梁二雷 王冰輝 鄭功博 吳 靜

(1.中國(guó)建筑第四工程局有限公司,西安 710065;2.蘭州理工大學(xué)甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730050)

隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)建設(shè)不斷發(fā)展,大型深基坑的使用已極為普遍,在復(fù)雜地質(zhì)條件下深基坑降水開(kāi)挖無(wú)疑增大了開(kāi)挖難度,確保基坑的整體穩(wěn)定是建設(shè)的前提。[1-2]李敬超通過(guò)建立有限元模型,分析了基坑滲流場(chǎng)和地表沉降在不同開(kāi)挖深度下的影響,得出滲流場(chǎng)變化規(guī)律。[3]葉帥華等依托蘭州市地鐵某車站基坑,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬驗(yàn)證了灌注樁聯(lián)合鋼管內(nèi)支撐對(duì)基坑穩(wěn)定具有積極作用。[4-5]周勇對(duì)蘭州市某地鐵站深基坑的常規(guī)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：隨著深度的增加樁體水平位移先快后慢、先陡后緩且最大水平位移出現(xiàn)在距樁頂約2/3處。[6-7]文獻(xiàn)[8-9]分別介紹了采用隔、降組合(懸掛式止水帷幕+坑內(nèi)降水)的地下水控制方案,預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖后變形趨勢(shì)及地下水滲流規(guī)律,表明在該方案下止水效果明顯,并對(duì)基坑周邊沉降有積極作用。鄭剛等通過(guò)有限元軟件ABAQUS研究了潛水降水過(guò)程地下連續(xù)墻側(cè)移機(jī)理,得出基坑提前設(shè)置第一道水平支撐再根據(jù)分層分段降水措施,能合理控制開(kāi)挖前降水引起的沉降。[10-11]楊清源等提出潛水地層下繞滲區(qū)劃分計(jì)算式,簡(jiǎn)化了基坑外地表沉降計(jì)算方法,并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)簡(jiǎn)化方法給予了修正,提高了理論計(jì)算精度[12]。黃應(yīng)超等對(duì)深基坑降水和回灌過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)回灌量越大,坑外水位提高越明顯進(jìn)而水位恢復(fù)越快,且可以有效控制降水引起的地面沉降。[13]常明云等通過(guò)研究復(fù)雜地質(zhì)的性質(zhì)和多種較好的防滲結(jié)構(gòu),對(duì)多層強(qiáng)補(bǔ)水帶采取較為合理的堵漏措施,達(dá)到了理想的防滲效果。[14]薛麗影等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)探究完整井條件下的層狀含水層滲流,獲得了與實(shí)際工程相符的滲流流網(wǎng)形態(tài),進(jìn)而對(duì)地下水涌水量和降水引起的地表沉降量的計(jì)算提出了修正[15]。

以上均是在水平巖層條件下對(duì)深基坑開(kāi)挖中降水問(wèn)題的探討,然而對(duì)在黃河水流強(qiáng)補(bǔ)給的傾斜隔、含水互層特殊地質(zhì)條件下,探究深基坑開(kāi)挖過(guò)程中周邊沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地下水滲流的報(bào)道較少。為此,以蘭州市安寧區(qū)改建污水廠深基坑為例,針對(duì)強(qiáng)補(bǔ)給地下水和傾斜互層問(wèn)題,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元軟件模擬對(duì)傾斜巖層與水平巖層工況下的情況進(jìn)行對(duì)比,探究特殊地層下基坑降水開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境及坑內(nèi)滲流的影響。

1 工程概況

1.1 工程周邊環(huán)境

蘭州七里河安寧污水處理廠廠區(qū)地埋式混凝土箱體埋深為17～20 m,基坑范圍約為320 m×300 m。擬建場(chǎng)地地處黃河北岸,原始地貌為黃河高漫灘。局部地形起伏大,人為活動(dòng)頻繁,臨河側(cè)有主干道公路,東西側(cè)有建筑物,對(duì)工程建設(shè)影響較大。

圖1 擬建污水處理廠地理位置Fig.1 The geographical location of the proposed the sewage treatment plant

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)勘探揭露：該地層主要由填土、卵石、砂巖及風(fēng)化泥巖等組成。現(xiàn)將各地層由上至下如下：1)層雜填土。該部位填土厚度大多超過(guò)10 m,整體填土層厚度為0.7～13.2 m。2)層卵石。在場(chǎng)地內(nèi)普遍分布,各鉆孔中均有揭露,層厚為0.7～11.0 m。3)層砂巖。主要分布于卵石層底面呈傾斜狀態(tài),傾斜角度為45°～55°,層厚為0.5～9 m。4)強(qiáng)風(fēng)化泥巖。呈傾斜狀態(tài),傾斜角度為45°～55°,主要隔水層厚度為3.0～5.0 m。5)中風(fēng)化泥巖。巖體較完整。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè),存在明顯的傾斜互層分布。工程土體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層和支護(hù)體的基本性能指標(biāo)Table 1 Basic physical and mechanical property indexes of soil and retaining structures

1.3 水文地質(zhì)條件

勘察得出擬建場(chǎng)地地下水穩(wěn)定水位埋深在4.8～8.3 m,地下水位高程介于1 514.16～1 517.74 m。主要賦存于卵石層、傾斜砂巖中,帶有微承壓水特性,黃河水流向自北西向南東,地下水依據(jù)巖土層傾角及走向滲流補(bǔ)給含水層—卵石層、傾斜砂巖,其中強(qiáng)風(fēng)化泥巖作為天然隔水層,該地層也是此工程的特點(diǎn)。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)

2.1 排樁預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基坑四周無(wú)放坡空間,周邊均設(shè)置排樁,支護(hù)樁樁徑為0.8 m。樁頂設(shè)置冠梁,冠梁頂標(biāo)高為自然地面以下0.5 m,樁前土體直立開(kāi)挖,基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)深度為17.7 m,共開(kāi)挖五步。支護(hù)樁樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,樁徑為0.8 m,長(zhǎng)度為25 m,樁頂通長(zhǎng)設(shè)置冠梁,截面尺寸900 mm×500 mm;預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì),一樁四錨,錨索長(zhǎng)分別為21,19,18,15 m,固定段分別為13,13,13,11 m,傾斜角度15°。間距1.8 m,每道錨索施加預(yù)應(yīng)力值分別為260,270,290,235 kN。樁身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)示意 mmFig.2 A schematic diagram of supporting structures

2.2 基坑監(jiān)測(cè)

由于主要探討不同地層下深基坑降水后地表變形及基坑內(nèi)滲水量,故僅取現(xiàn)場(chǎng)樁頂豎向位移、周邊地表沉降及地下水位等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。取研究區(qū)域?yàn)榛游髂辖?該位置地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)9個(gè),支護(hù)樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)6個(gè),地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)4個(gè)?；涌偲矫鎴D及區(qū)域基坑測(cè)點(diǎn)平面示意圖如圖3所示。

a—基坑總平面;b—區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)(D); 地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)(S);—支護(hù)樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)(W)。圖3 基坑示意Fig.3 A schematic diagram of foundation excavation

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 樁頂豎向位移

樁頂豎向位移測(cè)點(diǎn)取6點(diǎn)進(jìn)行分析,即基坑南側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)W33、W34、W35,由東向西;基坑西側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)W36、W37、W38,由南向北。圖4給出了各測(cè)點(diǎn)樁頂豎向位移變化情況,可見(jiàn)：樁頂豎向位移隨著基坑開(kāi)挖發(fā)展,整體呈下降趨勢(shì)。在5月下旬,隨著開(kāi)挖結(jié)束,錨索施工進(jìn)行,樁頂發(fā)生隆起現(xiàn)象,為基坑發(fā)生明顯的卸荷回彈變形而帶動(dòng)支護(hù)樁向上運(yùn)動(dòng)。此后6、7月下旬均出現(xiàn)不同程度的隆起,直至9—10月開(kāi)挖結(jié)束。隨著時(shí)間推移,該沉降量趨于穩(wěn)定?，F(xiàn)場(chǎng)南側(cè)測(cè)點(diǎn)W33～W35的沉降均小于西側(cè)測(cè)點(diǎn)W36～W38,在10—11月,W38的沉降值穩(wěn)定在-6.0 mm,對(duì)比W33的沉降值(-3.5 mm),增大了71.42%,且基坑西側(cè)W36樁頂沉降量累計(jì)最大值達(dá)到-10.8 mm?？傮w而言,在建筑物與傾斜互層作用下,愈靠近基坑角點(diǎn)各測(cè)點(diǎn)樁頂豎向沉降愈大,表明基坑所處地層的傾斜互層與建筑物對(duì)基坑變性有顯著影響,進(jìn)而影響開(kāi)挖途中基坑整體穩(wěn)定性。

圖4 樁頂豎向位移變化Fig.4 Vertical displacements of pile tops

3.2 基坑周邊沉降

周邊地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)南側(cè)D1-01～D1-03、D2-01～D2-03六點(diǎn)由近至遠(yuǎn)(01、02、03表示距離基坑為1、2、3 m,后同),由東向西;基坑西側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)D3-01～D3-03,由近至遠(yuǎn)。圖5給出了基坑周邊沉降變化情況?？梢?jiàn)：因開(kāi)挖前降水?dāng)?shù)據(jù)不全,故前期降水產(chǎn)生一定沉降,測(cè)點(diǎn)沉降值從4～6 mm開(kāi)始,地表周邊沉降隨著開(kāi)挖前降水產(chǎn)生一定變化,因測(cè)點(diǎn)距離基坑邊最大距離為3 m,沉降槽的位置遠(yuǎn)大于此,各點(diǎn)沉降區(qū)域變化大致一樣,最大沉降值達(dá)到15.3 mm?；娱_(kāi)挖在9—10月份結(jié)束,隨后兩個(gè)月內(nèi),由于基坑內(nèi)外降水的持續(xù)進(jìn)行,周邊沉降還在進(jìn)一步增大,隨著時(shí)間的推移,漸趨于穩(wěn)定,基坑周邊沉降值穩(wěn)定在13～15.5 mm。

圖5 地表沉降變化Fig.5 Changes in subsidence at the earth’s surface

3.3 地下水變化

在基坑開(kāi)挖前須進(jìn)行降水,在該臨河傾斜地層中進(jìn)行基坑外降水。開(kāi)挖過(guò)程中因排樁之間未做止水措施而出現(xiàn)不斷滲水,且在基坑底部水流沿傾斜砂巖層不斷向基坑內(nèi)繞流補(bǔ)給,形成區(qū)域性滲水,產(chǎn)生的水位差極易影響基坑整體穩(wěn)定性。因此取該區(qū)域地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1、S2、S18、S19四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖6為各測(cè)點(diǎn)地下水位變化情況,可見(jiàn)：前期在降水井的持續(xù)降水中地下水水位控制在地面高程1 506～1 507 m。隨著基坑開(kāi)挖卸載,土體上作用的重力減小,臨空面面積增大,在8月期間,因開(kāi)挖使得傾斜互層逐步裸露,地下水滲流平衡破壞,在傾斜砂巖層中不斷由黃河側(cè)向繞流補(bǔ)給,使得測(cè)點(diǎn)地下水位波動(dòng)上漲,無(wú)法確?；觾?nèi)干作業(yè)。隨后緊急增加基坑內(nèi)抽水井?dāng)?shù)量,加強(qiáng)抽水,控制了基坑內(nèi)整體水位,得以保證基坑整體穩(wěn)定性。

圖6 地下水位變化Fig.6 Changes in groundwater levels

4 有限元模擬分析

4.1 建立模型

根據(jù)以往有限元模擬基坑的要求并結(jié)合該項(xiàng)目基坑周邊的環(huán)境情況,確定了三維有限元基坑模型：臨河一側(cè)寬度為100 m、長(zhǎng)度為150 m,標(biāo)高為80 m,有限元模型如圖7所示。利用有限元軟件Midas GTS建模,圍護(hù)樁用實(shí)體板來(lái)模擬,按兩者剛度相等原則,通過(guò)《基坑工程手冊(cè)》[16]中樁板等效換算式(式(1)～(2))將排樁直徑D換算為厚度h的地下連續(xù)墻,樁凈距為t。

圖7 建模示意Fig.7 A schematic diagram of modeling

(1)

(2)

根據(jù)式(1)～(2),將φ800的排樁換算成厚度約為0.52 m的地下連續(xù)墻進(jìn)行建模,因探討基坑內(nèi)滲流,故對(duì)彈性實(shí)體墻設(shè)置滲透系數(shù)。該模型中土層參數(shù)均取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際土體參數(shù)(表1),由于修正摩爾-庫(kù)侖模型是摩爾-庫(kù)侖模型的擴(kuò)展,有效地將非線彈性與塑性模型相結(jié)合[17],涉及開(kāi)挖卸載回彈等模量[18],更加真實(shí)地還原實(shí)際基坑開(kāi)挖引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周邊地表沉降,故土體均采用該模型。降水井同實(shí)際一致設(shè)在基坑外1.5 m處,深度為20 m,降水方式采用結(jié)點(diǎn)水頭為零,過(guò)濾段長(zhǎng)度為10 m。錨索采用植入式桁架,外荷載依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[19]取值,道路車輛取12 kPa均布荷載,西側(cè)建筑物(兩層)取均布荷載30 kPa;水頭邊界以黃河和基坑實(shí)際位置確定,添加穩(wěn)態(tài)水頭。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傾斜巖層傾斜角度及走向,更加真實(shí)地還原了現(xiàn)場(chǎng)情況,如圖8所示,傾斜角度取50°,走向?yàn)镹W60°。整體模型共有702 896個(gè)單元,515 806個(gè)結(jié)點(diǎn)。模型臨河兩側(cè)邊界施加X(jué)、Y方向位移約束,基坑側(cè)邊界根據(jù)軟件自動(dòng)添加約束,底部施加X(jué)、Y、Z方向位移約束。模型按照現(xiàn)場(chǎng)施工步驟進(jìn)行,具體流程如表2所示。

表2 基坑開(kāi)挖全過(guò)程施工工況Table 2 Construction steps of whole excavation processes

4.2 模型驗(yàn)證和分析

4.2.1樁頂豎向位移數(shù)值模擬驗(yàn)證

取基坑西側(cè)測(cè)點(diǎn)W36,進(jìn)行模擬值與實(shí)測(cè)值比較分析,由圖9可見(jiàn)：該數(shù)值模擬以施工步驟還原基坑開(kāi)挖過(guò)程,每步均為最終值,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間在9—10月基坑開(kāi)挖結(jié)束,后期因土體卸荷回彈變形使得坑底土體產(chǎn)生隆起,最終趨于穩(wěn)定。模擬值在開(kāi)挖五時(shí)累計(jì)樁頂豎向沉降值為9.3 mm,較該時(shí)間結(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)值小1 mm,由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜以及難以通過(guò)數(shù)值模擬完全還原現(xiàn)場(chǎng),從而造成此類誤差,但兩者基本趨勢(shì)一致,說(shuō)明模擬結(jié)果可靠。

圖9 樁頂豎向位移實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Fig.9 Comparisons between measured values and simulated values of vertical displacement of pile tops

4.2.2周邊地表沉降數(shù)值模擬驗(yàn)證

取D1～D3實(shí)測(cè)點(diǎn)與模擬結(jié)果值進(jìn)行對(duì)比分析,由圖10可見(jiàn)：實(shí)測(cè)值選取9—10月基坑開(kāi)挖結(jié)束后時(shí)間段,模擬值為施工步驟開(kāi)挖五結(jié)束后沉降值,看出模擬值與實(shí)測(cè)值存在部分差異為1～2 mm。由于模擬過(guò)程中按施工步驟進(jìn)行難以精確模擬隨時(shí)間推移的沉降變化曲線,該模擬最終值與實(shí)測(cè)值均在9.0～11.5 mm,監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相差不大,總體而言兩者呈現(xiàn)出較好的一致性。因此,數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本可反映現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖實(shí)際情況,進(jìn)一步分析傾斜與水平巖層的差異性。

圖10 地表沉降實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Fig.10 Comparisons between measured and simulated values of subsidence

4.3 傾斜和水平模型對(duì)比分析

4.3.1樁頂豎向位移

施工過(guò)程中傾斜與水平兩工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移情況如圖11所示。取基坑南側(cè)測(cè)點(diǎn)W35與基坑西側(cè)測(cè)點(diǎn)W38,進(jìn)行對(duì)比分析?？梢?jiàn)：傾斜巖層產(chǎn)生的樁頂豎向位移遠(yuǎn)大于水平巖層,隨著基坑開(kāi)挖,樁頂位移整體趨勢(shì)呈現(xiàn)下沉,傾斜和水平工況下兩者均為靠近基坑角點(diǎn)處沉降量較大,與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果相一致。傾斜巖層下W35與W38兩測(cè)點(diǎn)在開(kāi)挖中沉降最大差值約為1 mm,相比于水平巖層最大差值0.6 mm,增大近40%。W35測(cè)點(diǎn)中傾斜巖層的最終沉降值與水平巖層最終值差值為5.5 mm,較水平巖層最終沉降值(4 mm),增加了137.5%。由傾斜互層所致的5.5 mm差值遠(yuǎn)不能被忽略,總體來(lái)看,在傾斜巖層條件下基坑開(kāi)挖難度較水平巖層更大,易對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)造成較大沉降變形。

圖11 樁頂豎向位移對(duì)比Fig.11 Comparisons between vertical displacements of pile tops

4.3.2周邊地表沉降

圖12給出了傾斜和水平巖層在基坑開(kāi)挖結(jié)束后周邊地表最終沉降曲線。取基坑邊測(cè)點(diǎn)D1、D2、D3三點(diǎn)位置,分析基坑周邊沉降變化情況?？梢?jiàn)：隨著基坑開(kāi)挖,傾斜巖層所產(chǎn)生地表周邊沉降遠(yuǎn)大于水平巖層,水平巖層三個(gè)測(cè)點(diǎn)均在距離基坑約12 m處,沉降值最大約為10 mm。隨著離基坑邊距離的增大,沉降值緩慢減小。傾斜巖層中,D1與D2兩點(diǎn)在基坑南側(cè),產(chǎn)生沉降變化曲線相似,最大沉降位置產(chǎn)生在距離基坑約12 m處,沉降值約為14.2 mm,位移量增加了42%;而D3在基坑西側(cè),最大沉降位置產(chǎn)生在距離基坑約25 m位置處,沉降值約為16 mm,較水平巖層增加了近60%。在外荷載(建筑物)一側(cè),周邊沉降值更大,與水平巖層地表相比,增加了6 mm?？傮w而言,傾斜巖層下降水引發(fā)的地表周邊沉降更為嚴(yán)重。

圖12 周邊地表沉降對(duì)比Fig.12 Comparisons of subsidence between adjacent ground surfaces

4.3.3地下水變化

地下水滲流隨著地層變化呈現(xiàn)出不同形式,圖13給出了兩種工況下滲流路徑的變化情況,可見(jiàn)：在降水井工作過(guò)程中地下水滲流路徑在兩工況下有較大差異。在水平巖層中,降水井開(kāi)始工作,水流沿著地層選擇距離降水井最近路徑滲流,隨著降水的進(jìn)行,周邊水流均勻向井位置處補(bǔ)給,整體呈現(xiàn)均勻分布;在傾斜巖層中受地層限制,水流只能沿傾斜互層走向方向滲流,降水井工作后,地下水因有天然隔水層的阻隔,使得滲流補(bǔ)給路徑局限于傾斜含水層中,這也是兩者工況下產(chǎn)生不同滲流路徑的根本原因。

a—水平巖層;b—傾斜巖層。圖13 滲流路徑對(duì)比Fig.13 Comparisons of seepage paths

為了呈現(xiàn)兩工況降水后的滲流狀態(tài),圖14給出了兩工況下降水井工作后總水位云變化趨勢(shì)?？梢?jiàn)：在降水井工作后,兩工況下總水位與滲流路徑相對(duì)應(yīng)。在傾斜巖層中,隔水層的存在影響水流滲流路徑,水位下降主要集中在傾斜含水互層中,降水后產(chǎn)生不同降水漏斗,使得總水位發(fā)生差異,水流向傾斜含水層中補(bǔ)給,水位下降致土體有效應(yīng)力逐步增大,土層進(jìn)一步固結(jié)沉降。與在多層含水層強(qiáng)水力聯(lián)系下,最大沉降起初會(huì)出現(xiàn)在降水含水層的頂部,但很快會(huì)向上移動(dòng)到地表的現(xiàn)象相似;[20]對(duì)于水平巖層中地下水滲流呈現(xiàn)出均勻態(tài),不同深度越流補(bǔ)給現(xiàn)象不明顯,降水井工作中總水位均勻下降且降水漏斗常態(tài)化?？傮w來(lái)看,在傾斜特殊互層地質(zhì)條件下基坑降水后引起的沉降規(guī)律更加復(fù)雜特殊。

a—傾斜巖層;b—水平巖層。圖14 降水井工作總水位對(duì)比云Fig.14 Comparisons of contours between total working water levels of dewatering wells

基于此,對(duì)水位進(jìn)行了分析。在降水井工作后,在20 m深處沿基坑南側(cè)向外取50 m對(duì)比分析傾斜巖層與水平巖層地下水位和有效應(yīng)力變化情況,結(jié)果如圖15所示。兩工況下降水井均距離基坑邊1.5 m,在降水井工作后,水平巖層與傾斜巖層所產(chǎn)生的降水漏斗模式相同,兩者均在0～5 m范圍內(nèi)水位快速上升,傾斜巖層水位線斜率相比水平巖層小,并在5.5 m處總水位差值為2 m。隨著離基坑邊距離的增大,水平巖層總水位均勻緩慢上升;對(duì)比傾斜巖層在15,28,41 m位置處水位線斜率的變化,可解釋為受傾斜巖層走向及傾角所影響,圖中傾斜工況下總水位平緩階段為含水層作用,該層滲透系數(shù)大,水位下降迅速,致使總水位在該范圍內(nèi)變化平緩,中間過(guò)渡階段為隔水層,兩者互層滲透系數(shù)差異大,使得整個(gè)總水位線呈現(xiàn)出階梯型增長(zhǎng)。依據(jù)有效應(yīng)力原理[21]可知：地下水位高低直接影響有效應(yīng)力的大小,在圖15中傾斜巖層中的有效應(yīng)力曲線同樣呈現(xiàn)出階梯型減小(在距離基坑10 m處,傾斜巖層有效應(yīng)力為150.3 kN/m2相比水平巖層的138 kN/m2增大了近8.9%)?？傮w而言,整個(gè)范圍內(nèi)傾斜巖層的總水位較水平巖層低2 m,總水位差異直接影響上覆土層有效應(yīng)力的大小,進(jìn)而使得基坑周邊地表產(chǎn)生差異性不均勻沉降,這是傾斜巖層與水平巖層周邊沉降差異之大的原因之一。

圖15 總水位和有效應(yīng)力對(duì)比Fig.15 Comparisons of total water levels and effective stress

為體現(xiàn)不同降水漏斗產(chǎn)生不同的周邊地表沉降,圖16給出了兩工況下降水后的沉降變化情況,可見(jiàn)：兩種工況模型在降水后產(chǎn)生相似的沉降云,然傾斜巖層產(chǎn)生的沉降云較水平巖層作用范圍更深且影響范圍廣,基坑周邊地表最大沉降值達(dá)到6.4 mm,相比水平巖層沉降值4.08 mm,變形增大了56.86%,從而直接影響基坑開(kāi)挖后周邊地表的最終沉降?？傮w來(lái)看,隨著基坑開(kāi)挖進(jìn)行,降水井持續(xù)降水,周邊地表變形不斷增大,兩者差值愈來(lái)愈大。

a—傾斜巖層;b—水平巖層。圖16 降水后地表沉降對(duì)比Fig.16 Comparisons of subsidence at the earth’s surface after dewatering

4.3.4基坑底部滲水量

基坑開(kāi)挖過(guò)程中,在基坑角點(diǎn)75 m2范圍內(nèi)取基坑施工步驟開(kāi)挖四、開(kāi)挖五工況進(jìn)行分析,圖17給出了傾斜和水平工況下坑內(nèi)滲出水量變化情況,可見(jiàn)：基坑角點(diǎn)范圍內(nèi)該傾斜巖層的坑內(nèi)滲水量均大于水平巖層,在基坑開(kāi)挖過(guò)程中,依據(jù)開(kāi)挖深度及巖層分布,該基坑角點(diǎn)范圍內(nèi)在開(kāi)挖四工況中傾斜互層的坑內(nèi)涌水量達(dá)到18.87 m3/d,相比水平巖層的12.49 m3/d兩者相差近50.08%。然而隨著開(kāi)挖深度增大,坑內(nèi)上覆土量減小,兩側(cè)未做合理的止水措施,在開(kāi)挖五工況結(jié)束后基坑臨空面處,該范圍內(nèi)傾斜巖層滲水量達(dá)到29.65 m3/d,較開(kāi)挖四工況階段涌水量增加了57.12%,而相比水平巖層開(kāi)挖五工況時(shí)坑內(nèi)滲水量16.19 m3/d,兩者相差近1.83倍,其根本原因在于隨著基坑開(kāi)挖深度增加,傾斜互層裸露部分增多,且隔水層滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于含水層,基坑外單排降水井難以有效控制地下水,使得在傾斜含水層中有大量水流滲出,外加臨河條件下水系滲流補(bǔ)給富裕,造成整個(gè)基坑內(nèi)局部區(qū)域滲水嚴(yán)重,與現(xiàn)場(chǎng)情況相吻合?？傮w來(lái)看,在基坑開(kāi)挖過(guò)程中傾斜巖層相比水平巖層基坑內(nèi)涌水更為嚴(yán)重,采取有效方法解決該問(wèn)題并保證基坑內(nèi)干作業(yè)至關(guān)重要。

圖17 基坑開(kāi)挖面滲水量對(duì)比Fig.17 Comparisons between seepage volumes from excavation surfaces of the trench

5 分析和討論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,采用排樁錨索支護(hù)不能有效解決此類特殊地層下深基坑開(kāi)挖途中坑內(nèi)區(qū)域性滲水問(wèn)題,現(xiàn)場(chǎng)情況如圖18所示。在這種復(fù)雜的地質(zhì)條件下,基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)未做止水措施,加劇了基坑側(cè)壁滲水情況,而開(kāi)挖面水流主要通過(guò)傾斜含水層補(bǔ)給,基坑外側(cè)單排降水井控制坑外水位效率低,不能阻斷水流從傾斜層繞流補(bǔ)給坑內(nèi),難以保證基坑內(nèi)干作業(yè),并增加了開(kāi)挖施工難度。

a—樁間滲水;b—區(qū)域滲水。圖18 基坑開(kāi)挖面滲水狀況Fig.18 Water seepage conditions of excavation surface of foundation

圖19給出了在基坑開(kāi)挖結(jié)束后傾斜巖層與水平巖層的地下水滲流速度變化情況,可見(jiàn)：隨著基坑開(kāi)挖,在傾斜互層中地下水滲流速度分布特征明顯,隔含水層滲透系數(shù)差異大,進(jìn)而影響基坑側(cè)壁及坑底臨空面處含水層和隔水層滲流速度,在開(kāi)挖結(jié)束后圖中紅色區(qū)域滲流速度為0.4 m/d,明顯看出在傾斜巖層下坑內(nèi)含水層為主要滲流補(bǔ)給,互層走向及傾角均影響地下水滲流路徑,這是區(qū)別于水平巖層的主要因素。總之,在基坑開(kāi)挖過(guò)程中傾斜巖層下的地下水滲流情況更為復(fù)雜特殊。

a—傾斜巖層;b—水平巖層。圖19 基坑內(nèi)滲流速度對(duì)比云Fig.19 Comparisons between contours of seepage velocity during foundation excavation

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)臨河傾斜互層下深基坑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬,對(duì)比分析傾斜與水平兩工況下降水開(kāi)挖過(guò)程中基坑整體穩(wěn)定性差異,取得以下結(jié)論：

1)基坑所處地層的傾角及互層走向?qū)幼冃斡酗@著影響,愈靠近基坑角點(diǎn)樁頂豎向沉降愈大,且有建筑物一側(cè)沉降值更大,同時(shí)在建筑物荷載作用下降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

2)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中,傾斜巖層工況下樁頂豎向最大位移相比水平巖層增大,在臨近建筑物一側(cè),傾斜互層下周邊最大沉降值產(chǎn)生在距離基坑邊約25 m處,沉降值約為16 mm,較水平巖層增加了近60%。因此在傾斜巖層條件下,鄰近建筑物荷載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周邊地表沉降具有消極作用。

3)隨著基坑降水進(jìn)行,在降水漏斗區(qū)域內(nèi)傾斜巖層總水位相比水平巖層低2 m,且傾斜巖層中總水位曲線受巖層走向及傾角影響呈現(xiàn)出階梯型增長(zhǎng),而在距離基坑10 m處,傾斜巖層有效應(yīng)力為150.3 kN/m2,相比水平巖層的138 kN/m2增大了近8.9%,很大程度上影響了基坑周邊地表沉降。

4)隨著基坑開(kāi)挖深度增加,傾斜互層逐步裸露,增大了地下水繞流補(bǔ)給,其中,開(kāi)挖五工況結(jié)束后,基坑臨空面局部范圍內(nèi)傾斜巖層滲水量達(dá)到29.65 m3/d,相比水平巖層坑內(nèi)滲水量16.19 m3/d,兩者相差近1.83倍,使得基坑內(nèi)區(qū)域滲水較水平巖層更為嚴(yán)重,加大了該特殊地質(zhì)條件下基坑開(kāi)挖難度。