基础处的岩体(第3步开挖)，浇注混凝土基础，基础通过钻孔桩预留的加强联系筋增强桩身同基础的连接，形成刚性连接。稳定混凝土基础施工完成后去除水平支撑，待排桩变形稳定后，在挡土墙前面道路一侧砌筑砖墙，完成路堑支护工程。根据上述嵌入式挡土墙施工工艺，该支护类似于基坑有内撑的排桩支护形式，通过联排的钻孔灌注桩组成挡土墙墙身，但又有其不同之处：(1)临时水平支撑根据挡土墙受力特点和设计计算施加了一定的水平支撑荷载；(2)靠近挡土墙土体挖除后、移除临时水平支撑前增加了与挡土墙连接的混凝土基础。2嵌入式挡土墙数值分析方法的选择和围岩参数的确定2．1数值模拟方法的选择根据地质调查，挡土墙围岩主要包括强风化砂岩、中等风化砂岩、中等和微风化泥岩等岩层，岩体内主要包括3组节理，其中2组接近竖直方向，另1组接近水平方向，裂隙问距为100～500nlnl，裂隙宽度为3～30nlnl，具体地层岩性及裂隙特征情况如表1所示。表1地层岩性及裂隙特征表Tab．1Stratumlithologyandfracturecharacteristics高程／m地质条件裂隙间距／nun填充宽／rnm岩体开挖的稳定性受开挖尺寸和节理间距比例的影响，而且受到裂隙走向的影响旧J。对于节理间距较大的硬质岩体，不连续面控制岩体的破坏形式；对于裂隙间距很小的软岩来说，岩体的破坏受单个不连续面影响较小，其破坏形式更倾向于一般土体的破坏形式pJ。一般来说，根据节理裂隙对围岩的影响程度不同，可采取不同方法进行研究：类型1：连续型，对于不含节理裂隙的岩体，可以按连续型处理，材料参数可通过现场或实验室试 第4期王向刚，等：裂隙岩体内嵌入式挡土墙施工技术与数值分析41验直接获得，如图1(a)所示；类型2：不连续型，对于破坏形式受节理面控制的岩体，可以按不连续型处理，需要通过试验确定节理参数，如图1(b)所示；类型3：等效连续型，对于含有密集裂隙的岩体，岩体破坏受到裂隙影响，但破坏形式与土体类似，可以按等效连续型处理，通过等效方式确定岩体参数，如图1(C)所示。撰震(a)连续型(b)不连续型(c)等效连续型图1节理裂隙对岩体稳定性的的影响Fig．1Influenceofjointfissureonstabilityofrockmass对于风化程度较大的软弱岩体一般认为与连续体相似，且对于多裂隙岩体，获得每一不连续面的详细信息建立准确的模型是非常困难的，因而通常采用等效连续方法进行分析。因此，对于本挡土墙工程而言，围岩为强风化或中等风化岩体，裂隙间距小于50Cnl，相对于挡土墙尺寸(约14111)很小，将裂隙岩体通过等效方法进行连续体模拟计算是合适的。一般来说，等效连续体分析方法可分为：(1)等效连续参数法；(2)等效连续本构方法u⋯。本文采用等效连续参数方法，该方法的难点是确定等效参数的取值如变形模量、泊松比等。确定等效参数的方法主要有现场试验方法、经验公式法、数值计算方法等，如HoekandDiederichs_lu基于GSI_l驯和RMR[131岩石分级体系上建立变形模量经验公式，Ivars等_14o采用数值方法确定等效连续力学参数。本文通过位移反演的方法确定岩体等效参数，进而对挡土墙工程进行数值模拟分析。位移反演的基本思路是通过可观测到的位移数据推断模型的的参数值。2．2挡土墙围岩参数位移反演2．2．1反演参数的确定数值模拟中，一般来说，混凝土结构可采用线弹性或弹塑性模型，一般岩土体可采用弹塑性模型u“。根据试验结果，排桩和稳定基础所用混凝土强度远大于围岩强度，且桩体和稳定基础变形在弹性范围以内，因此，在本挡土墙工程数值分析中，排桩挡土墙及稳定基础采用线弹性模型，围岩采用弹塑性模型Mohr—Coulomb屈服准则进行数值计算。采用数值模拟正算方式进行敏感度分析，结果表明，岩体水平压力、刚度和横向支撑预加荷载对墙体水平位移影响最大。横向支撑预加的水平荷载已知，因此，本文拟以水平地应力(以水平侧压系数K表示)和围岩弹性模量E作为位移反演参数。一般来说，地应力和弹性模量不能同时作为反演参数，因为至少可能有2个水平地应力和围岩弹性模量的组合可以产生同样的位移结果u⋯。本挡土墙工程施工过程中施加了临时水平预应力，在其施加和撤除后挡土墙产生方向相反的水平位移，且水平地应力和岩体弹性模量对2个方向的位移大小影响不同如表2所示。根据分析，对于给定2种工况下挡土墙水平位移值只有一种岩体弹性模量和水平地应力与其对应，因此在本例中可以将E和K同时作为反演参数进行计算。表2弹性模量和水平地应力对挡土墙水平位移的影响Tab．2Influenceofelasticmodulusandhorizontalin-situstressonhorizontaldisplacementofretainingwall2．2．2建立计算模型数值计算采用FLAC3D117J计算程序。根据工程对称性特点，挡土墙数值分析计算模型取开挖断面的一半进行计算，考虑路堑开挖的影响范围，水平方向(戈轴)从道路中心线向一侧延伸75nl，竖直方向(Y轴)自地表向下延伸45nl，为便于计算，沿道路方向(三轴)取1nl。岩体采用弹塑性模型Mohr—Coulomb准则，挡土墙和稳定基础采用线弹性模型。岩体和挡土墙用长方体单元，横向支撑用beam单元。为保证数值分析的准确性且兼顾计算时间，靠近挡土墙位置划分单元格尺寸较小，距离挡土墙较远处划分单元格较大。计算模型网格见图2，模型划分为1593个单元。图2计算模型网格Fig．2Gridofcalculationmodel 42公路交通科技第31卷2．2．3输入参数(1)挡土墙墙身由直径一米排桩组合而成，按弯曲刚度相等的等效方法，将钢筋混凝土灌注桩参数转化为挡土墙墙身参数，稳定基础按混凝土参数，见表3。表3挡土墙墙身与稳定基础参数表Tab．3Parametersofretainingwallandstabilizedbase(2)水平钢制支撑用2nl长beam单元模拟，根据受力等效原则计算临时水平支撑等效弹模为1．84×107kN／m2；根据现场监测数据，施加在挡土墙上的水平支撑力为180kN／m。(3)根据地质勘查，挡土墙围岩自上而下可分为3个岩层带，自原地面至深1．5nl处为地表土带(岩层1)，自深1．5nl处至深6．3nl处为强风化软岩带(岩层2)，再往下为中等风化和微风化软岩带(岩层3)。根据现场和室内试验数据，数值计算用岩体参数取值见表4。根据试验，围岩弹性模量随深度增加而增大。地表土弹性模量对挡土墙墙身水平位移影响较小，数值计算时不参与反演，根据试验结果取定值10kPa；强风化岩层弹性模量取值范围在30～110MPa，增加梯度为31MPa／m；弱风化层岩体弹性模量取值范围在270～350MPa，增加梯度15MPa／n1．表4岩体参数Tab．4Parametersofrockmass(4)根据水文调查，地下水水位在挡土墙工程以下，对挡土墙及围岩稳定性基本不产生影响，因此数值计算时不与考虑。(5)计算时，假设初始水平地应力场为均匀地应力场，初始竖直地应力场按重力场计算。水平地应力采用待反演参数侧压系数K与重力的乘积进行计算。根据现场试验结果，反演计算时将侧压系数设在0．5～1．3之间。2．2．4参数反演计算用作者自己编制的基于神经网络的智能位移反演方法计算岩体弹性模量和初始地应力H8I，计算结果见表5。将反演参数带人FLAC3D数值模拟计算，计算的监测点位移值与由反演参数值经神经网络外推所得预测位移值及实测位移值进行比较，三者数值基本相当，因此可以说明反演结果用于挡土墙数值模拟分析是合适的。表5岩体参数计算结果Tab．5Computationresultofrockmassparameters3嵌入式挡土墙工程数值模拟分析根据试验及位移反分析所得各岩体参数和挡土墙物理参数，对嵌入式挡土墙工程进行数值分析。对道路路堑开挖和嵌入式挡土墙施工进行4种工况模拟分析。工况1：对路堑不进行任何支护直接进行开挖。工况2：施工完成排桩挡土墙墙体后，直接将路堑内需挖除土体一次性全部挖除而在施工过程中不施作横向支撑、横向支撑力及稳定水泥混凝土基础。工况3：按实际施工过程进行模拟，即按以下步骤进行施工：(1)排桩挡土墙墙身施工；(2)道路两侧挡土墙之间原地面以下、新建道路底面以上岩体挖除(第1步开挖)；(3)安装横向支撑和施加水平支撑力；(4)挖除靠近挡土墙的预留岩体(第2步开挖)；(5)挖除混凝土稳定基础处的岩体(第3步开挖)；(6)施工水泥混凝土基础；(7)去除水平支撑。工况4：水平支撑荷载按360kN／m计算，其他同工况3。实际施工过程(工况3)挡土墙水平位移数值计算结果见图3。第1步开挖完成后，挡土墙向开挖侧产生位移，水平位移大小沿深度增加而减小，挡土墙下部深度10nl以下发生微小水平位移。施加水平荷载后，挡土墙向远离开挖侧发生位移，随着深度增加而减小。在进行第3步开挖和施工稳定基础时，挡土墙顶部和底部位移基本未发生变化，但在深6Ill处挡土墙墙身向开挖侧产生近2nlnl水平位移。移除临时支撑后，挡土墙向开挖侧发生水平位移，随深度增加而减小，由于挡土墙底部深入未开挖岩体，水平位移基本未发生变化。图4显示为撤除水平支撑后稳定基础底面受岩体竖向应力情况，图表显示随着远离挡土墙基础所 第4期王向刚，等：裂隙岩体内嵌入式挡土墙施工技术与数值分析43+用步升挖。+施，]口水平荷载心妻蓁i!步开挖；步开挖。《毫基础施工后余临时支撑后哆≯瑟一10曳一20葺一40世一60础一80图3工况3挡土墙水平位移Horizontaldisplacementofretainingwallundercondition3距挡土墙距离／m123456图4工况3稳定基础底面受竖直应力Fig．4Verticalstressesonbottomofstabilizedbaseundercondition3受竖向应力越大。工况1情况下，即路堑直接进行开挖而不采取任何支护措施，数值计算无法收敛，表6为FLAC3D数值计算在第10395个循环后的计算结果。根据计算结果，可以推断上部围岩向土体开挖一侧坍塌。因此说明该路堑开挖工程不进行任何支护而进行的施工方案是不可行的。表6挡土墙各工况最终水平位移数值计算值对比表(单位：mm)Tab．6Comparisonoffinalhorizontaldisplacementsofretainingwallunderdifferentconditions(unit：mm)工况2挡土墙最终水平位移图见图5，工况2与工况3进行比较，若不进行施加水平支撑和进行稳定基础施工，挡土墙顶部最终水平位移较无水平支撑和稳定基础施工时增加1．81mill，增加幅度超过34．9％，且地表影响范围从5nl扩大到9nl以上。目0羚一2魁一3甘一一4丢；一)铂凰一OJJ一／剥一8深度／m0246810121416图5工况2挡土墙水平位移Fig．5Horizontaldisplacementofretainingwallundercondition2工况4与工况3比较，水平预加荷载增加一倍，挡土墙顶部最终水平位移减小0．9mill，减小幅度达到17％，但在施加水平预加荷载后挡土墙向开挖面外侧的位移增加7．08mill，增加幅度超过151％，该水平荷载施加过程中可能会影响相邻岩体和地表结构物，这表明在此施工过程中，并不是施加水平荷载越大越好，而还应考虑其在施作过程中对围岩和结构物的影响。图6显示稳定基础底部所受竖向应力随施加水平荷载增大而增大。可以想象通过稳定基础与排桩连接，稳定基础为排桩向开挖侧位移提供了反弯矩，使得挡土墙在撤除水平支撑后的位移较无稳定基础和水平支撑时小，且水平荷载越大，挡土墙最终水平位移越小。但由表5挡土墙最终位移值也可以看出，水平位移的减小幅度比荷载的增加幅度要小。020406080距挡土墙距离／In0l23456图6稳定基础底面受竖直应力比较Fig．6Comprasionofverticalstressonbottomofstabilizedbase根据以上数值模拟过程分析和计算结果比较，嵌入式挡土墙设计中应考虑的因素和设计要点如下：(1)首先通过地质勘查了解工程岩体状况，通过现场或室内试验获得所需岩体参数；(2)根据现场勘查情况确定节理裂隙对岩体稳定性的影响，选择合 44公路交通科技第31卷适计算模型；(3)通过试算，根据墙体变形情况确定灌注桩尺寸和临时支撑预加荷载值。4结论(1)嵌入式挡土墙应根据围岩裂隙的不同采用不同的设计方法，对于多裂隙的软弱围岩的挡土墙工程可通过等效连续体计算。(2)挡土墙水平预加荷载大小的选择应根据计算结果确定，否则实施过大预应力会使得加载时岩体向远离路堑一侧水平位移过大，影响周边建筑物的稳定性和安全性。(3)水平预应力和稳定基础的施作，改变了嵌入式挡土墙的受力状况，减小挡土墙的最终水平位移。(4)嵌入式挡土墙施工技术能够有效减小岩体开挖时的变形，且能够通过计算设计合适的施工工艺，将岩体开挖变形控制在不影响周边建筑物的范围之内。参考文献：References[1][2][3][4][5][6]JTGF10--2006，公路路基施工技术规范fS]．JTGF10--2006．TechnicalSpecificationforConstructionofHighwaySubgrades[S]．唐业清．基坑工程事故分析与处理[M]．北京：中国建筑工业出版社，1999．TANGYe—qing．AnalysisandDisposeofFoundationPitEngineeringAccidents[M]．Beijing：ChinaArchitectureandBuildingPress，1999．曾宪明．基坑与边坡事故警示录[M]．北京：中国建筑工业出版社，1999．ZENGXian—nfing．WarningofFoundationPitandSlopeAccidents[M]．Beijing：ChinaArchitectureandBuildingPress，1999．龚晓楠．深基坑工程设计施工手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1998．GONGXiaO—nan．DeepFoundationPitEngineeringDesignandConstructionManual『M]．Beijing：ChinaArchitectureandBuildingPress，1998．张志锋．“预应力锚索+桩板式挡土墙”支护结构应用研究[J]．城市道桥与防洪，2011(9)：29—31．ZHANGZhi—feng．StudyonApplicationof“Pre—stressedAnchorCable+SheetPileRetainingWall”SupportingStructure[J]．UrbanRoadsBridgesandFloodControl，2011(9)：29—31．方薇，刘晓红．红粘土路堑高边坡加固效果的数值模拟[J]．公路交通科技，2012，29(3)：22—28．FANGWei，LIUXiao—hong．NumericalSinmlationof[7][8]19J[10][11][12][13][14][15][16][17][18]ReilfforcementEffectofHighRedClayCuttingSlope[J]．JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment，2012，29(3)：22—28．HAYWARDT．FieldStudies．AnalysisandNumericalModelingofRetainingWallsEmbeddedinWeakRock[D]．Southampton：England：UniversityofSouthampton．2000．朱维申，何满潮．复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学[M]．北京：科学出版社，1996．ZHUWei—shen．HEMan—chao．TheStabilityofSurroundingRockunderComplexConditionandDynamicConstructionMechanicsofRockMasses[M]．Beijing：SciencePress，1996．HOEKE，BRAYJW．RockSlopeEngineering[M]．London：InstitutionofMiningandMetallurgy，1981．ALIREZAA．Developmentofa3DEquivalentContinuumModelforDeformationAnalysisofSystematicallyJointedRockMassesD．Edmonton：UniversityofAlberta，2013．HOEKE，DIEDERICHSMS．EmpiricalEstimationofRockMassModulusJ．InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences，2006，43(2)：203—215．BIENIAWSKIZT．DeterminingRockMassDeformability：ExperiencefronlCaseHistories『J]．InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences&GeomechanicsAbstracts，1978，15(5)：237—247．HOEKE，BROWNET．PracticalEstimatesofRockMassStrengthJ．InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences，1997，34(8)：1165—1186．DIEGOM，MATTHEWEP．CAROLINED．eta1．TheSyntheticRockMassApproachforJointedRockMassModellingJ．InternationalJournalofRockMechanics&MiningSciences，2011，48(2)：219—244．刘波，韩彦辉．FLAC原理、实例与应用指南[M]．北京：人民交通出版社，2005．LIUBo，HANYan—hui．Theory-，ExampleandApplicationGuideofFLAC[M]．Beijing：ChinaCommunicationsPress，2005．吕爱钟，蒋斌松．岩石力学反问题[M]．北京：煤炭工业出版社，1998．LUAi—zhong．JIANGBin～song．InverseProblemofRockMechanics[M]．Beijing：ChinaCoalIndustry-PublishingHouse，1998．hascaConsultingGroup，Inc．Flac3DUserManuals[M]．Minneapolis：hascaConsultingGroupInc，2005．王向刚．公路隧道位移反演及其稳定性分析[D]．济南：山东大学，2005．WANGXiang—gang．InversionofDisplacementandStabilityAnalysisofHighwayTunnel[D]．Jinan：ShandongUniversity，2005．'