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        地下水位不同的基坑開挖對(duì)地面沉降影響的數(shù)值模擬研究

        2022-11-29 10:40:40
        地下水 2022年6期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)化巖土基坑

        王 帥

        (深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司,廣東 深圳 518100)

        0 引言

        隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,越來越多的城市空間轉(zhuǎn)移至地下,基坑工程因其能夠較大程度地?cái)U(kuò)展空間而得到廣泛應(yīng)用,對(duì)此學(xué)者們也進(jìn)行了大量的研究。喬光等[1]論述了大連某基坑的設(shè)計(jì)和施工方法,此方法的止水效果較為明顯,可為類似工程提供參考。方穎[2]采用了混凝土斜撐對(duì)基坑進(jìn)行加固,通過施工發(fā)現(xiàn)斜撐具有施工簡(jiǎn)單,工期短、造價(jià)低且不影響鄰近建筑安全的特點(diǎn),此類斜撐的使用可為類似的基坑項(xiàng)目提供參考。林玲[3]為降低施工企業(yè)在基坑支護(hù)中的各類風(fēng)險(xiǎn),從合同、設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工、政策和資金方面,分析高周轉(zhuǎn)地產(chǎn)的基坑支護(hù)工程存在的風(fēng)險(xiǎn),通過對(duì)基坑工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,可保障施工企業(yè)利益。吳冰等[4]通過Revit與FLAC 3D兩軟件的交互使用,對(duì)深圳某基坑進(jìn)行了BIM研究,研究結(jié)果表明應(yīng)用BIM技術(shù)可控制基坑的施工成本和風(fēng)險(xiǎn),并為基坑項(xiàng)目的增值服務(wù)。吳志等[5]結(jié)合富水軟水地層基坑項(xiàng)目,利用地連墻技術(shù)對(duì)基坑進(jìn)行圍護(hù),達(dá)到了理想的支護(hù)效果。李廣等[6]結(jié)合深大基坑施工空間小、地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn),提出了拉森鋼樁墻+逆作法主體結(jié)構(gòu)板水平內(nèi)支撐的支護(hù)方案,結(jié)果表明此支護(hù)方案達(dá)到了控制緊近建筑物位移的目的,工程效果較好。

        然而以上的研究均沒有涉及地下水位不同時(shí),基坑的排水、支護(hù)等方式對(duì)地面沉降的影響,現(xiàn)階段涉及地下水的基坑較多,排水和支護(hù)方式也比較統(tǒng)一,但是以上的處置措施是否會(huì)對(duì)地面的沉降造成影響,針對(duì)這一問題,本文利用MIDAS GTS數(shù)值模擬軟件對(duì)不同地下水位基坑的開挖進(jìn)行完整的模擬,通過地面沉降的監(jiān)測(cè),可反映以上基坑處置措施對(duì)地面沉降的影響,并可進(jìn)一步檢測(cè)現(xiàn)階段常規(guī)排水措施是否達(dá)到了理想的工程要求。

        1 工程概況

        研究基坑所處廣東省深圳市,分別為兩個(gè)基坑,兩個(gè)基坑周圍巖土體的性質(zhì)相同(表1),開挖方式和支護(hù)措施也相同,但是地下水位線不同,地下水位線分別位于地面以下2.5 m和4.0 m處(圖1)。

        表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

        圖1 基坑開挖平面圖(尺寸單位:m)

        由圖1可知,基坑施工長(zhǎng)度為40 m,高度為12 m,基坑的長(zhǎng)度為10 m,高度為5 m,施工長(zhǎng)度是基坑長(zhǎng)度的4倍,施工高度是基坑高度的2.4倍,此施工區(qū)域是結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)劃定的。

        基坑巖土體從上至下分成三層,分別為風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖,厚度分別為2.5 m、1.5 m和1 m。結(jié)合兩個(gè)基坑的地下水位線可知,地下水位線位于地面以下2.5 m處時(shí),此地下水位線位于風(fēng)化土與風(fēng)化巖的界面。地下水位線位于地面以下4m處時(shí),即地下水位線位于風(fēng)化巖與軟巖的界面。

        當(dāng)?shù)叵滤挥诘孛?.5 m時(shí),該基坑采用半逆法進(jìn)行施工,基坑共計(jì)開挖4次,設(shè)計(jì)三道支撐,第一次開挖深度為1 m,然后對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù),支護(hù)完成10 d后,方才進(jìn)行第2次開挖,第二階段開挖完成以后出現(xiàn)地下水,此結(jié)果與勘察結(jié)果一致,因此按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行排水處理,待排水完成以后,進(jìn)行第2次支護(hù),支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以后間隔10 d進(jìn)行第三次支護(hù),按照此施工次序和時(shí)間次序,最后開展了第四次開挖支護(hù)。當(dāng)?shù)叵滤晃挥诘孛嬉韵? m處時(shí),開挖、支護(hù)、排水等措施類似于地下水位2.5 m處的基坑。

        圖2 MIDAS三維實(shí)體模型(尺寸單位:m)

        2 數(shù)值模擬

        利用MIDAS GTS對(duì)兩個(gè)涉水基坑進(jìn)行數(shù)值模擬研究,結(jié)合施工區(qū)域和基坑尺寸進(jìn)行試算可知,若增加施工區(qū)域尺寸,數(shù)值模擬結(jié)果中巖土體的受力(最大主應(yīng)力)和位移結(jié)果,較不增加尺寸的結(jié)果變化不超過0.04%,此結(jié)果說明選定的施工區(qū)域滿足基坑開挖的邊界條件。

        數(shù)值模擬三維示意圖見圖2,數(shù)值模擬中風(fēng)化土采用修改莫爾庫(kù)侖模型,風(fēng)化巖和軟件采用彈性模型,巖土體參數(shù)的取值見表1。數(shù)值模擬中巖土體每1 m劃分一次網(wǎng)格,網(wǎng)格采用混合四面體,此數(shù)值模擬共計(jì)19 528個(gè)單元、22 286個(gè)節(jié)點(diǎn)。

        3 模擬結(jié)果

        對(duì)不同地下水位線的基坑開挖進(jìn)行分析,主要從地面土體的沉降開展,因?yàn)槭┕^(qū)域是基于基坑開挖區(qū)域?qū)ΨQ分布的,因?yàn)閮H須選擇AB點(diǎn)沉降進(jìn)行分析即可(圖1),MIDAS GTS中可通過線上圖的方式展示AB沉降結(jié)果,沉降結(jié)果見圖3~圖6。

        圖3 第一次開挖后地面沉降

        結(jié)合圖3可知,AB沉降結(jié)果接近,說明若不涉及排水措施,單純地對(duì)基坑進(jìn)行開挖,那么開挖后地面的沉降結(jié)果相差不大。

        圖4 第二次開挖后地面沉降

        圖5 第三次開挖后地面沉降

        結(jié)合圖4可知,不同的地下水位處B點(diǎn)的沉降值相同,說明在B點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)后效果比較理想,達(dá)到了支護(hù)的目的。A點(diǎn)處沉降值較地下水位2.5 m處基坑較大,說明若地下水位越淺,A點(diǎn)的沉降較大,但是兩者差值較小,差值率不超過3%(兩者數(shù)值相差除以較大沉降的絕對(duì)值),說明沉降的影響控制在可控范圍內(nèi),也說明此影響可忽略。

        結(jié)合圖5可知,地下水位4.0 m處基坑經(jīng)過排水處理后,B點(diǎn)沉降增大,較地下水位2.5 m基坑處大,說明地下水位越深,排水和支護(hù)措施會(huì)對(duì)地面沉降造成一定的影響,而地下水位2.5處B點(diǎn)沉降進(jìn)一步縮小,說明此處基坑排水效果明顯,達(dá)到了控制沉降的目的。

        圖6 第四次開挖后地面沉降

        結(jié)合圖6可知,地下水位4.0 m處B點(diǎn)沉降值依然較2.5 m處基坑沉降值大,但是較第三次開挖沉降數(shù)值不變,說明此基坑的降水效果也達(dá)到了工程的要求。兩基坑A點(diǎn)沉降不變,說明只要排水和支護(hù)效果達(dá)到工程要求了,離基坑越遠(yuǎn)的地面,沉降變形越小,受地下水位距離的影響較小,甚至可忽略此影響。

        4 結(jié)語

        本文對(duì)不同地下水位的基坑開挖、排水和支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并分析對(duì)不同開挖次數(shù)后的地面沉降進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:

        (1)地下水位越淺的基坑,基坑進(jìn)行排水、支護(hù)等處理后,對(duì)地面沉降的影響越??;

        (2)地下水位不同,但距離基坑越遠(yuǎn),其地面的沉降影響可越??;

        (3)相同的處置措施,不同的地下水位的基坑,對(duì)地面沉降的影響不超過3%,一定程度上可認(rèn)為若地下水位相近的基坑,對(duì)地面沉降的影響較小,甚至可忽略;

        (4)本文數(shù)值模擬的結(jié)果可供地下水位較淺,且地下水位相近的基坑做參考,對(duì)于地下水位線相差較大,且地下水位較深的基坑,尚有待進(jìn)一步研究。

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