郭曉程 范新明
(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,陜西 西安 710018)
地鐵建設(shè)活動中的深基坑工程引起的地表變形,主要源于水、土兩個方面。即:含水層疏干導(dǎo)致土層固結(jié)變形以及基坑開挖引起土體應(yīng)力釋放與地層應(yīng)力平衡狀態(tài)改變,坑周產(chǎn)生應(yīng)力差和剪應(yīng)變,引起土層位移和地表變形。顯然,考慮到地表沉降的區(qū)域性、緩變性特點,工程降水引起的區(qū)域性地表變形應(yīng)該是地表沉降控制研究的關(guān)鍵。本文以西安地鐵施工中的一典型工程為例,建立二維有限元模型,對基坑降水環(huán)境效應(yīng)的耦合性狀進行分析,探討采用不同止水形式對地表沉降影響的規(guī)律。
表1 基坑內(nèi)各土層性質(zhì)表
西安地鐵某車站主體結(jié)構(gòu)形式為地下三層,標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約為24m,擬采用明挖法施工。設(shè)3個出入口及1個預(yù)留出入口,出入口底板埋深約10m,出入口擬采用明挖順筑法施工;車站主體基坑圍護結(jié)構(gòu)采用圍護樁形式,基坑從南向北分段分層開挖。
根據(jù)地質(zhì)勘察報告揭示,自上而下分析該場地地層條件,表層為以路基為主的人工填土;地下水位以上為具濕陷性3-1-1層新黃土,地下水位附近為性質(zhì)較差的新黃土3-1-2層,其下為性質(zhì)一般的3-2-2層古土壤及4-1-2層老黃土,再向下為物理力學(xué)性質(zhì)較好且厚度、層位穩(wěn)定的夾4-7層密實中砂的4-4層粉質(zhì)黏土。該場地地面下40m深度內(nèi),各地層均連續(xù)分布,且成層厚度均勻,車站基坑范圍內(nèi)各個土層性質(zhì)如表1。
該車站附近無地表水體,車站工程建設(shè)影響范圍內(nèi)為地下潛水。場地潛水賦存于上更新統(tǒng)殘積古土壤、中更新世風(fēng)積黃土和沖積粉質(zhì)黏土及其砂夾層中。主要含水層為中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土1層中砂夾層,該層透水性好,賦水性強。地下水位在地面下8m左右,屬潛水,車站各主體結(jié)構(gòu)均位于地下水位以下。
圖1 方案一(坑外降水)示意圖
方案1:坑外降水,見圖1?;娱_挖深度24米,基坑圍護樁樁長31米,嵌固深度7米。降水井濾水管深度35米,與圍護樁水平距離2.5米。
方案2:坑內(nèi)降水,圍護結(jié)構(gòu)外加止水帷幕,見圖2。基坑開挖深度24米,嵌固深度7米?;訃o樁樁長31米,止水帷幕深度31米,降水井濾水管深度35米。此方案為工程實際采用方案。
圖2 方案二(坑內(nèi)降水)示意圖
為了方便問題分析,掌握規(guī)律,本文作了以下假定:1)假定降水階段土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系;2)按平面應(yīng)變問題考慮,井點、深井對稱分布在基坑邊;3)初始地下水位在地表;4)井點、深井降水前,土體在自重作用下固結(jié)已完成;5)埋設(shè)井點、深井引起土體應(yīng)力和變形不予考慮,暫不考慮基坑開挖引起的變形。
圖3 計算基坑斷面示意圖
圖4 有限元模型
圖5 水位線計算分析
圖6 各工況地表沉降分布
圖7 水位線計算分析
圖8 各工況地表沉降分布
計算深度取30m。降水影響半徑以庫薩金經(jīng)驗公式求得的最大降水影響半徑和工程經(jīng)驗值為參考,并在實際建模中作調(diào)整。本文中取降水影響半徑R=200m,即認為距離基坑邊200m以外地表水位線不變化。在降水影響半徑附近盡管水位下降值已趨向零,但由于不均勻沉降所產(chǎn)生的剪切變形會引起豎向沉降重新調(diào)整和向鄰近土體擴散,即在沉降大的地方有所減小,小的地方有所增大,并隨著距離的增大而逐步趨向于零。因此,沉降區(qū)的影響范圍比水頭下降區(qū)的范圍大,但在降水影響半徑一定距離以外,不論是絕對沉降量還是差異沉降量都已經(jīng)相當(dāng)小了。本文取離開基坑邊距離200m處水平位移和豎直位移為零,見圖3。
2.3.1 網(wǎng)格化分
采用有限元軟件ABAQUS以非飽和土和非穩(wěn)定滲流理論為基礎(chǔ),采用平面四邊形單元(CPE4P單元),有限元網(wǎng)格化分見圖4。計算區(qū)域各土層特性參數(shù)見表1。
2.3.2 位移邊界條件
bc邊為對稱約束,即水平位移為零;ad邊水平、豎直方向位移約束,即水平、豎直位移為零;ab邊水平、豎直方向約束,即水平、豎向位移為零。
2.3.3 孔壓、流量邊界條件
e邊為對稱面,即流量為零;ab邊不透水,即流量為零;井點管上部i點處為流量邊界(流量大小按實際流量施加),如果把其作為深井考慮,可考慮i點的孔壓為零;dh邊孔壓為零。
圖9 距坑壁10米處地表沉降曲線
圖10 距坑壁20米處地表沉降曲線
采用方案一坑外降水?;娱_挖至24米時,分析計算出基坑外地下水位的變化規(guī)律,對計算所得的基坑外水位線隨時間以及地表沉降進行了分析。水位變化與基坑距離關(guān)系見圖5所示。
模擬基坑開挖至開挖深度8米、16米、24米時,地表沉降隨基坑坑壁距離變化見圖6所示。由圖可知,未降水時,開挖對距離坑壁2h范圍內(nèi)地表有影響,在距基坑2h以外,沉降幾乎為0。當(dāng)在基坑外布置抽水井時,潛水區(qū)水位大范圍下降,導(dǎo)致大面積地表變形。在距基坑3h范圍內(nèi),沉降超過4mm,向靠近基坑方向線性增加,在距基坑壁8米處地表沉降最大,達到-28.9mm。在距基坑10h以外,地表沉降趨緩,但仍在很大范圍內(nèi)沉降超過2mm。
采用方案二坑內(nèi)降水,旋噴止水帷幕深入到降水目的的含水層的底板內(nèi),坑內(nèi)的含水層水位降低時,坑外潛水的水頭變化微小。水位變化與基坑距離關(guān)系見圖7所示。
模擬基坑開挖至開挖深度8米、16米、24米時,地表沉降隨基坑坑壁距離變化見圖8所示。由圖可知,由于此種降水方式,止水帷幕深入降水目的的含水層的底板內(nèi),基坑內(nèi)降水對坑外水位影響甚微,各工況地表變形主要由圍護結(jié)構(gòu)的變形引起。開挖對距離坑壁2h范圍內(nèi)地表有影響,最大沉降只有12.9mm。在基坑2h以外,沉降小于3mm。此種降水方式對地表沉降效果較好。
模擬各開挖工況下計算地表變形與實測變形比較見圖9、圖10所示。計算值與實測地表變形吻合較好,說明模型各參數(shù)選取符合實際,可以用來預(yù)測基坑開挖降水對更遠范圍的地標(biāo)影響。
以上計算結(jié)果表明,地鐵深基坑施工過程中,止水形式對坑周地面沉降影響迥異。第一類滲流特征(方案一),坑外降水引起地面沉降范圍較廣,程度較大,距基坑坑壁2h處沉降量達11.2mm,在距坑壁2-11h范圍內(nèi)沉降量線性減小。第二類滲流特征(方案二),地表變形主要由圍護結(jié)構(gòu)自身變形引起,降水影響不明顯,且地表變形主要集中在坑周2h(開挖深度)范圍內(nèi),條件允許時應(yīng)采用第二類止水措施。
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