爆破开挖对深基坑吊脚桩支护体系性能影响数值模拟研究

林 潮，平 扬

(深圳市水务规划设计院有限公司，广东 深圳 518001)

一般的深基坑工程都是在一元介质(纯岩石或者纯土)中开挖，在沿海山地丘陵地区的土岩二元地层结构是一种特殊情况，由于上部土体较浅，在基坑开挖深度范围内，地层不是简单的单一土层结构，而是上层是土体，下层是岩体的二元结构。考虑到经济与技术因素，基坑开挖到岩石以下，桩体嵌入到岩石的深度是有限的，但开挖深度在桩体嵌岩深度以下，当开挖到基底时，桩脚在基坑深度中部位置，桩体如同吊在空中，工程中称这种桩为“吊脚桩”[1- 2]。随着沿海地区城市发展，在土岩二元地层结构中此类深基坑工程越来越多，深基坑吊脚桩支护体系性能引起了许多学者的研究。

刘红军[1，3- 4]采用有限元法对“吊脚桩”不同预留岩肩宽度、桩体嵌岩深度进行模拟分析，讨论了桩体位移和弯矩的变化规律，提出合理的设计参数；李东[5]研究了二元地层结构土压力分布规律并给出设计计算方法，通过数值模拟方法验证吊脚桩设计的合理性并对桩体嵌岩深度、预留岩肩宽度等因素进行分析；袁海洋[6]基于plaxis2D分析了吊脚桩刚度对支护的影响；白晓宇等[7]分析了龙门吊移动荷载作用下吊脚桩的变形规律及动力响应问题。尽管已经开展了大量研究，但目前的研究多数还是集中在深基坑吊脚桩在静力作用下支护性能及影响因素分析。由于土岩二元地层下部为基岩，需要采用钻眼爆破法进行开挖施工。爆破震动可能造成吊脚桩及边墙发生局部破坏，岩土体发生松动，对吊脚桩支护性能产生不利影响，而这方面目前研究相对较少。

本文以观澜调蓄池深基坑工程为例，通过数值模拟方法，研究爆破震动作用下深基坑吊脚桩支护体系的动力响应，分析爆破针对吊脚桩桩前岩肩的影响，并探讨相应的防灾减灾措施。

1 工程概况

1.1 深基坑概况

观澜调蓄池位于观澜河右岸，观澜应急污水厂对面，占地面积3.1万m2。基坑开挖深度为15.9～21.7m，周长约740m，场地西侧为观澜河，距离约为30m；东侧靠近观澜高尔夫球场宿舍楼，距离约为12m，距离基坑边约8m有小路，路下局部埋有管线；南侧地势较陡，北侧地势平坦，无建筑物。

1.2 工程地质条件

场地内地层分为：第四系人工堆积层、第四系冲洪积层、残坡积层、侏罗系粉砂岩，由新到老分述如下：

(1)第四系人工堆积物：场地内分布于西南靠观澜河一带，厚度1～2m，松散状，主要含砾粉质粘土回填，局部含建筑垃圾、生活垃圾。

(2)第四系冲洪积层：主要分布于场地西侧靠观澜河一带，基坑范围内分布较少。主要为粉质粘土、粉砂、砾砂。

(3)残坡积层：场地多有分布，山顶局部缺失，层厚0.9～7.1m，为粉砂岩、砂岩风化残坡积而成的含砾粉质粘土。

(4)侏罗系粉砂岩：场地内均有分布。以粉砂岩为主，局部夹石英砂岩，按风化程度分为：全风化、强风化、中风化和微风化。

根据地质勘察报告，主要的岩土层物理力学参数见表1。

表1 观澜调蓄池主要岩土层的物理力学参数建议值

1.3 基坑支护结构设计方案

基坑东侧：离用地红线约9m，为观澜高尔夫球场宿舍楼，根据场地条件，采用上部永久性放坡结合下部冲孔灌注桩加锚索支护，桩间设喷混凝土护面，放坡段采用锚杆格构护坡，局部中风化岩层在基坑内出露较早，考虑到在中风化岩体中成桩较难，冲孔桩嵌入中风化岩体一定深度，桩下岩石边坡采用喷锚支护；

基坑西侧：距离基坑20～28m为观澜河，根据场地规划，采用桩锚支护，桩下岩石边坡采用喷锚支护，桩间设喷砼护面，在接箱涵位置采用冲孔桩+钢管支撑及土钉墙支护；

基坑北侧：距基坑20m外分布鱼塘，根据场地条件，采用上部永久性放坡加下部桩锚支护，桩间设喷混凝土护面，放坡段采用锚杆格构护坡，非嵌入式支护桩下岩石边坡采用喷锚支护；

基坑南侧：距离较远处为焦坑水库，根据场地条件，采用上部永久性放坡结合下部桩锚支护，桩下岩石边坡采用喷锚支护，桩间设喷混凝土护面，放坡段采用锚杆格构护坡，非嵌入式支护桩下岩石边坡采用喷锚支护。基坑各侧的支护设计安全等级均为一级。

根据水文地质条件及周边水系分布，考虑到场地强风化粉砂岩的透水性及中风化裂隙水丰富，基坑采用帷幕灌浆止水。基坑永久性边坡按照坡率1∶1放坡，并采用钢筋混凝土格构梁+锚杆进行支护，其中格构梁菱形布置，锚杆亦按“菱形”布置，格构梁施工完毕后，在格构梁内客土喷混植生进行绿化。

根据观澜调蓄池基坑支护设计安全等级、场地地质及环境条件，深基坑围护主要采用“吊脚桩”型式的桩锚支护，调蓄池顶部以上支护作为永久性支护，典型剖面的吊脚桩支护如图1所示。

图1 吊脚桩支护示意图

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

为分析爆破震动对吊脚桩支护体系的影响，沿着典型断面取50m×9m建立数值计算模型，如图2所示，模型范围内包含5根桩，共由199725个单元与38270节点构成，模型边界采用动态边界。

现场爆破要求距基坑开挖线内侧周边2.5m范围内采用分工风镐凿岩修边，2.5～10m采用静态爆破，10～30m采用浅孔爆破，30m外采用深孔爆破。由于爆破震动衰减很快，通常在1～2s内结束，且由于采用分段爆破，其振动峰值主要由单段最大装药量控制。为提高计算效率，对爆破过程的模拟简化如下：只考虑两排炮孔的影响，通过在炮孔内施加速度或者压力荷载模拟爆破，其加载的峰值根据单段装药量进行换算，即采用不同的爆破震动峰值速度时程来模拟爆破影响，进而分析爆破震动对吊脚桩支护体系的影响。炮孔布置如图3所示，炮孔间距2m，深度近似3m，装药深度2m。爆破震动时监测特征点布置如图4所示。

图2 数值计算模型

图3 爆破作用模拟时炮孔布置

图4 爆破震动模拟时监测特征点布置

2.2 爆破荷载的施加

通过对模型施加动荷载来模拟材料在动力作用下的响应，动力荷载输入是：加速度时程，速度时程，应力时程和集中力时程。爆破开挖过程中，爆破产生的冲击波波形主要部分可以简化为一个三角波，为使问题简化，在炮孔周边节点采用速度加载，加载曲线如图5所示，不考虑其它荷载的影响。

图5 爆破荷载加载压力时程曲线

2.3 数值模拟结果分析

2.3.1 塑性区分布

采用摩尔-库仑弹塑性本构模型，输入动荷载加速度时程进行深基坑工程动力响应分析，得到不同时刻基坑不同部位单元的塑性区状态，如图6所示。

从图6可以看出，当爆破刚刚开始时，炮孔受爆破压力作用，在3～4倍炮孔范围内，单元完全屈服，属于爆破粉碎区，此后应力波向外传播逐步衰减，达到基坑壁时振动强度已经大为衰减，其值可以采用萨道夫斯基公式进行预测与模拟。应力波通过基坑壁向地表传播，由于基坑挡墙一侧自由，上部亦自由，因此振动放大效应非常明显，造成表层土与桩间水泥浆产生塑性区。在爆破效应作用完全终止后，岩土介质内的塑性区，影响范围约在孔排距的1.0～1.5倍，因此如果炮孔距离挡墙过近，容易造成塑性区深入坑壁，造成局部失稳。通过分析各单元屈服形式，结果表明，在靠近炮孔位置，岩体主要以剪切破坏为主，而在吊脚桩顶部，水泥浆破坏形式主要为拉坏。

2.3.2 爆破震动放大效应

由于应力波传播的自由面效应，在基坑开挖爆破过程中，存在速度振动放大效应。图7给出基坑底部速度分布图，图8给出速度放大效应剖面图。从图中可以看出，自基底到吊脚桩顶部，速度放大效应明显，以5cm/s为基准，基坑底部的速度约为1.5cm/s，吊脚桩部位可向基坑变形，放大效应也非常明显，速度约为3.5cm/s，基坑顶部土体内速度最大，约为4.5cm/s，由于基顶土运动方向主要向上，故塑性区多分布于局部放坡段。根据放大效应反映出的规律，当基底振动速度为5cm/s时，灌注桩底部振动速度可放大两倍，达到10cm/s，桩顶部可达到20cm/s。

图6 爆破作用下不同时刻塑性区分布

图7 坑底拐角处速度峰值分布规律(相对振动速度)

图8 速度放大效应(剖面，5cm/s为基准)

2.3.3 特征点速度时程

为分析爆破地震波自坑底绕射，沿着坑壁岩体与吊脚桩向上传播时的振动特性。监测点记录水平振动速度时程如图9所示。从图9可以看出，虽然爆破震动自炮孔向水平方向随距离快速衰减，但如果以坑底振动作为参考标准，坑壁振动传播至桩底时，振动强度约上升1.5～2.0倍，而吊脚桩支护部分岩土体，由于桩体强度、刚度较高，且桩间土经过注浆处理，有锚索支护，桩体基本呈弹性状态，振动强度接近，此后爆破地震波传播至表层残积土中，由于该土层模量极低，且振动强度放大约2.0倍，造成坡脚部位出现拉应力，出现拉破坏。特征点速度时程反映的规律也就是爆破震动放大效应的规律。

图9 特征监测点速度时程

3 爆破震动对预留岩肩的影响

吊脚桩底部深入岩体，靠近基坑部分预留一定宽度的平台(也称为岩肩)以保证桩体的稳定性，但由于岩体裂隙发育，一旦爆破震动强度过大，很容易造成块体脱落，引起桩底平移。为此，采用块体离散单元方法建立模型，分析基坑壁不同节理分布情况下吊脚桩及周围岩土体的应力状态、动力响应，进而探讨合理的减振措施。研究中基坑壁节理分布主要有两种情况：①两组节理，一组与x轴倾斜45°，一组倾斜135°；②两组节理，一组水平向，一组垂直向。节理法向与切向刚度均取2e9GPa/m，黏聚力为100kPa，摩擦角25°，抗拉强度100kPa。炮孔距离基坑壁10m，炮孔壁振动速度10m/s，包含节理的模型如图10所示。限于篇幅，这里只给出倾斜节理的计算结果，塑性区分布如图11所示，速度时程如图12所示，最终的变形图如图13所示。模拟结果表明:节理的倾向对预留岩肩受爆破影响非常明显，在同等爆破作用下，倾斜45°节理极容易产生掉块等局部破坏现象，而水平+垂直节理组仅在岩肩顶部局部有变形增大迹象。

图10 模型图

图11 爆破作用后塑性区分布

分别降低爆破地震振动的幅值，研究不同情况下坑壁底部振动强度与塑性区分布规律，如图14所示，结果表明，只有当基底振动速度小于10cm/s时，岩土层中才不会产生塑性区。

4 防灾减灾措施

爆破震动是持续时间很短的高应变率相关问题，坑底平面内振动强度可用萨道夫斯基公式进行近似预测[8]，考虑基坑围护结构的高程放大效应，可预测出吊脚桩结构不同位置的振动效应，进而进行设计增加吊脚桩的稳定性。

图12 爆破作用下主要监测点速度时程

图13 爆破后预留平台变形(局部破坏)

图14 基坑底部振动强度与塑性区的关系

根据前面数值模拟分析及规律总结，对土岩二元地层结构深基坑爆破开挖施工，给出建议控制标准及措施进行振动影响控制，见表2，以便有效控制爆破对吊脚桩支护体系的影响。

表2 正常装药条件下吊脚桩振动速度建议控制标准

5 结论

(1)爆破震动是衰减很快的动力学过程，在炮孔区为爆破粉碎区，应力波向外传播逐步衰减，达到基坑壁时振动强度已大为衰减，其值可以采用萨道夫斯基公式进行预测。

(2)由于基坑的自由面使得应力波传播中出现动力放大效应，吊脚桩支护结构的振动水平约为坑底近坑壁的2～4倍。动力放大效应最大处为地表残积土、模量小、强度低，遭受爆破震动时容易松动破坏，尤其是放坡拐角位置。

(3)节理的倾向对预留岩肩受爆破影响非常明显，在同等爆破作用下，倾斜45°节理极容易产生掉块等局部破坏现象，降低爆破震动幅值，只有当基底振动速度小于10cm/s时，岩土层中才不会产生塑性区。

(4)为保证吊脚桩支护体系的稳定，给出振动速度控制建议值。基底边缘振动速度10～20cm/s以下，而预留桩前岩肩速度控制在8～15cm/s，地表土振动速度控制小于10cm/s以下，可一定程度降低预留岩肩的破坏，如果节理发育、倾向不利应取低值，节理不发育取控制指标区高值。