商兆濤,汪文達(dá),周 剛,汪鵬程

(1.蕪湖市軌道(隧道)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站,安徽 蕪湖 241000; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

水土壓力是基坑工程的主要荷載,基坑支護(hù)合理設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一是準(zhǔn)確確定作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)面的水土壓力,水土壓力機(jī)理和計(jì)算方法等相關(guān)研究一直是巖土界追蹤的熱點(diǎn)[1-14]?；釉O(shè)計(jì)規(guī)程中規(guī)定計(jì)算土壓力有水土合算和水土分算2種模式。水土合算是在計(jì)算擋土結(jié)構(gòu)側(cè)的水土總壓力時(shí)將水和土的作用不加以區(qū)分,視為水土混合物的單一作用;而水土分算則是將水土壓力看成水壓力和土壓力分別作用的累加。水土合算和水土分算具有一定的適用范圍,不能一概而論。一般來(lái)說(shuō),在砂土、粉土等透水性良好的土層中適合用水土分算,而在黏土或粉質(zhì)黏土等透水性較弱的土層中一般多采用水土合算。在基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，如果土壓力計(jì)算方法不當(dāng),那么會(huì)造成較大的計(jì)算誤差,甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故。

本文以某深基坑工程為背景,以FLAC3D有限差分程序?yàn)橹饕治龉ぞ?結(jié)合背景工程實(shí)際工況,分析基坑開(kāi)挖和支護(hù)施工效應(yīng),著重考察墻背水土壓力分布和變化特征,并對(duì)比研究水土分算和水土合算2種模式的差異。研究結(jié)果對(duì)加深土壓力理解和對(duì)基坑其他地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 總體概況

背景工程為某盾構(gòu)隧道的工作井基坑,該工作井基坑長(zhǎng)度為23.1 m,寬度為43.4 m,基坑開(kāi)挖深度為27.2 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1.2 m地下連續(xù)墻加4道鋼筋混凝土撐和1道鋼管支撐,支撐豎向間距為6 m。連續(xù)墻長(zhǎng)度50 m,嵌入中風(fēng)化粉砂巖約1 m?；訄?chǎng)地地貌屬長(zhǎng)江中下游沖擊平原,基坑工程范圍場(chǎng)地現(xiàn)狀為農(nóng)田、蔬菜大棚、溝塘,周邊有少量1～2層磚瓦結(jié)構(gòu)民房。

1.2 工程地質(zhì)和水文情況

場(chǎng)區(qū)覆蓋層主要以第四系全新統(tǒng)長(zhǎng)江沖(洪)積層為主,厚度為49～55 m,巖性呈較為典型的二元結(jié)構(gòu),以流塑狀淤泥質(zhì)土、稍密-中密狀粉、細(xì)砂為主,底部為基巖。地層從上往下依次為:地層0,素填土,松散,濕;地層1-1,淤泥,灰色,流塑,有臭味,含粉砂;地層1-2,粉質(zhì)黏土,灰黃色,軟塑-可塑,含少量鐵錳結(jié)核和粉粒;地層2-1,淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,灰色,流塑,含少量有機(jī)質(zhì),韌性低,干強(qiáng)度低;地層2-2,粉質(zhì)黏土,灰色,軟塑,夾少量粉砂薄層,韌性低,干強(qiáng)度低;地層3,粉土,灰色,稍密,飽和,含少量粉砂及粉質(zhì)黏土;地層5-1,粉砂,灰色-青灰色,飽和,松散,見(jiàn)云母碎片,局部夾粉土薄層,層厚2.0～6.4 m,標(biāo)貫擊數(shù)8;地層5-2,粉砂,灰色-青灰色,飽和,中密,見(jiàn)云母碎片,標(biāo)貫擊數(shù)12;地層5-3,粉砂,灰色-青灰色,飽和,中密,見(jiàn)云母碎片,標(biāo)貫擊數(shù)21;地層6,細(xì)砂,灰色,密實(shí),飽和,含少量云母碎片,標(biāo)貫擊數(shù)36;地層7-1-2,粉砂巖,紫紅色,強(qiáng)風(fēng)化,裂隙發(fā)育,巖芯多呈碎塊狀;地層7-1-3,粉砂巖,紫紅色,中風(fēng)化,粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu),鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié),薄層狀構(gòu)造,裂隙發(fā)育。

本場(chǎng)地地下水類(lèi)型為松散巖類(lèi)孔隙潛水。淺部的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土中孔隙潛水主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給；中部的粉細(xì)砂層中孔隙潛水補(bǔ)給來(lái)源以江水入滲為主；上部潛水入滲次之。

2 基坑數(shù)值分析模型及模擬方法

數(shù)值模型長(zhǎng)度和寬度方向均取至連續(xù)墻以外100 m,深度取至自地表下65 m的范圍。模型頂面為自由邊界條件,四周為水平位移約束,底部采區(qū)水平和豎向位移約束。本研究中的所有圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用結(jié)構(gòu)單元,即地下連續(xù)墻采用襯砌單元,冠梁、角撐、對(duì)撐和圍檁均采用梁?jiǎn)卧M。基坑土體采用分層開(kāi)挖方法,每層土開(kāi)挖至下一道支撐下2.0 m時(shí)設(shè)置支撐,支撐架設(shè)置完成后開(kāi)挖下一層土方,如此往復(fù)直至開(kāi)挖至設(shè)計(jì)基坑底標(biāo)高。各道支撐間距分別為0.5、6.0、6.0、6.0、6.0 m。建立數(shù)值分析模型如圖1所示,土體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1所列。

圖1 盾構(gòu)井基坑數(shù)值分析模型

表1 主要巖土層物理力學(xué)指標(biāo)

為了探究基坑開(kāi)挖過(guò)程中水土壓力分布變化特征及水土分合算的影響,本文在模擬時(shí)采用水土混合一體和水土分開(kāi)處理2種模式,稱(chēng)之為水土合算和水土分算。水土合算是在數(shù)值模擬過(guò)程中,水和土為均質(zhì)混合理想彈塑性材料,采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,水土混合體材料重度取土體天然重度,強(qiáng)度指標(biāo)取總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo);水土分算時(shí)土體仍采用摩爾-庫(kù)倫理想彈塑性本構(gòu)模型,但地下水位以下土體重度取有效重度,強(qiáng)度指標(biāo)取有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。

本文模擬的重點(diǎn)是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)。眾所周知,飽和砂類(lèi)土中孔隙水壓力對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)是百分之百傳遞的,相關(guān)基坑設(shè)計(jì)規(guī)程中對(duì)砂類(lèi)土也建議采用水土分算法計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)水土壓力,因此以下數(shù)值模擬中水土分算結(jié)果為應(yīng)有結(jié)果,而水土合算結(jié)果為對(duì)照結(jié)果。

3 墻背水土壓力分析

3.1 沿深度分布特性

本文中水土壓力是FLAC3D有限差分程序模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中和開(kāi)挖結(jié)束后土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻的側(cè)壓力,是通過(guò)編制FISH程序提取獲得的。水土合算和水土分算模式下壓力-深度曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 合算和分算模式下水土壓力-深度曲線(xiàn)

從圖2可以看出,水土分算的總水土壓力在基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)總體接近直線(xiàn)型分布,而水土合算模式下水土壓力的分布型式大致分成3段,即淺部(大約5 m以?xún)?nèi))直線(xiàn)段、中部(5～24 m)緩變段、深部直線(xiàn)段,其中，淺部的直線(xiàn)段和深部的直線(xiàn)段與水土分算的總水土壓力曲線(xiàn)很接近,數(shù)值偏大1.60～16.29 kPa;而中部的緩變段與水土分算的總水土壓力曲線(xiàn)差距較大,數(shù)值偏小24.30～100.80 kPa,最大偏差比率為38.2%。

土體不同深度處水土壓力構(gòu)成比例如圖3所示,從圖2、圖3可以看出,水土分算模式中,除了淺部以外,有效土壓力在總水土壓力中占比均小于水壓力;中部有效土壓力在總水土壓力中占比隨深度增加逐漸減小,靜水壓力占比隨深度增加而逐漸增大,深度超過(guò)24 m以下則有效土壓力在總水土壓力中占比隨深度增加而逐漸增大,同時(shí)靜水壓力占比隨深度增加而逐漸減小。

圖3 土體不同深度處水土壓力構(gòu)成比例

3.2 沿基坑長(zhǎng)邊變化特征

基坑圍護(hù)墻后水土壓力沿圍護(hù)墻縱向的變化關(guān)系到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)沿縱向受力狀態(tài)和橫向支撐間距的合理設(shè)計(jì)，因此受到學(xué)者們的關(guān)注。水土合算和水土分算模式下不同標(biāo)高處水土壓力沿縱向的分布如圖4所示。

從圖4可以看出,沿基坑長(zhǎng)邊同一深度總水土壓力并非完全相同,從長(zhǎng)邊一個(gè)端點(diǎn)向另一個(gè)端點(diǎn)呈現(xiàn)出以長(zhǎng)邊中截面對(duì)稱(chēng)的先急速升高—緩慢減小—緩慢增加—急速減小的W形分布,以合算模式下深度16 m為例,總水土壓力從左端點(diǎn)的-102.42 kPa增加到離左端點(diǎn)3 m處的-161.29 kPa,增加57.48%,之后逐漸減小,到基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)減小到最小值-123.33 kPa,減小23.53%。同樣以分算模式下深度24 m為例,總水土壓力從左端點(diǎn)的-180.74 kPa增加到離左端點(diǎn)6 m處的-216.83 kPa,增加19.97%,之后逐漸減小,到基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)處減小到192.12 kPa,減小11.39%。到基坑端點(diǎn)部位水土壓力反而減小與基坑的幾何空間效應(yīng)有關(guān),由于空間效應(yīng)的作用,基坑的拐角部位位移一般小于基坑中間和其他部位,基坑拐角部位的應(yīng)力狀態(tài)也與其他部位有較大區(qū)別,拐角部位土體有一定的自平衡性,這種自平衡性導(dǎo)致該處土作用于連續(xù)墻墻背的土壓力減小。

圖4 水土合算和分算模式下水土壓力沿基坑長(zhǎng)邊的變化

3.3 開(kāi)挖工況對(duì)水土壓力的影響

各個(gè)開(kāi)挖工況下地下連續(xù)墻墻背所受的水土壓力如圖5所示,圖5中,工況1～工況6分別為未開(kāi)挖、開(kāi)挖至第1層支撐下1.0 m、開(kāi)挖至第2層支撐下1.0 m、開(kāi)挖第3層支撐下1.0 m、開(kāi)挖第4層支撐下1.0 m、開(kāi)挖至坑底。

從圖5可以看出,總水土壓力隨著基坑開(kāi)挖工況進(jìn)展而逐漸減小,淺部減小速率較小,而深部減小速率大于淺部,前5個(gè)工況減小速率相對(duì)比較均勻,而從工況5到工況6總水土壓力減小幅度相對(duì)較大,減小幅度最大區(qū)域位于深度為20～30 m,即從基坑坑底以上8 m到坑底以下2 m左右。圖5中顯示的連續(xù)墻背后總水土壓力隨開(kāi)挖土體向下開(kāi)挖而逐漸減小,這是由于隨著基坑內(nèi)的土體被逐漸挖除,圍護(hù)墻在墻后水土壓力作用下向基坑內(nèi)方向(即朝遠(yuǎn)離土體方向)偏移,墻后土體受連續(xù)墻的支承力減小,土體抗剪強(qiáng)度逐漸得到發(fā)揮,表現(xiàn)出土體作用于連續(xù)墻背的水土壓力減小。實(shí)際上連續(xù)墻背水土壓力隨土方開(kāi)挖而逐漸減小的過(guò)程,就是其水土壓力由靜止土壓力向主動(dòng)土壓力過(guò)渡演變的過(guò)程,這與土力學(xué)中土壓力的基本原理相符合。

圖5 不同開(kāi)挖工況下的水土壓力

4 地下連續(xù)墻變形分析

由于篇幅限制,本文只展示基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)的地下連續(xù)墻在長(zhǎng)邊中截面、距中截面6、12、18 m的水平位移隨深度的分布情況。水土合算和水土分算模式下的連續(xù)墻水平位移曲線(xiàn)如圖6所示。

從圖6可以看出,水土合算和水土分算2種模式得到的連續(xù)墻水平位移沿豎向分布規(guī)律相同,連續(xù)墻墻體水平位移從淺部往深部,隨深度增加而增大,增長(zhǎng)速率隨深度遞增,到接近坑底附近增長(zhǎng)速率放緩。墻體水平位移最大值出現(xiàn)在坑底附近處。

從圖6還可以看出,水土分算模式下墻體最大位移值為5.71 cm,而水土合算模式下墻體最大位移值為3.68 cm,比水土分算模式小35.5%。

圖6 地下連續(xù)墻不同截面處的水平位移

5 地下連續(xù)墻應(yīng)力分析

地下連續(xù)墻是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要部分,其應(yīng)力狀態(tài)是基坑支護(hù)工作性態(tài)和基坑安全狀態(tài)的重要體現(xiàn)。本文采用FLAC3D模擬時(shí)地下連續(xù)墻用liner結(jié)構(gòu)單元模擬,除了能很好地模擬連續(xù)墻的膜應(yīng)力效果和彎曲應(yīng)力效果外,還能客觀地表現(xiàn)連續(xù)墻與土體雙面接觸的特性?？紤]到篇幅有限,本文僅展示受力最不利部位即連續(xù)墻長(zhǎng)邊中點(diǎn)處的內(nèi)、外側(cè)表面最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力,如圖7所示。

從圖7可以看出,水土合算模式計(jì)算的連續(xù)墻主應(yīng)力均小于水土分算,其中內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力值最大點(diǎn)偏小39.7%,最小主應(yīng)力值最大點(diǎn)偏小20.4%,外側(cè)最大主應(yīng)力最大點(diǎn)偏小21.9%,最小主應(yīng)力值最大點(diǎn)偏小23.0%。另外,從圖7還可以看出,連續(xù)墻內(nèi)側(cè)主應(yīng)力分布規(guī)律為深度10 m以下、20 m以上的中部部位呈現(xiàn)較大的最小主應(yīng)力,20～35 m深部呈現(xiàn)較高的最大主應(yīng)力;連續(xù)墻外側(cè)主應(yīng)力分布規(guī)律為深度10 m以下、20 m以上的中部部位呈現(xiàn)較大的最大主應(yīng)力,20～35 m深部呈現(xiàn)較高的最小主應(yīng)力。

圖7 連續(xù)墻中截面內(nèi)側(cè)和外側(cè)主應(yīng)力沿深度的分布

6 結(jié) 論

本文以某基坑工程為基礎(chǔ),建立細(xì)砂地層中基坑開(kāi)挖和支護(hù)FLAC3D數(shù)值分析模型,并施行額外施加水壓和不額外施加水壓2種方式下分別模擬水土分算和水土合算,著重研究連續(xù)墻背水土壓力分布特征和連續(xù)墻應(yīng)力、變形性態(tài),并進(jìn)行水土合算和水土分算結(jié)果對(duì)比,得出如下結(jié)論:

(1) 飽和砂類(lèi)土基坑地連墻墻背總水土壓力在開(kāi)挖深度以上近似成直線(xiàn)分布,即水土壓力隨深度增加近似線(xiàn)性增加;若按水土合算方法，則實(shí)際上低估了作用于墻背的水土壓力。

(2) 連續(xù)墻中深部其有效土壓力在總水土壓力中占比隨深度增加逐漸減小,而靜水壓力占比隨深度增加而逐漸增大。24 m以下則有效土壓力占比隨深度增加而增大,靜水壓力占比隨深度增加而減小。

(3) 隨著基坑向下開(kāi)挖,連續(xù)墻墻背水土壓力有緩慢減小趨勢(shì),水土合算模式減小更明顯;從基坑端點(diǎn)向中間同一深度墻背總水土壓力緩慢減小,到基坑邊中間達(dá)到最小。

(4) 連續(xù)墻墻體水平位移從淺部往深部隨深度增加而增大,增長(zhǎng)速率也隨深度遞增,到接近坑底附近增長(zhǎng)速率放緩,墻體水平位移最大值出現(xiàn)在坑底附近處,水土合算模式計(jì)算連續(xù)墻變形值小于水土分算。

(5) 連續(xù)墻內(nèi)側(cè)最小主應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)分布在深度為10～20 m的中深部,最大主應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在20～35 m的深部;連續(xù)墻外側(cè)最小主應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在20～35 m深部,最大主應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)分布在深度10 m以下、20 m以上的中部部位。