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        臨湖富水地層深基坑開挖力學響應及穩(wěn)定性分析

        2023-10-13 08:44:50曾宇昕
        城市建設理論研究(電子版) 2023年28期
        關鍵詞:富水樁體深基坑

        曾宇昕

        中鐵四局集團第五工程有限公司 江西 九江 332000

        近年來,我國城市化進程不斷加快,城市人口快速增長,導致城市水電資源緊缺,臨近湖泊及河流的大型水利水電深基坑工程日益增多。此類工程所處地層多為富水地層,地下水位較高,地下滲流復雜多變,若不采取坑外降水坑內(nèi)止水等降水措施,便會導致基坑發(fā)生滲水、涌水,支護結構局部發(fā)生較大變形,進而導致基坑整體失穩(wěn)[1],給深基坑工程的支護與開挖帶來了極大的困難。因此,研究富水地層條件下地下水的滲流情況和深基坑工程的穩(wěn)定性十分必要。

        目前,諸多學者對此展開了研究。萬晶等[2]以某富水砂性地層基坑為工程背景,通過對施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析,研究得出支護結構水平變形規(guī)律、周圍地表沉降、地下水滲流及周邊建筑物沉降規(guī)律。徐忠濤[3]對某富水深基坑的施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了分析,發(fā)現(xiàn)在基坑失穩(wěn)之前,基坑支撐軸力比地表沉降先發(fā)生劇變,并建立了三維數(shù)值分析模型,模擬并分析了富水基坑的開挖過程。劉祥勇等[4]針對南通地區(qū)特殊的深厚富水地層,進行了基坑抽水回灌現(xiàn)場試驗,研究了地層之間的水力聯(lián)系,研究發(fā)現(xiàn),在深厚富水砂性地層中,地下水位變化速度較快,但地層土體沉降的變化具有一定滯后性。孫克國等[5]和陳峰等[6]分析了富水地區(qū)溶洞對深基坑開挖穩(wěn)定性的影響,建立了FLAC數(shù)值模擬軟件,通過改變影響溶洞的關鍵參數(shù),研究其對深基坑土體及支護結構的變形影響。部分學者對富水地層深基坑治理問題進行了研究[7-10],在基坑開挖前需對涌水等危害進行風險評估,分析涌水涌砂過程及其發(fā)生原因,并提出了一系列涌水涌砂及失水沉降等應急處置方案,使用清障成樁一體咬合樁施工方法應對不利條件。

        可以發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有研究對臨湖地況研究較少,富水地層的深基坑開挖需考慮地下水滲流對基坑的影響。本文依托某臨湖地埋式水廠深基坑工程,研究基坑支護開挖過程中的施工重難點,并利用巖土有限元分析軟件Plaxis建立數(shù)值計算模型,分析基坑開挖對支護結構的力學響應規(guī)律及自身穩(wěn)定性。

        1 工程概況

        1.1 項目概況

        珠三角水資源配置工程某水廠一期工程廠址位于松山湖南端,總建筑面積約48460m2(含地下建筑面積約9984.22m2),項目主要分為7個大型基坑和管道基坑,包括綜合基坑、格柵間進水泵房基坑、配水泵房吸水井基坑、主臭氧活性炭池膜車間基坑、綜合樓基坑、平衡池濃縮池及污泥泵房基坑和雨水調(diào)蓄池基坑、西側鋼板樁管道基坑和東側支護樁管道基坑。

        1.2 水文地質(zhì)條件

        擬建場地屬低山丘陵,地勢呈東高西低,局部山間洼地地勢較低,根據(jù)現(xiàn)場鉆探與原位測試,本次勘探深度范圍內(nèi)的地層劃分為素填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土及全風化巖。場地內(nèi)鉆孔穩(wěn)定混合水位埋深為0.30~10.80m,標高為22.77~30.26m。場地淺部的地下水為孔隙潛水,其補給來源主要通過大氣降水及場地東側地勢較高處的地下水徑(滲)流。

        2 支護施工方案設計

        2.1 支護方案設計

        項目基坑工程共分為9個基坑,本文選取綜合基坑工程I-I斷面進行分析,綜合基坑平面布置圖如圖1所示,由于此項目位于郊外,基坑周圍可用施工面積較大,故基坑支護采用放坡+樁錨支護方式,樁徑D為0.8m,相鄰樁間距為0.5m,錨桿縱向間距Lsp為1.5m,其支護結構圖如圖2所示。

        圖1 綜合基坑平面布置圖

        圖2 基坑支護結構剖面圖

        2.2 施工重難點分析

        (1)重難點分析

        項目所處區(qū)域地下水位高,且臨近松木山水庫,基坑開挖前應采取有效降水措施,因此地下水位的高低關系到基坑圍護的安全。

        (2)應對措施

        1)建立地面截水系統(tǒng),防止地表水流入造成影響,基坑四周的地面排水采用截水溝,將雨水及各種地表水收集、沉淀后排入市政管道。

        2)基坑采取明排降水,在基坑四周超前開挖集水坑,匯集土層的滲水,及時抽排出基坑;澆筑底板時,基坑底面設集水坑及盲溝,將積水匯集抽排出基坑。

        3)為防止地下水對施工的影響以及池體在施工期間上浮,采用管井進行降水,地下水位應降至主體結構的底板高程0.5m以下。

        3 數(shù)值模型的建立

        本模型采用巖土專用有限元模擬軟件Plaxis進行模擬,模型豎向深度取2倍的基坑開挖深度,寬度為4倍基坑開挖深度,模型共792個單元,6796個節(jié)點,計算模型如圖3所示?;又ёo結構采用等效剛度原則,將鉆孔灌注樁等效成地下連續(xù)墻來模擬[11],等效之后板厚D為0.57m,彎曲剛度EI為460×103kNm2/m,軸向剛度EA為17.1×106kN/m。錨桿自由段采用點對點錨桿單元模擬,錨固段則采用embadded樁單元模擬,縱向間距L取1.5m。

        圖3 計算模型示意圖

        4 數(shù)值模擬結果分析

        4.1 圍護樁變形

        本文基坑開挖共分四層,第一層為放坡開挖,開挖至第二層土體施作鉆孔灌注樁,提取基坑開挖第二、三、四層土體樁體水平位移,對應開挖深度he分別為5m、8m、11.75m,如圖4所示??梢园l(fā)現(xiàn),隨著基坑開挖深度的不斷加深,樁體水平位移也隨之增大,最大位移為當基坑開挖至11.75m時,圍護樁最大位移為8.3mm,值得注意的是,此處也是變化幅度最大的點,因此,當施工至此處時需減小開挖厚度,增大監(jiān)測頻率。

        圖4 不同開挖深度下樁體水平位移

        4.2 圍護樁內(nèi)力

        不同開挖深度下樁體彎矩如圖5所示??梢园l(fā)現(xiàn),隨著基坑開挖深度的不斷加深,圍護樁最大彎矩也隨之增大,最大彎矩為當基坑開挖至8m時,圍護樁最大彎矩為135.9kN·m/m。同時,樁身反彎點也隨著基坑開挖逐漸下移。由于錨桿的施作,使得圍護樁最大正彎矩附近的錨固區(qū)域產(chǎn)生負彎矩增量,樁身彎矩發(fā)生突變,由此發(fā)現(xiàn)錨桿對于圍護樁作用顯著。

        圖5 不同開挖深度下樁體彎矩

        4.3 整體穩(wěn)定性

        在進行基坑整體穩(wěn)定性分析時,主要分析方法有極限分析法、極限平衡法、強度折減法等,本文采用有限元分析內(nèi)置強度折減法,對基坑各開挖步執(zhí)行安全性計算,當基坑開挖至11.75m時,安全系數(shù)最小為1.53,此時基坑整體失穩(wěn)破壞云圖如圖6所示,可以發(fā)現(xiàn),基坑土體沿圍護樁樁底上一點發(fā)生整體滑動,因土層為砂性土,滑動面近似為平面,整體失穩(wěn)滑動面大致為過樁底切樁滑弧。

        圖6 基坑整體失穩(wěn)破壞云圖

        5 結論

        (1)項目所處區(qū)域地下水位高,且臨近松木山水庫,基坑開挖前應采取有效降水措施,基坑采取明排降水,在基坑四周超前開挖集水坑,匯集土層的滲水,及時抽排出基坑。

        (2)圍護樁最大彎矩出現(xiàn)在當基坑開挖至8m時,圍護樁最大彎矩為135.9kN·m/m。樁體水平最大位移為當基坑開挖至11.75m時,圍護樁最大位移為8.3mm,值得注意的是,此處也是變化幅度最大的點,因此,當施工至此處時需減小開挖厚度,增大監(jiān)測頻率。

        (3)當基坑開挖至11.75m時,安全系數(shù)最小為1.53,基坑土體沿圍護樁樁底上一點發(fā)生整體滑動,因土層為砂性土,滑動面近似為平面,整體失穩(wěn)滑動面大致為過樁底切樁滑弧。

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