仉文崗，吳嘉昊，韓馥檉，何昌杰，李建新，黎泳欽

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.中國建筑第五工程局有限公司 第三建設(shè)有限公司，長沙 410004)

近年來，隨著城市化進程的加快以及基建能力的提高，土地資源越來越寶貴。在一些礦產(chǎn)資源型城市中，出現(xiàn)了填埋廢棄礦坑進行空間開發(fā)的研究和項目，根據(jù)礦坑的具體特點，因地制宜地加以改造，將其再利用，作為博物館、娛樂場、風(fēng)景區(qū)等用于旅游商業(yè)開發(fā)。

在深廢礦坑中進行改造再利用施工對既有礦坑巖壁穩(wěn)定性的影響是一個極為重要的問題[1]。針對該問題，學(xué)者們已從多角度采用多手段探索巖質(zhì)邊坡的工程受荷行為，并評估其變形穩(wěn)定性[2-4]。此外，通過對巖質(zhì)邊坡受橋基荷載的研究分析發(fā)現(xiàn)：在一定區(qū)域內(nèi)由單一樁基傳遞到巖壁的荷載都可以近似成點式荷載[5-6]。當(dāng)巖質(zhì)邊坡作為上部建筑主體的承載對象時，為保證邊坡及上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，應(yīng)整體考慮巖壁與支承于其上的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)相互作用協(xié)調(diào)變形的過程[7-8]。然而，使用解析方法分析邊坡和樁基礎(chǔ)力學(xué)行為的研究往往以力或位移的形式簡化代替邊坡與結(jié)構(gòu)體的相互作用[5-6,9-10]，可能造成對結(jié)構(gòu)與巖體受力變形情況和破壞機制預(yù)測的不準(zhǔn)確。采用試驗和數(shù)值手段對巖質(zhì)邊坡受結(jié)構(gòu)荷載行為進行分析時，學(xué)者們通常只針對單個橋臺橋墩存在的情況進行模擬[11-14]，故考慮多點受荷情況以及荷載分布形式是查明巖質(zhì)邊坡受荷表現(xiàn)的重要條件。針對已有研究存在的問題，筆者以環(huán)形點式受荷條件下廢棄礦坑高邊坡為研究對象，探究其三維空間穩(wěn)定性問題以及巖壁與結(jié)構(gòu)協(xié)同作用變形機理?；诤舷娼瓪g樂城深廢礦坑再利用工程，針對在天然礦坑內(nèi)進行施工活動過程中涉及的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問題，以及在環(huán)形點式受荷條件下的巖壁與基礎(chǔ)相互作用、協(xié)同變形問題，采用PLAXIS軟件對巖壁點式環(huán)形支承的大空間建筑與深廢礦坑巖壁協(xié)同作用進行了三維有限元建模分析。

1 工程概況

圖1 廢棄礦坑基本情況

礦坑平面可近似為兩個尺寸不同的橢圓，主體建筑結(jié)構(gòu)集中在北側(cè)深坑，通過墩柱結(jié)構(gòu)支承于礦坑各級巖壁之上，矩形排列的柱結(jié)構(gòu)通過橫梁連接，如圖2所示。場地存在礦坑開采高邊坡，主要為巖質(zhì)邊坡，擬建物距坑壁最近距離為5～10 m?？颖谶吰赂?0～50 m，坡度80°左右。

圖2 建筑結(jié)構(gòu)及巖壁支承情況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造及水文條件

擬建場地?zé)o全新世活動斷裂，可不考慮斷裂對場地的穩(wěn)定性影響。場地存在多級不規(guī)則邊坡，經(jīng)雨水沖刷、掏空，邊坡多處出現(xiàn)小范圍坍塌現(xiàn)象，但現(xiàn)狀整體基本穩(wěn)定。建筑主體結(jié)構(gòu)施工時，應(yīng)采取必要措施對高邊坡進行支護處理。

場地深度范圍內(nèi)地下水主要為上層滯水及基巖裂隙水。上層滯水分布于場地的人工填土中，穩(wěn)定的水位埋深在5.00～6.10 m之間，水量較??；基巖裂隙水存在于場地基巖灰?guī)r中。兩者水力聯(lián)系相通，無穩(wěn)定隔水層。

上層滯水對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕、對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕。據(jù)勘測結(jié)果，主體結(jié)構(gòu)場地范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)溶洞，局部有溶蝕現(xiàn)象，故不考慮巖溶空洞影響。

1.2 地層巖性

場地主要巖土層分布為：雜填土①(①為地層代號，下同)結(jié)構(gòu)松散～稍密狀，場地內(nèi)廣泛分布，平均厚度7.81 m；粉質(zhì)黏土④一般為硬塑狀，局部可塑狀，場地內(nèi)局部分布，平均厚度8.21 m；巖層主要為完整性程度較破碎～破碎的微風(fēng)化灰?guī)r⑨-3，為裂隙塊狀或中厚層狀構(gòu)造，屬較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，其下分布有微風(fēng)化灰?guī)r⑨(Dq)，厚層狀構(gòu)造，屬堅硬巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD=75～90))較好，該層為場地基巖。

2 數(shù)值模型建立

針對湘江歡樂城項目深廢礦坑商業(yè)開發(fā)建設(shè)過程中的巖壁及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，采用PLAXIS軟件對場地巖土體及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進行三維有限元建模分析。主體區(qū)域下臥礦坑平面幾何形態(tài)近似長軸240 m、短軸160 m的橢圓形，為簡化建模，將不規(guī)則的礦坑平面形態(tài)近似成多個折線段開展數(shù)值模擬，并假設(shè)經(jīng)工程壁面處理后的坑底為平面；將主體建筑下臥區(qū)域假定為相同的坡面形態(tài)，4級放坡，如圖4(a)所示。模型尺寸500 m×500 m×80 m(x-y-z軸)。

為簡化數(shù)值模型，建模時考慮各層巖土體為近似水平分布，粉質(zhì)黏土層主要分布于場地建筑主體結(jié)構(gòu)西南側(cè)，故建模時考慮粉質(zhì)黏土層由模型邊界向模型中部逐漸尖滅；場地地層建模情況與主要參數(shù)見圖3和圖4。采用四面體單元對巖土體進行模擬，該種類型的網(wǎng)格單元可適應(yīng)并模擬復(fù)雜的幾何模型[15]。

圖3 巖土層分布及參數(shù)

圖4 湘江歡樂城工程三維數(shù)值模型

由于有限元軟件內(nèi)部未區(qū)分土與巖的材料差異，只能采用本構(gòu)模型與物理力學(xué)參數(shù)對巖土層的性質(zhì)進行定義和劃分。但限于計算效率和節(jié)理面信息缺失，對灰?guī)r層進行建模時未考慮節(jié)理面的存在，故數(shù)值模擬中的巖體各向同性。模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要包括：礦坑坡面與底面進行巖壁處理施作面板、上部建筑主體底面(將上部建筑結(jié)構(gòu)簡化為承載豎向荷載的建筑底板)、傳力柱以及下部連接的基礎(chǔ)、連接柱的梁。結(jié)構(gòu)的模擬情況見表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

對礦坑巖壁穩(wěn)定性分析模型施工步驟共考慮建立9個分階段，如表2所示。巖壁與結(jié)構(gòu)協(xié)同分析模型在上述穩(wěn)定性分析基礎(chǔ)上，增設(shè)巖壁或結(jié)構(gòu)受力變形突變的計算步驟，如表2中最后一步。

表2 模型施工步驟設(shè)置

3 礦坑巖壁穩(wěn)定性分析

3.1 自然狀態(tài)下礦坑巖壁蠕變

圖5是經(jīng)過長期變形穩(wěn)定后的礦坑變形云圖(俯視圖)。在無工程施工的情況下，礦坑坡面及坑周土體變形值保持在較低水平。變形基本發(fā)生在上部雜填土和粉質(zhì)黏土層內(nèi)，即第1層放坡面位置處。淺層軟弱土體受卸荷作用影響，產(chǎn)生12.62 mm的變形，且以向上的隆起為主，坡度較緩的斜坡面產(chǎn)生了少量的側(cè)向位移。深部巖體力學(xué)性質(zhì)好，卸荷、蠕變產(chǎn)生的變形可忽略。

圖5 礦坑自穩(wěn)變形云圖

3.2 施工擾動下礦坑巖壁變形

礦坑坡面在結(jié)構(gòu)施工擾動的情況下，位移主要發(fā)生在性質(zhì)較差的填土或黏土層中的結(jié)構(gòu)接觸位置，且以沉降和面向巖體的壓縮變形為主，坡頂位置產(chǎn)生少量隆起和向臨空面的位移；巖體在受荷作用下發(fā)生的變形量可忽略。

上部均布荷載由0 kN/m2逐步增大至80 kN/m2，以模擬建筑主體結(jié)構(gòu)施作，巖土體最大位移由19.31 mm增大至34.98 mm。此外，隨著柱、基礎(chǔ)傳遞的豎向荷載值逐漸增大，土體位移水平分量占比逐漸減小，雜填土(及粉質(zhì)黏土)層中土體位移形式逐漸轉(zhuǎn)變以沉降為主。

4 巖壁與結(jié)構(gòu)協(xié)同作用分析

在礦坑自然狀態(tài)及結(jié)構(gòu)正常運營狀態(tài)變形穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，本章節(jié)針對兩個基本問題進行分析：環(huán)形點式巖壁支承建筑荷載變化及局部巖壁大變形引起的巖壁、結(jié)構(gòu)安全性問題；支承于巖壁上的柱基礎(chǔ)發(fā)生突發(fā)性破壞時，巖壁及周邊結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況。

4.1 局部結(jié)構(gòu)超載作用

對上臺階局部施加變荷載，以探索位于雜填土層(或粉質(zhì)黏土層)中的上臺階承受過大結(jié)構(gòu)荷載會對周圍巖體、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生怎樣的受力變形影響。大范圍區(qū)域內(nèi)施加恒定的豎向均布荷載40 kN/m2，隨后上臺階以及地表局部位置承受由柱和基礎(chǔ)傳遞的豎向荷載由40 kN/m2逐漸增大至160 kN/m2。

當(dāng)雜填土中的上臺階基礎(chǔ)承受由柱傳來的160 kN/m2的豎向荷載并傳遞至巖壁時，根據(jù)圖6巖土體位移矢量圖可以看出，第1級放坡臺階處的雜填土受重荷發(fā)生了大幅度下沉，最大值58.5 mm，而坡頂放坡位置發(fā)生小幅度側(cè)向位移11.3 mm。下部各級臺階承重處產(chǎn)生的受壓沉降基本可控。

圖6 上臺階局部荷載情況下巖土體位移情況

圖7是在局部荷載變化過程中支撐于各級臺階上的柱結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的最大變形值變化情況。變荷載施加在第1級臺階柱上，由于采用的是線彈性結(jié)構(gòu)單元模擬傳力柱，故初臺階柱體變形值隨豎向荷載線性增長，且最大值皆發(fā)生在柱頂。由上臺階承受的局部大荷載，傳遞到了第2級臺階處，造成了該臺階的巖壁以及支撐于其上的基礎(chǔ)與柱結(jié)構(gòu)變形值有所增大。而第3級臺階和坑底結(jié)構(gòu)基本不受上部臺階荷載的影響，只于直接施加在其上的建筑荷載相關(guān)。

圖7 上臺階局部荷載變化引起的各級臺階柱結(jié)構(gòu)變形

4.2 巖壁突發(fā)大變形作用

初臺階局部下沉引起的周圍基礎(chǔ)柱體結(jié)構(gòu)受力和變形差異見圖8，在發(fā)生局部大變形前，巖壁在承受環(huán)形點式荷載的作用下，支承于各級臺階上的柱結(jié)構(gòu)變形分布較為平均，均在15～25 mm之間；發(fā)生局部大變形之后，支承在局部初臺階以及相鄰兩級臺階上的柱體發(fā)生的位移大幅增長，漲幅最大達(dá)到了247%，而分布于坑底和第3層臺階上的基礎(chǔ)柱體未受到較大的影響。圖8(b)是對應(yīng)的軸力最大值絕對值對比，結(jié)論與變形結(jié)果相似，下沉的臺階與相鄰臺階上的結(jié)構(gòu)受影響程度較大，且軸力急劇增長至387.7×103kN。在實際工程中，工程結(jié)構(gòu)材料非線性，過大軸力值可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體進入屈服甚至屈服后狀態(tài)，造成區(qū)域內(nèi)多個柱結(jié)構(gòu)失效。故雜填土或粉質(zhì)黏土層若發(fā)生大變形，可能會對基礎(chǔ)以及支承結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重不良影響。

圖8 上臺階局部下沉前后柱體受力變形情況對比

4.2.2 斜坡面法向位移 對第2級放坡側(cè)壁施加法向位移，模擬巖體表面突發(fā)垮塌破壞對巖壁和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。面位移情況如圖9所示。局部變形之前，巖土體中產(chǎn)生的最大位移為31.8 mm，且集中在第1層臺階支承基礎(chǔ)的位置。施加局部斜向位移后，巖壁最大位移增大至56 mm(減去了施加的位移)，典型剖面的變形矢量如圖9所示。上部兩臺階以及斜向坡范圍內(nèi)的巖壁表面受卸荷作用，發(fā)生向臨空面的大幅變形，但并未發(fā)展到巖體內(nèi)部位置，第3級臺階和坑底巖體所受影響較小。

圖9 巖壁法向大變形后的典型位移矢量圖

局部巖壁的側(cè)向位移對支承在各級臺階上的基礎(chǔ)和柱結(jié)構(gòu)的變形存在較大的影響。巖壁受卸荷作用向臨空面發(fā)生變形，使得其上的柱體變形形式由沉降為主轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)向為主。圖10展示了第3級臺階上的柱體在施加局部位移前后的變形情況。在正常承載工況下，柱體發(fā)生少量下沉位移，側(cè)向變形發(fā)生在柱身下部，而在巖壁面發(fā)生突然的側(cè)移后，各級臺階表面巖體都發(fā)生了不同程度的隆起和斜向變形，因此造成了其上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生相似的變形：柱體發(fā)生上移，并且側(cè)移量相較之前增幅極大。柱體頂部往往考慮歸結(jié)于上部結(jié)構(gòu)底面，下端產(chǎn)生較大的側(cè)向位移會在柱體內(nèi)部產(chǎn)生較大的剪力和彎矩，可能會對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成危害。故巖壁斜坡若發(fā)生較大的側(cè)向位移，可能會對支承結(jié)構(gòu)以及上部建筑主體的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重不良影響。

圖10 坡面位移前后柱體的變形模式(變形放大40倍)

4.3 單柱失效荷載傳遞機制

針對不同臺階處的單個傳力柱結(jié)構(gòu)失效，以模擬施工意外或過大荷載造成的單柱失效，探究荷載向周圍梁、柱的傳遞機制。

根據(jù)計算結(jié)果，單個柱體的失效，造成梁結(jié)構(gòu)的局部懸空，該位置的下沉量由30.92 mm急劇增大至178.4 mm，如圖11(a)所示。支承情況的變化也造成了梁的內(nèi)力變化，圖11(b)是柱失效前后的梁彎矩圖，彎矩分布形式發(fā)生了明顯變化，其數(shù)值也增長至5倍。梁變形和受力大幅增長，可能會造成混凝土開裂，影響梁的承載效果。

圖11 單柱失效前后其連接梁的變形受力圖

單柱失效后，其上原本的豎向荷載通過梁和主體結(jié)構(gòu)底板轉(zhuǎn)移到其他柱體。通過分析發(fā)現(xiàn)，支承在雜填土和粉質(zhì)黏土層中的柱體承受的荷載遠(yuǎn)小于支承與巖體上的柱體承受的荷載，故其失效造成周圍柱體荷載增量可忽略不計；而支承與巖壁上的柱失效后，會造成周圍各柱的承載情況發(fā)生不同程度的增加。表4列出了支承于第2層臺階巖壁的單柱失效后，周圍柱體的軸力變化情況。下部巖壁上的各單樁失效情況與此相似。

表4 第2層臺階單樁失效前后周圍柱內(nèi)力

由表4結(jié)果可知，單個基礎(chǔ)或傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載的樁體失效，主要會對連接于其上的橫向和縱向梁產(chǎn)生較大的內(nèi)力、變形增量。支承在巖壁上的單樁失效后，其原本承受的荷載會轉(zhuǎn)移到周圍其他樁，造成周圍樁體內(nèi)的軸力值增大，但增幅不大，不會造成漸進式的連續(xù)樁體破壞。

5 結(jié)論

以湘江歡樂城項目中的深廢礦坑再利用開發(fā)工程為例，通過數(shù)值模擬手段，對天然礦坑巖壁在點式環(huán)向受荷條件下巖壁的穩(wěn)定性問題以及巖壁與結(jié)構(gòu)協(xié)同作用問題開展了深入研究，得到以下主要結(jié)論：

1)在天然狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)正常運營樁體下，礦坑巖壁產(chǎn)生的變形量基本可控且僅發(fā)生在靠近臨空面的表層土中。

2)局部結(jié)構(gòu)超載會導(dǎo)致鄰近巖壁與基礎(chǔ)的下沉增量，但對深部巖體影響甚微。

3)巖壁由于突發(fā)災(zāi)害產(chǎn)生的局部大變形，會對鄰近部位的基礎(chǔ)以及支承結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成不良影響，嚴(yán)重者可致區(qū)域性的結(jié)構(gòu)失效，從而影響上部主體結(jié)構(gòu)的安全運營。

4)單個基礎(chǔ)或傳遞結(jié)構(gòu)荷載的樁體失效后，荷載大量傳遞至其上連接的梁結(jié)構(gòu)，可能導(dǎo)致梁結(jié)構(gòu)局部開裂甚至逐漸發(fā)展為斷裂失效。但轉(zhuǎn)移到周圍其他樁的荷載有限，不會造成漸進的連續(xù)樁體破壞。