何 應(yīng) 道

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430071； 2.水下隧道技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心， 湖北 武漢 430071)

近年來,眾多的跨海大橋、深水筑港、大型地鐵隧道等工程的建造使中國(guó)已經(jīng)成為了舉世聞名的交通大國(guó)，我國(guó)在沿江、近海等地下水豐富的地區(qū)大量修建了穿江過海的公路或地鐵等戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性工程，而這些工程往往需要在高水壓、強(qiáng)滲透地層中開挖修建深基坑，會(huì)對(duì)天然土層的應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)造成巨大影響[1-3]，使得滲流作用對(duì)基坑變形與穩(wěn)定性影響的研究成為目前工程設(shè)計(jì)與施工中的難點(diǎn)問題。

國(guó)內(nèi)外在深基坑變形方面研究較多，Ou等[4]采用有限元法進(jìn)行不排水分析和排水分析研究得出，當(dāng)基坑工程開挖周期較長(zhǎng)時(shí)，排水分析較為符合實(shí)際情況。Richard等[5]采用數(shù)值模擬方法研究得出了粘性土層基坑的各項(xiàng)變形規(guī)律特征。劉歷波等[6]在進(jìn)行數(shù)值模擬分析考慮地下水的滲流作用得出的深基坑的各項(xiàng)變形模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果較為吻合。張小偉等[7]通過有限元ABAQUS研究軟土地區(qū)深基坑的變形情況，研究表明滲流對(duì)基坑變形的影響不容忽視。李體康[8]基于滲流應(yīng)力耦合理論和修正劍橋模型(MCC)，結(jié)合某工程算例分析了基坑周邊的滲流場(chǎng)變化和基坑各項(xiàng)變形，發(fā)現(xiàn)沒有考慮滲流作用的結(jié)果偏于不安全，而考慮滲流合作用能較為準(zhǔn)確反映基坑滲流與變形情況。目前，我國(guó)對(duì)基坑開挖時(shí)的滲流場(chǎng)變化和變形情況大都依賴傳統(tǒng)簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)公式[9-11]，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)下的工況很難進(jìn)行更準(zhǔn)確的計(jì)算，因而漸漸不能滿足日益提高的工程要求。柳治富等[12]從土的組成和水動(dòng)力條件兩方面來評(píng)價(jià)武漢長(zhǎng)江隧道工程基坑土體的滲透穩(wěn)定性，且進(jìn)一步提出了抵御基坑土體滲透變形的方法和應(yīng)對(duì)措施。曾锃等[13]以某水庫(kù)大壩反濾層的滲透穩(wěn)定性研究為例嘗試了一種用傳統(tǒng)滲流理論確定工程體滲透穩(wěn)定的薄弱部位，用顆粒分析方法研究其滲透穩(wěn)定性的新方法。

總的來說，國(guó)內(nèi)外的基坑設(shè)計(jì)規(guī)范考慮滲流影響的不多，而在強(qiáng)滲透地層中，滲流對(duì)基坑變形的影響[14-16]不容忽視。而我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)于強(qiáng)滲透地層的基坑研究還較少，對(duì)于強(qiáng)滲透地層中滲流作用的影響與規(guī)律還缺乏深入的研究與認(rèn)識(shí)，本文以常德沅江隧道江北明挖暗埋段基坑工程為研究對(duì)象，利用流固耦合數(shù)值模擬方法，研究不同的土層滲透系數(shù)對(duì)深基坑變形和基坑底部滲流穩(wěn)定的影響，得到了一些有益的結(jié)論，本研究在工程中具有重要意義和先進(jìn)性。

1 工程背景及計(jì)算模型

1.1 工程背景

常德沅江隧道明挖段基坑根據(jù)結(jié)構(gòu)型式的不同可分為敞開段、暗埋段及工作井3部分，基坑總長(zhǎng)約560 m(江南明挖段總長(zhǎng)290 m，江北總長(zhǎng)270 m)，基坑開挖深度1.3 m～21 m，基坑寬度為：敞開段約22 m，暗埋段約28 m～35 m，工作井寬34 m～36 m。其中，含水圓礫層透水性強(qiáng)，滲透系數(shù)最大可達(dá)6×10-4m/s，且距離沅江較近，基坑側(cè)壁涌水量很大。沅江隧道江北里程YK0+270—YK0+370段為明挖暗埋段，考慮到基坑計(jì)算的典型性，在本次研究中選取降水開挖施工段YK0+336—YK0+370為研究對(duì)象，深度約12 m。其場(chǎng)地上部雜填土厚在4 m左右，粉土層厚在4 m左右，其下圓礫層厚超過80 m左右，其間粉細(xì)砂夾層厚在8 m左右。

1.2 計(jì)算模型

采用有限差分軟件FLAC3D建立基坑模型，如圖1所示，基坑長(zhǎng)度(x軸)為29 m，寬(y軸)14 m，z方向?yàn)榈剡B墻嵌入深度方向，地連墻厚度為1 m，實(shí)際計(jì)算中為簡(jiǎn)化問題，利用對(duì)稱性只建立四分之一的基坑模型。地連墻和內(nèi)支撐采用線彈性模型，土體采用摩爾-庫(kù)侖模型，基坑各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。監(jiān)測(cè)布置如圖1所示，C1—C16為基坑墻后地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，L1—L14為基坑隆起豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，Y1—Y35為地連墻側(cè)向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。土體的滲透系數(shù)是影響滲流作用大小最重要的因素之一，而基坑底板以下的深厚圓礫層屬于強(qiáng)滲透地層，滲透系數(shù)達(dá)到6×10-4m/s，為了研究強(qiáng)滲透地層滲透性質(zhì)對(duì)滲流作用的影響，本文以圓礫層的滲透系數(shù)為基準(zhǔn)值，取該基準(zhǔn)值的0.5倍(3×10-4m/s)、2倍(12×10-4m/s)分別進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2 結(jié)果分析

本次計(jì)算結(jié)果見圖2—圖4、表2。圖2為三種不同土體滲透系數(shù)的深基坑開挖完成后的基坑底部隆起曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)三種情況下基坑底部隆起變形規(guī)律是基本一致的，測(cè)點(diǎn)在地連墻處基坑隆起量最小，距連續(xù)墻1 m處隆起量顯著上升，三種不同土體滲透系數(shù)的基坑底部隆起量均在基坑中心處最大。當(dāng)土體的滲透系數(shù)為12×10-4m/s時(shí)，最大值為184.08 mm，而當(dāng)土體的滲透系數(shù)為6×10-4m/s和3×10-4m/s時(shí)，二者的基坑底部隆起量近乎相等，最大值分別為88.45 mm和85.34 mm，前者的基坑底部隆起量約等于后兩者的2倍。說明當(dāng)滲透系數(shù)減小時(shí)，基坑底部的隆起值會(huì)隨之減小，且變化量較大，但當(dāng)土體滲透系數(shù)繼續(xù)減小到一定值時(shí)，則對(duì)基坑底部的隆起變形幾乎沒有影響。

圖2 土體不同滲透系數(shù)下的基坑底部隆起量

由圖3可見，不同滲透系數(shù)的墻后地表沉降曲線的整體變化趨勢(shì)是一致的，皆呈勺子狀，最大沉降均在基坑外17 m至22 m左右，距地下連續(xù)墻約34 m后基坑開挖對(duì)墻后地表沉降幾乎沒有影響。隨滲透系數(shù)增大，其最大沉降值約為62.25 mm、81.46 mm和85.58 mm，量值相差并不明顯。

圖3 土體不同滲透系數(shù)下的坑外地表沉降

圖4為不同滲透系數(shù)條件下的地下連續(xù)墻水平位移變化曲線。根據(jù)圖4的曲線變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)滲透系數(shù)為12×10-4m/s時(shí)，連續(xù)墻水平位移最大值為95.38 mm，而當(dāng)滲透系數(shù)為6×10-4m/s時(shí)，連續(xù)墻水平位移最大值為92.23 mm，而當(dāng)滲透系數(shù)為3×10-4m/s時(shí)，連續(xù)墻水平位移最大值為82.95 mm。總之，隨著土體的滲透系數(shù)增大，其水平位移隨之增大，但變化量不大。

圖4 土體不同滲透系數(shù)下的地連墻水平方向側(cè)向位移

表2 數(shù)值模擬最大值和監(jiān)測(cè)最大值對(duì)比

表2列出了滲透系數(shù)6×10-4m/s時(shí)基坑各項(xiàng)變形的數(shù)值模擬最大值和相應(yīng)部位的監(jiān)測(cè)值，通過對(duì)比可知，考慮滲流作用的基坑變形數(shù)值結(jié)果與實(shí)際的監(jiān)測(cè)值比較吻合，說明本文建立的數(shù)值模型與采用的計(jì)算參數(shù)是基本合理的，可以適用于強(qiáng)滲透地層的流固耦合計(jì)算。通過對(duì)基坑變形結(jié)果的分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著土體滲透系數(shù)的增大，基坑降水開挖所引起的地連墻水平位移、墻后地表沉降和基坑底部隆起值均有所增加。且滲透系數(shù)的變化對(duì)基坑底部隆起的影響較大，對(duì)墻后地表沉降和地連墻水平位移的影響較小，當(dāng)滲透系數(shù)達(dá)到某一閾值之后，基坑底部隆起量陡升，量值相差較大，原因可能是由于高水壓直接作用于基坑底板處的強(qiáng)滲透圓礫地層，隨滲透性增大，圓礫層發(fā)生了由穩(wěn)定滲流到非穩(wěn)定滲流的質(zhì)變。

到現(xiàn)在為止，相關(guān)國(guó)家基坑規(guī)范和手冊(cè)[17]大都是假定穩(wěn)定滲流條件下來評(píng)價(jià)基坑底部抗?jié)B流能力的強(qiáng)弱，規(guī)范中指出，基坑滲流的臨界水力坡降與實(shí)際水力坡降之比應(yīng)大于工程所規(guī)定的安全系數(shù)，如式(1)所示：

m≤icr/i

(1)

式中：m為基坑底部抗?jié)B流能力的安全系數(shù)；i為實(shí)際水力坡降；icr為臨界水力坡降，icr=γ′/γω，γ′為土體浮重度；γω為地下水的重度1.0×104N/m3。

根據(jù)式(1)，圖5給出了不同滲透系數(shù)條件下的基坑底部安全系數(shù)變化曲線。如圖5所示，當(dāng)考慮滲流作用時(shí)，圓礫層的滲透系數(shù)越大，基坑底部安全系數(shù)呈十分明顯的下降趨勢(shì)；當(dāng)不考慮滲流作用時(shí)，基坑底部安全系數(shù)隨滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)較為平緩。相對(duì)而言，基坑底部中心處的安全系數(shù)均大于基坑底部坑角處的安全系數(shù)，在實(shí)際工程中，基坑底部坑角處的滲流穩(wěn)定問題應(yīng)更加引起重視。

不考慮滲流作用影響時(shí)，二者之間的關(guān)系分別為：m基坑中心=-73.81k+1.94，m基坑坑角=-83.83k+1.92。

根據(jù)數(shù)學(xué)方法可擬合考慮滲流作用時(shí)基坑底部處的安全系數(shù)與規(guī)范中不考慮滲流作用時(shí)基坑底部處的安全系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系為：m′=5.38m-8.48。

圖5 土體不同滲透系數(shù)下的基坑開挖后基坑底部的安全系數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)考慮滲流作用時(shí)，基坑各項(xiàng)變形的模擬計(jì)算數(shù)值與實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)結(jié)果十分相近，說明本文建立的數(shù)值模型與采用的計(jì)算參數(shù)是基本合理的，可以適用于強(qiáng)滲透地層的流固耦合計(jì)算。

(2) 考慮滲流作用時(shí)，圓礫層的滲透系數(shù)越大，基坑底板安全系數(shù)呈十分明顯的下降趨勢(shì)；當(dāng)不考慮滲流作用時(shí)，基坑底部安全系數(shù)隨滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)較為平緩。