李 新 祥

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,80%以上的深基坑工程事故與水有關(guān)[1].對于軟土地層場地,土體強度低、變形大、流塑性明顯、滲透性差、地下水位高,更易引發(fā)基坑失穩(wěn)事故.為阻止側(cè)壁及底部的地下水流入基坑,設(shè)置連續(xù)止水帷幕是有效的方法[2].文獻(xiàn)[3-5]對水力條件下的基坑內(nèi)部滲流場特征進行過深入討論,但缺少對止水帷幕下滲流流速及水力梯度等重要滲透參數(shù)變化的定量分析,以及由此確定基坑開挖時的穩(wěn)定性規(guī)律.

本文針對某大型軟土深基坑開挖工程,開展現(xiàn)場基坑止水帷幕+雙排樁+錨索支護的數(shù)值模擬研究,據(jù)此驗證止水和支護措施的合理性,校核位移監(jiān)測結(jié)果,對設(shè)計和現(xiàn)場提出合理建議,達(dá)到確保施工安全的目的.

1 現(xiàn)場簡介

某基坑場地的地貌單元類型為遼河三角洲沖積平原邊緣,地形較為平坦.場地由上至下由雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂等地層組成,各主要地層內(nèi)基本都有軟弱夾層分布.該地基土屬于典型的壓縮性軟土,局部有中等壓縮性.

圖1為基坑的止水及支護結(jié)構(gòu)立面圖,根據(jù)圖1,對基坑的止水及支護措施說明如下.

圖1 基坑止水及支護結(jié)構(gòu)立面圖Fig.1 Elevation of waterproof and supporting structures of foundation pit

1) 帷幕止水措施.①止水樁位于支護樁和錨樁的外側(cè),樁徑500 mm,樁長17.0 m(嵌固深5.0 m),樁心距350 mm.相鄰樁的咬合寬度150 mm,呈正三角形布設(shè).②固化劑采用32.5#水泥,質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%,要求全程復(fù)攪1次.③在基坑開挖過程中,在基坑四周設(shè)排水溝對基坑內(nèi)少量滲水進行明排,保證地下水位低于坑底1 m左右.

2) 支護措施.①基坑上部4.0 m設(shè)置1∶1.5放坡,坡面掛BWG14×2鍍鋅電焊鋼絲網(wǎng)并噴C20混凝土,厚度80 mm.②基坑下部8.0 m采用雙排樁+錨索支護,支護樁中心距1 000 mm,樁長16.5 m;后排錨樁中心距2 000 mm,樁長13.5 m;支護樁與錨樁排距4 000 mm,錨索中心距1 000 mm.樁與拉梁均采用C25混凝土,鋼筋采用HRB400主筋、HPB235箍筋和HRB335加勁筋,鋼筋保護層厚度分別為50 mm和40 mm.③錨索材料為低松弛高強度鋼絞線,強度fptk=1 860 MPa,傾角20°～25°交叉布置,灌注純水泥漿.在樁間土掛BWG14×2鍍鋅電焊鋼絲網(wǎng)并噴C20混凝土,厚度50 mm,鋼絲網(wǎng)外采用?6.5@500 mm鋼筋與樁進行可靠連接.

2 計算模型

基坑模擬計算區(qū)域設(shè)定為:南北x方向,模擬長度360 m;東西y方向,模擬寬度200 m;深度z方向,至地表以下30 m.基坑開挖范圍為南北方向180 m,東西方向90 m.由于基坑具有幾何模型和受力條件的對稱特征,可選取整體的1/4區(qū)域作為分析對象[6].

滲流邊界條件設(shè)定為:北、西邊界為不透水邊界;南、東邊界為常水頭入滲邊界(地下水埋深2 m);模擬區(qū)底邊界為不透水邊界;基坑開挖坑底標(biāo)高下1 m為常水頭透水邊界.位移邊界條件設(shè)定為:南、北邊界x方向固定;東、西邊界y方向固定;底邊界z方向固定;頂邊界為位移自由邊界.

采用FLAC3D軟件建立基坑開挖的數(shù)值計算模型,得模擬區(qū)地層網(wǎng)格圖和止水帷幕及支護結(jié)構(gòu)圖(圖2).

圖2 開挖后地層網(wǎng)格和開挖后止水帷幕及支護結(jié)構(gòu)Fig.2 Formation grid after excavation and waterproof and supporting structures after excavating

3 模擬結(jié)果分析

3.1 滲 流

圖3為基坑帷幕止水后孔隙水壓力(PP)云圖.由圖3可見,基坑內(nèi)同一高程上各點的孔隙水壓力相近,在止水帷幕外孔隙水壓力形成一定的變化曲線.

圖3 PP云圖

圖4和圖5分別為y=0剖面和x=0剖面的孔隙水壓力(PP)云圖和流速(flow)矢量圖.由圖4和圖5可見,在開挖和止水帷幕作用下,基坑內(nèi)外水頭差使地下水繞過止水帷幕底部向坑底流動,這是坑底產(chǎn)生隆起的主要原因之一.為保持基坑的滲透穩(wěn)定,設(shè)計帷幕止水樁的埋深為5.0 m,此時最大水力梯度位于帷幕底部,止水帷幕附近的滲流速度變化較大,能較好地保持基坑的滲透穩(wěn)定.

圖4 PP云圖和flow矢量圖(y=0剖面)Fig.4 PP cloud picture and flow vector graph for y=0

圖5 PP云圖和flow矢量圖(x=0剖面)
Fig.5 PP cloud picture and flow vector graph forx=0

圖6為坑底水平剖面的孔隙水壓力(PP)云圖和流速(flow)矢量圖.由圖6可見:從滲入到滲出邊界,等勢線逐漸變密,在角點處達(dá)到最密值;流速矢量從中部向側(cè)壁逐漸變大,在逸出點處達(dá)到最大值,說明角點和逸出點附近最易達(dá)到臨界水力梯度而導(dǎo)致滲透破壞.

圖6 PP云圖和flow矢量圖(坑底剖面)

Fig.6 PP cloud picture and flow vector graph for the bottom section of foundation pit

3.2 水平位移

圖7為東側(cè)樁頂1～4監(jiān)測點的東西向水平位移(ydis)變化,圖8為南側(cè)樁頂5～8監(jiān)測點的南北向水平位移(xdis)變化.由圖7和圖8可以看出如下特征.

1) 無論是基坑長邊還是短邊,基坑側(cè)壁水平變形的分布規(guī)律一致.

2) 靠近基坑中部的監(jiān)測點變形較大,而兩邊的變形相對較小.其中,東側(cè)1～4測點由中部向側(cè)邊布設(shè),南側(cè)5～8測點由側(cè)邊向中部布設(shè).東側(cè)監(jiān)測點最大水平位移值為-4.8 mm,南側(cè)監(jiān)測點最大水平位移值為-3.1 mm.可見,與未考慮帷幕止水相比[6],最大位移值減小很多.

3) 基坑各側(cè)壁的水平變形規(guī)律均為樁頂?shù)乇砉诹禾帪樽畲?而向深部逐漸減小,說明基坑最終呈現(xiàn)懸臂變形特征.

圖7 基坑?xùn)|側(cè)樁頂冠梁4個監(jiān)測點ydis變化圖

圖8基坑南側(cè)樁頂冠梁4個監(jiān)測點xdis變化圖

Fig.8 Change chart ofxdis of 4 monitoring points of beam at the top in the south

3.3 周邊沉降

圖9為東部地表11～14沉降監(jiān)測點的豎向位移(zdis)變化(向上為正),圖10為南部地表15～18沉降監(jiān)測點的豎向位移(zdis)變化.由圖9和圖10可以看出以下特征.

1) 無論是基坑長邊還是短邊,基坑周邊沉降變形的分布規(guī)律一致.

圖9 基坑?xùn)|部地表4個監(jiān)測點zdis變化圖

圖10基坑南部地表4個監(jiān)測點zdis變化圖

Fig.10 Change chart ofzdis of 4 monitoring points of soil mass in the south

2) 11～14監(jiān)測點(東側(cè))和15～18監(jiān)測點(南側(cè))的沉降變形值基本相等.東側(cè)周邊沉降位移最大值約為-7.6 mm,南側(cè)周邊沉降位移最大值約為-6.4 mm.可見,較之未考慮帷幕止水的計算值[6]相比,最大沉降值有所減小.

3) 在基坑周邊的各剖面豎向位移計算結(jié)果表明,越靠近基坑內(nèi)部沉降值越大,而向坑外呈現(xiàn)有規(guī)律減小的特征.

3.4 坑底回彈

圖11為基坑中心點9、10豎向位移監(jiān)測點zdis位移(坑底回彈)變化圖.由圖11可以看出以下特征.

圖11基坑坑底2個監(jiān)測點zdis變化圖

Fig.11 Change chart ofzdis variation diagram of 2 monitoring points of the bottom of foundation pit

1) 坑底中心的9、10監(jiān)測點回彈變化規(guī)律基本一致,均隨著基坑開挖及支護的推進而逐漸增大(9監(jiān)測點位于放坡開挖后的基坑中心點,開挖后該點被挖掉,不存在位移).

2) 基坑開挖完畢后,坑底中心點回彈位移最大值約為146.92 mm,較之不考慮基坑止水時[6]略有增大.

3) 坑底最大隆起點位于基坑中心,越靠近坑壁隆起量越小.這是由于內(nèi)外水頭差引起地下水向坑底流動,同時止水帷幕對基坑邊角起到了約束作用.

3.5 總變形

圖12為基坑南北對稱剖面總變形圖,圖13為東西對稱剖面總變形圖.由圖12和圖13可以看出以下特征.

1) 兩方向基坑對稱剖面的位移矢量和變形規(guī)律一致.

2) 支護樁位移在頂部最大,沿深度逐漸變小,呈倒三角形分布;由于土中應(yīng)力釋放,支護樁產(chǎn)生向上位移,對坑壁、地表及樁體自身穩(wěn)定性產(chǎn)生較大危害,該特點在軟土地層顯得尤為突出.

3) 坑底部的土體變形特征為中間隆起最大,向兩側(cè)逐漸減小.

4) 距離樁體一定范圍內(nèi)的土體沉降呈現(xiàn)先增大再減小趨于平緩的趨勢.

圖12 位移矢量圖及變形云圖(y=0剖面)Fig.12 Displacement vector and deformation for y=0

圖13位移矢量圖及變形云圖(x=0剖面)
Fig.13 Displacement vector and deformation forx=0

4 結(jié) 論

1) 采用FLAC3D,建立了基坑地層、止水帷幕、支護樁、冠梁、錨索等結(jié)構(gòu)模型,模擬分析結(jié)果證實了軟土地區(qū)采用止水帷幕+雙排樁+錨索施工的可行性和合理性.

2) 采用嵌入坑底深度5.0 m的基坑止水樁可以保證滲流穩(wěn)定性的要求,不會出現(xiàn)管涌和流土等滲透破壞現(xiàn)象.等勢線在角點處達(dá)到最密;流速在止水帷幕附近變化較大,在逸出點處達(dá)到最大.因角點和逸出點附近最易達(dá)到臨界水力梯度,有必要在該處采取局部加固措施.

3) 坑周水平位移和沉降基本滿足規(guī)范要求,由于模擬中未考慮到樁間土掛網(wǎng)噴砼二次護壁、放坡處掛網(wǎng)噴砼支護、坑底截排水等有益基坑穩(wěn)定的其他措施,因此認(rèn)為設(shè)計方案基本滿足位移要求.坑底回彈超過100 mm,高出預(yù)警值約1倍,因此要及時施工坑底抗拔樁和基礎(chǔ)墊層,并加快上部主體建筑的施工進度.

4) 本文在模擬分析時,地表按水平面考慮,基坑平面簡化為矩形,實際滲透漏斗可能有更大的影響范圍,底邊界設(shè)為不透水邊界可能對實際的滲流路徑產(chǎn)生影響.應(yīng)對模型作進一步改進,提高分析結(jié)果的精確性.