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我国西南地区发育较多如砂泥岩互层等软硬相间的岩层,为探究互层特征和开挖工艺对基坑变形的影响,以重庆长寿长江二桥北锚碇基坑为研究对象,运用数值模拟方法,对尺寸为82m×92m×33m的砂泥互层基坑进行开挖模拟。探究了层厚比、层厚、岩层倾角等互层特征以及开挖步距、分段长度、开挖顺序等开挖工艺对砂泥岩互层深大基坑变形的影响,并为实际工程中砂泥岩互层基坑的设计以及开挖工艺提供参考。取得主要成果如下:
(1)对北锚定基坑模拟结果与实测数据对比发现,模拟开挖位移在实测位移-1.7mm~-3.4mm之间,且模拟位移变化规律同实测位移变化规律一致,证明运用本文所建三维模型和岩体参数对基坑开挖进行三维模拟是可行的,为后续模拟奠定了方法和参数基础。
(2)层厚比:对层厚比单因素模拟发现,基坑位移随层厚比的增加而增加。当层厚比由0.25增加到1.50时,基坑位移较泥岩基坑位移减少58%~25%,且均以层厚比为1.0为界,当层厚比≤1.0时,不同层厚比之间位移差距较大,层厚比>1.0后,位移差距较小,位移值接近纯泥岩基坑。因此,在实际工程中,当层厚比≤1.0时应按现场试验对互层岩体参数进行取值;当层厚比>1.0时则可按照现场泥岩参数进行取值。
(3)层厚:对层厚单因素模拟发现,互层基坑位移随层厚的增加而增加。当砂岩层厚由0.3m增加到0.75m后位移增加了12%~55%,由0.75m增加到1.2m后位移仅增加了5.6%~8.8%,且位移接近泥岩基坑位移。因此,综合考虑层厚比和层厚对位移的影响,实际工程中,当单层厚度≤0.75m或单层厚度>0.75m且层厚比≤1.0时,应按现场试验对互层岩体参数进行取值;当单层厚度>0.75m且层厚比>1.0时,则可按现场泥岩参数对基坑进行支护设计。
(4)岩层倾角:顺向坡时,基坑位移随倾角的增加而增加,且层厚比越大增量越大。当岩层倾角由15°增加到60°后,基坑位移较岩层水平时增加了21%~70%。逆向坡时,基坑位移先随倾角的增加而增加,倾角达到45°时位移最大,然后开始减小,整体变化图形为倒“U”形。斜交坡时,基坑位移随岩层倾角的增加而减小,但均比岩层水平时位移大,当岩层倾角由15°增加到60°后,基坑位移较岩层水平时增加了48%~10%。因此,对岩层存在倾角的基坑进行开挖时,需对不同坡面进行对应的支护设计,同时应对顺、逆边坡加强监测。而对互层参数的取值,由于在存在岩层倾角时位移较大且接近泥岩基坑,因此,可按照泥岩参数取值设计。
(5)开挖步距:基坑位移随开挖步距的增加而增加,开挖步距每增加0.5m位移增加1.8%。虽开挖步距对基坑位移的影响较小,但实际工程中仍需对基坑进行分层开挖,考虑施工工期以及设备配置,又当开挖步距为1.5m~2.5m时位移增量为1.5%,建议工程中适当的开挖步距为1.5m~2.5m。
(6)分段长度:基坑位移随分段长度的增加而减小,分段长度由20m减小到5m时位移增加6%~10%。因此,实际工程中选择合适分段长度十分必要,可进一步减小基坑位移和支护成本。且工程中以10m~15m进行分段较为合理。
(7)开挖顺序:根据位移从小到大排列为:分段跳挖<顺序开挖<中心向四周开挖<四周向中心开挖,不同开挖顺序间位移量相差3%~16%。因此,在实际工程中对基坑分块后需合理选择开挖顺序,当开挖步距较小,机械可以顺利翻越分段岩体时可选择跳挖的方式;而当基坑开挖面积过大则需保证开挖的对称性,则可选择从中心往四周开挖的方式进行开挖;当基坑开挖面积较小,则可选择顺序开挖的方式。
(8)在矩形平面基坑中,在长宽比为1左右的基坑中,以长边为基础开挖基坑较以短边为基础开挖基坑后的位移大8%。因此,在实际工程中,当基坑开挖形状为矩形时,应尽量选择以较短一边为基础对基坑进行分层分段开挖,从而可以保证基坑开挖后位移的最小化,保证施工安全。
(1)对北锚定基坑模拟结果与实测数据对比发现,模拟开挖位移在实测位移-1.7mm~-3.4mm之间,且模拟位移变化规律同实测位移变化规律一致,证明运用本文所建三维模型和岩体参数对基坑开挖进行三维模拟是可行的,为后续模拟奠定了方法和参数基础。
(2)层厚比:对层厚比单因素模拟发现,基坑位移随层厚比的增加而增加。当层厚比由0.25增加到1.50时,基坑位移较泥岩基坑位移减少58%~25%,且均以层厚比为1.0为界,当层厚比≤1.0时,不同层厚比之间位移差距较大,层厚比>1.0后,位移差距较小,位移值接近纯泥岩基坑。因此,在实际工程中,当层厚比≤1.0时应按现场试验对互层岩体参数进行取值;当层厚比>1.0时则可按照现场泥岩参数进行取值。
(3)层厚:对层厚单因素模拟发现,互层基坑位移随层厚的增加而增加。当砂岩层厚由0.3m增加到0.75m后位移增加了12%~55%,由0.75m增加到1.2m后位移仅增加了5.6%~8.8%,且位移接近泥岩基坑位移。因此,综合考虑层厚比和层厚对位移的影响,实际工程中,当单层厚度≤0.75m或单层厚度>0.75m且层厚比≤1.0时,应按现场试验对互层岩体参数进行取值;当单层厚度>0.75m且层厚比>1.0时,则可按现场泥岩参数对基坑进行支护设计。
(4)岩层倾角:顺向坡时,基坑位移随倾角的增加而增加,且层厚比越大增量越大。当岩层倾角由15°增加到60°后,基坑位移较岩层水平时增加了21%~70%。逆向坡时,基坑位移先随倾角的增加而增加,倾角达到45°时位移最大,然后开始减小,整体变化图形为倒“U”形。斜交坡时,基坑位移随岩层倾角的增加而减小,但均比岩层水平时位移大,当岩层倾角由15°增加到60°后,基坑位移较岩层水平时增加了48%~10%。因此,对岩层存在倾角的基坑进行开挖时,需对不同坡面进行对应的支护设计,同时应对顺、逆边坡加强监测。而对互层参数的取值,由于在存在岩层倾角时位移较大且接近泥岩基坑,因此,可按照泥岩参数取值设计。
(5)开挖步距:基坑位移随开挖步距的增加而增加,开挖步距每增加0.5m位移增加1.8%。虽开挖步距对基坑位移的影响较小,但实际工程中仍需对基坑进行分层开挖,考虑施工工期以及设备配置,又当开挖步距为1.5m~2.5m时位移增量为1.5%,建议工程中适当的开挖步距为1.5m~2.5m。
(6)分段长度:基坑位移随分段长度的增加而减小,分段长度由20m减小到5m时位移增加6%~10%。因此,实际工程中选择合适分段长度十分必要,可进一步减小基坑位移和支护成本。且工程中以10m~15m进行分段较为合理。
(7)开挖顺序:根据位移从小到大排列为:分段跳挖<顺序开挖<中心向四周开挖<四周向中心开挖,不同开挖顺序间位移量相差3%~16%。因此,在实际工程中对基坑分块后需合理选择开挖顺序,当开挖步距较小,机械可以顺利翻越分段岩体时可选择跳挖的方式;而当基坑开挖面积过大则需保证开挖的对称性,则可选择从中心往四周开挖的方式进行开挖;当基坑开挖面积较小,则可选择顺序开挖的方式。
(8)在矩形平面基坑中,在长宽比为1左右的基坑中,以长边为基础开挖基坑较以短边为基础开挖基坑后的位移大8%。因此,在实际工程中,当基坑开挖形状为矩形时,应尽量选择以较短一边为基础对基坑进行分层分段开挖,从而可以保证基坑开挖后位移的最小化,保证施工安全。