劉 林，鄭明新，張永偉，陳養(yǎng)強

（華東交通大學道橋與巖土工程研究所，江西南昌330013）

0 引言

目前隨著城市建設快速發(fā)展，加快了對城市地下空間的開發(fā)。當修建高層建筑或地下工程時，都會涉及大量深基坑工程問題。在地下水埋深較淺的基坑工程中，由于采取了相應的降水措施，使坑內外產(chǎn)生較大的水頭差，這必然會引起地下水的滲流，而地下水的滲流會引起工程事故，如基坑邊坡土體失穩(wěn)發(fā)生滑坡等，同時也會對周邊環(huán)境尤其是一些重要的建筑造成很大的影響［1］。然而，在對基坑支護體系的設計和穩(wěn)定性分析時，常將地下水壓力作為靜水壓力處理，這顯然并不符合實際情況。為了對基坑開挖中滲流場進行了解，文獻［2］通過對滲流場的分析，得到基坑滲流場在不同條件下的等勢線、流速及流量的變化規(guī)律。文獻［3－4］模擬了不同工況下基坑地下水的滲流情況并提出了對基坑的保護措施。文獻［5－7］對流固耦合進行了分析，得出了基坑開挖中地表沉降的變形。文獻［8］采用正交試驗的方法，對滲透系數(shù)、變形模量、帷幕深度及井點布置等影響地面沉降的因素進行了敏感性分析，得出了對地面沉降影響的主要因素。在此基礎上，本文基于滲流理論對基坑降水開挖變形進行分析，揭示基坑降水開挖過程中位移場的分布規(guī)律以及基坑在不同支護措施下的變形，為今后的基坑優(yōu)化設計和施工提供參考。

1 工程概況

某建筑場地四周均有建筑物、道路，且距離較近。基坑平面接近矩形，南北長約55 m，東西寬約32 m，開挖深度為10.5 m。場區(qū)土層分布見表1。

表1 土層分布

該基坑工程地下水主要為孔隙水和少量上層滯水。上層滯水主要賦存于素填土層下部，地下水位埋深2.4～5.5 m。孔隙潛水主要賦存于中砂及以下砂層，主要由贛江水側向補給及少量大氣降水通過上部黏土垂直補給。

2 計算模型的建立

基坑開挖深度10.5 m，寬度32 m，考慮到基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，因此模型的縱向取基坑寬度的3倍，豎直方向取基坑開挖深度的4倍，三維模型的尺寸為100 m×30 m×40 m，如圖1所示。

2.1 滲流及邊界條件

滲流初始條件為定水頭，水位線在地表以下3 m。計算中認為水位線以上土體所在區(qū)域為干燥，該區(qū)域沒有滲流作用；水位線以下土體為飽和土體。由于江內側向補給，在模型左、右兩側邊界設置常水頭。

圖1 模型網(wǎng)格劃分及邊界條件

計算模型的邊界條件包括位移邊界和滲流邊界［9］：

（1）位移邊界：三維計算模型底部各個方向全約束，X方向的兩個側面在X方向的位移為0，Y方向的兩個側面在Y方向的位移為0，頂面為自由表面。

（2）滲流邊界：模型底部為不透水邊界，X方向的兩個側面為透水邊界。

2.2 參數(shù)的選擇

基坑周圍為密集建筑物、重要的道路，無放坡條件；同時，由于地下水位較高，地下水的主要補給來源為地表水側向補給及部分大氣降水垂直補給。為了防止地下水對基坑的影響，同時保證基坑的穩(wěn)定，基坑采取排樁支護＋旋噴樁止水帷幕＋混凝土、鋼管支撐。

工程采用φ1 200 mm鉆孔灌注樁作為圍護結構，樁間距1 500 mm，樁身混凝土強度為C30，嵌入中風化砂礫巖0.7 m；排樁外側設置止水帷幕采用φ900 mm高壓旋噴樁。水平支撐采用一道鋼筋混凝土和兩道鋼管支撐。

由于深基坑圍護結構鉆孔灌注樁數(shù)目多，因此將圍護樁按剛度等效原則等效為地下連續(xù)墻，計算公式［10－11］為：

式中，D為鉆孔樁樁徑；t為樁凈距；h為等效后連續(xù)墻的厚度。

根據(jù)有關規(guī)范和地質勘察報告得到各土層物理力學參數(shù)，如表2所示。

表2 各土層物理力學參數(shù)

2.3 計算過程

模型的計算采用FLAC3D軟件，計算分6步進行，見表3。

在計算中土體采用摩爾－庫倫彈塑性本構模型；流體的本構模型為fl_iso各向同性滲流模型和fl_ null不透水材料模型；圍護樁采用實體單元進行模擬，本構模型為各向同性彈性模型；水平支撐構件采用beam結構單元，結構單元的安裝采用“單元生死”；基坑土體開挖采用“null”空模型。

表3 模型的計算步驟

模型在計算時，每步開挖前均進行降水至開挖面以下1 m處，然后按照“先開挖，后支撐”原則。（1）建立模型，分別對實體單元和結構單元進行單元劃分，計算初始地應力。（2）激活連續(xù)墻并將其設置為fl_null不透水材料模型，計算應力平衡。（3）使用“null”空模型對基坑實施開挖，并將開挖單元體設置為fl_null不透水材料模型進行計算。（4）激活第1道水平支撐結構單元；固定開挖面以下1 m處的孔隙水壓力為0，然后基坑開挖并將開挖單元體設置為fl_null不透水材料模型進行計算。（5）依次激活第2道、第3道水平支撐結構單元，重復以上操作直至完成開挖。

3 計算結果與分析

3.1 水平位移分析

圖2 樁身位移隨深度變化曲線

為了充分掌握基坑在開挖過程中圍護樁的變形，對樁體在不同深度分別設置了監(jiān)測點，通過監(jiān)測點得到其在不同開挖深度水平位移情況，如圖2所示。

由圖2分析可得：基坑在開挖過程中，圍護樁的變形趨勢是不同的。基坑開挖1 m在施加第1道水平支撐前，圍護樁已發(fā)生了形變，樁頂產(chǎn)生最大變形且變形值為4.12 mm；第一開挖步結束后，開挖深度的加大也就意味著樁內側的抗力不斷的減?。浑S著開挖的進行，樁身位移逐漸增大，分別在約5 m、8 m、11 m處達到最大值，最大值分別為9.42 mm、9.98 mm、11.23 mm，而后位移變形值逐漸減小，最終呈類似“胖肚”形曲線。各開挖深度樁身位移變形均在允許范圍。對于造成樁體變形的原因主要是因為基坑土體的開挖致使樁內側的抗力減小以及由于坑內降水開挖后，在坑內外兩側形成了較大的水頭差，在坑外側樁體受到較大的水壓力作用，所以在開挖后樁體產(chǎn)生了形變。

3.2 豎向位移分析

為了得到基坑在開挖后地表和基坑土體的沉降和隆起，在計算中分別設置了不同監(jiān)測點，監(jiān)測結果如圖3和圖4所示。

圖3 地表沉降隨坑邊距變化曲線

圖4 不同開挖深度坑底隆起變形曲線

由圖3可知：基坑開挖后，地表發(fā)生沉降，其變化規(guī)律為沿坑外方向先增大后減小直至為0。隨著開挖深度的不斷增加，位移曲線類似“勺”狀。對于地表發(fā)生最大沉降的位置并不在基坑的邊沿，而是在距基坑約（1／2～2／3）H的位置，坑外地表沉降最大值為15.32 mm。

由圖4可得：在靠近樁底部，坑底土體發(fā)生隆起量逐漸增大，最后發(fā)展為兩側向中間先增大后減小，至穩(wěn)定值形狀類似“馬鞍”形曲線。隨著開挖深度的增加坑底隆起也增大，最大值為29.42 mm。究其原因主要是因為土體開挖卸荷，使坑底土體產(chǎn)生回彈變形；施工現(xiàn)場地下水位埋深較淺，隨著基坑的不斷開挖，基坑圍護結構兩側形成了較大的水頭差。在滲流作用下，地下水向坑內流動，致使基坑底部的土體產(chǎn)生隆起。

3.3 變形控制分析

對于基坑變形的控制，在設計過程中常采用加大圍護結構的嵌固深度。以下對不同嵌固深度的坑底隆起和樁身位移進行了分析，如圖5和圖6所示。

圖5 不同嵌固深度坑底隆起變形曲線

圖6 不同嵌固深度樁身位移變化曲線

由圖5和圖6可見：在嵌固深度分別為6 m、8 m、10 m、12 m時，基坑最終開挖面的土體最大隆起值分別為29.55 mm、28.27 mm、27.33 mm、26.49 mm；其樁身側向位移最大值分別為11.23 mm、11.11 mm、11.01 mm、10.97 mm。由此可見，隨著圍護結構嵌固深度的增大，基坑最終開挖面的土體隆起值和圍護結構的側向位移均有所減小，但這種變化并沒有得到很大程度的改善，設計中結合數(shù)值分析結果以及施工成本考慮，可選擇嵌固深度約為2／3開挖深度為宜。因此，在控制坑底土體隆起值和圍護結構的側向位移時，雖然增加圍護結構的嵌固深度是一項重要手段，但需要綜合各種因素選擇恰當?shù)那豆躺疃取?/p>

4 結論

（1）由于基坑的開挖卸荷以及坑外較大的水壓力，致使樁體水平位移隨基坑開挖深度的增加而增大，直至開挖完成后趨于穩(wěn)定，最后呈“胖肚”形?；娱_挖完成后，樁體最大位移為11.23 mm，其值在形變允許范圍內。

（2）地表沉降沿坑邊先增大后減小，形成類似“勺”狀。各開挖步的地表位移沉降曲線的分布趨勢一致且隨開挖深度增加而增加，各開挖步最大沉降值分別為2.76 mm、12.71 mm、13.78 mm、15.32 mm。此外，隨著開挖的深入進行，坑內土體的回彈變形以及滲流作用，基坑底部土體隆起也隨之增加，最大隆起值為29.42 mm。

（3）通過對基坑圍護結構的嵌固深度探討發(fā)現(xiàn)，對于不同嵌固深度的基坑底土體隆起和圍護結構自身變形的減小量分別約為1.0 mm和0.1 mm，加大嵌固深度對于控制基坑底土體隆起和圍護結構自身變形并沒有起到明顯的作用，因此在設計時需要綜合各種因素選擇合適的嵌固深度。

（4）通過對基坑開挖后地表沉降、圍護結構的變形以及開挖面土體變形等分析，基坑工程中采取的支護措施對控制基坑的變形及減小對毗鄰建筑的影響起到了積極的作用。同時，也為今后復雜基坑開挖工程的設計和施工提供了借鑒。

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