滲流對(duì)深基坑開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程的影響

楊　悅,　韓　雪,　徐曉紅,　王　強(qiáng)

(1.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京 100083)

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滲流對(duì)深基坑開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程的影響

楊悅1,2,韓雪1,徐曉紅1,王強(qiáng)2

(1.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京 100083)

利用FLAC3D軟件對(duì)哈爾濱市金都大廈項(xiàng)目深基坑工程進(jìn)行基坑開(kāi)挖卸荷過(guò)程與支護(hù)過(guò)程的數(shù)值模擬,分析考慮滲流與否兩種情況下,基坑側(cè)壁沿長(zhǎng)度方向和深度方向的變形分布及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況。計(jì)算結(jié)果表明,考慮滲流作用后,隨著土層應(yīng)力的釋放,基坑側(cè)壁的最大位移和基底的隆起量均有所增大;樁身彎矩有所增加,最大彎矩發(fā)生在樁長(zhǎng)的中部偏上處,呈中間大兩頭小的規(guī)律;降水開(kāi)挖過(guò)程中樁體變形量及錨桿軸力也增大。該結(jié)果為進(jìn)一步研究深基坑工程中滲流對(duì)支護(hù)體系的影響提供了參考。

深基坑; 滲流; 開(kāi)挖; 支護(hù); 三維數(shù)值模擬

隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展,高層建筑地下空間的利用率愈來(lái)愈高,隨之而來(lái)的深基坑工程問(wèn)題也越來(lái)越多。在設(shè)計(jì)坑的開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中,土體的開(kāi)挖卸荷及其滲流引發(fā)的土體應(yīng)力、強(qiáng)度、變形性狀改變等成為不可忽視的問(wèn)題,引起了研究人員及工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注[1-3]。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是,利用經(jīng)典土力學(xué)計(jì)算方法,計(jì)算作用到支護(hù)上的主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力,繼而進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種方法未考慮復(fù)雜條件下的影響因素,如周圍環(huán)境與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互影響、開(kāi)挖卸荷過(guò)程的影響、滲流對(duì)支護(hù)系統(tǒng)的影響,以及降水的影響等[4-6]?；訚B流、降水計(jì)算常用的傳統(tǒng)計(jì)算方法為地下水動(dòng)力學(xué)解析公式法。應(yīng)用解析法需要對(duì)場(chǎng)地的地質(zhì)條件進(jìn)行概化，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件過(guò)于復(fù)雜時(shí)，這種概化可能引起失真。數(shù)值計(jì)算方法能夠模擬實(shí)際工況，不需要概化地質(zhì)條件，因此，運(yùn)用該方法能克服此缺陷。FLAC3D有限元軟件自美國(guó)ITASCA咨詢集團(tuán)公司推出后,已成為巖土力學(xué)計(jì)算的重要數(shù)值方法之一,廣泛應(yīng)用于基坑工程[7-9]。筆者以哈爾濱市金都大廈深基坑工程為例,利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,研究基坑內(nèi)部的滲流作用對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,為進(jìn)一步研究深基坑工程中滲流對(duì)支護(hù)體系的影響提供參考。

1　工程概況及數(shù)值計(jì)算模型

1.1工程概況

哈爾濱市金都大廈深基坑工程建筑總面積50 000 m2,采用框架剪力墻結(jié)構(gòu),地下兩層,地上五層。基坑面積約12 600 m2,開(kāi)挖深度13 m,采用鉆孔灌注樁加一道預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)方案。

場(chǎng)地第一層地下水類型為潛水,主要接受地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給、大氣降水和地表管道漏水,地下水靜止水位埋深為4.9～7.6 m;第二層地下水類型為潛水,主要接受地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給,地下水靜止水位埋深一般為10.2～16.5 m。該場(chǎng)地地下水年變化幅度在1.0～2.0 m。故整個(gè)基坑地下水處理采用“止降”結(jié)合方案,即利用水泥攪拌樁形成止水帷幕,采用管井抽水方法降低坑內(nèi)地下水位。

1.2土層物理參數(shù)

勘察報(bào)告顯示,影響基坑開(kāi)挖與支護(hù)的主要土層有雜填土、砂質(zhì)粉土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、黏土,其主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　土層物理性質(zhì)參數(shù)

1.3三維數(shù)值計(jì)算模型

利用FLAC3D軟件對(duì)基坑西南側(cè)進(jìn)行數(shù)值模擬。假設(shè)基坑為對(duì)稱的,故取計(jì)算模型的1/4進(jìn)行計(jì)算,基坑的x、y、z方向影響范圍均取兩倍基坑開(kāi)挖尺寸[10]。模型的x、y、z所指方向?yàn)檎较?z方向?yàn)樨Q直向上方向,xoy平面為水平面。模型邊界條件為周邊四面均受側(cè)向約束,不允許水平方向產(chǎn)生位移,底面約束只允許鉛直方向變形[11-12]。采用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則和彈塑性本構(gòu)關(guān)系,并假設(shè)其為大變形[13-14]?；炷凉嘧恫捎肍LAC3D中的pile單元,錨索采用cable單元。整體模型如圖1所示,尺寸為:長(zhǎng)度120 mm,寬度70 mm,高度45 m。

圖1　基坑網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬過(guò)程按照實(shí)際開(kāi)挖順序進(jìn)行,分五步開(kāi)挖,開(kāi)挖至第三步打一道錨桿,真實(shí)再現(xiàn)工程施工中的開(kāi)挖卸荷過(guò)程[15]。地表附加荷載取25 kPa。

2　結(jié)果分析

2.1滲流場(chǎng)水流流速

基坑土體滲流場(chǎng)水流速曲線如圖2所示。圖中的流線代表該單元的流速矢量,靠近樁端附近的流線分布最密集,離樁端最遠(yuǎn),故此處水力梯度最大;流線長(zhǎng)短表示地下水流流速,從流速分布圖也可以看出,樁端附近區(qū)域流速較大,說(shuō)明此處地下水的滲流作用較大。開(kāi)挖至底層時(shí),x方向最大流速為7.878×10-4m/s,y方向最大流速為7.353×10-4m/s。

圖2　開(kāi)挖到底層時(shí)x和y方向水流速矢量

Fig. 2Vector diagram of water velocity inxandydirection when excavated to bottom

由于支護(hù)樁附近內(nèi)外側(cè)的水頭差較大,基坑開(kāi)挖面內(nèi)支護(hù)樁底部?jī)?nèi)側(cè)水流流速向上,支護(hù)樁底部外側(cè)水流流速斜向下指向圍護(hù)結(jié)構(gòu)。樁端附近的水流方向幾乎接近水平方向,因而可以判斷,滲流影響會(huì)使樁前后土體水平向應(yīng)力和樁后土體豎向應(yīng)力增大,基坑底以下樁前土的豎向應(yīng)力減小。這會(huì)導(dǎo)致基坑位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化。

2.2滲流對(duì)基坑開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程的影響

基坑工程開(kāi)挖過(guò)程中,支護(hù)樁的位移、應(yīng)力及基坑的位移場(chǎng)變化是反映其穩(wěn)定情況的重要參數(shù),也是進(jìn)行基坑開(kāi)挖穩(wěn)定評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。文中主要研究考慮滲流和不考慮滲流兩種情況下的支護(hù)樁位移、樁身彎矩和土體位移,重點(diǎn)是地下水的滲流作用對(duì)基坑開(kāi)挖、支護(hù)樁和錨桿的影響。

2.2.1基坑位移

以第五步開(kāi)挖為例,分析基坑位移受滲流作用的影響?？紤]滲流與否第五步開(kāi)挖土體整體位移等值線云圖見(jiàn)圖3。從圖3可以看出:考慮地下水滲流與不考慮地下水滲流兩種情況下,基坑的水平位移特征是相同的,即水平位移均由基坑外部指向基坑內(nèi)部,并且隨著開(kāi)挖深度的增加,相應(yīng)增大。滲流最明顯的作用是使基坑內(nèi)部和外部的水平位移均有所增大;圍護(hù)結(jié)構(gòu)附近土體位移最大,也就是離圍護(hù)結(jié)構(gòu)越近,土體水平位移也越大,基坑水平方向最大位移發(fā)生在坑頂附近?？紤]滲流作用后,基坑整體水平方向最大位移由24.2 mm(不考慮滲流作用)增大至31.9 mm(考慮滲流作用),增加了31.7%。位移增加的原因是考慮了坑內(nèi)外水頭差的影響,在水頭差的作用下,基坑產(chǎn)生了由坑外向坑內(nèi)的滲流,從而增加了土體的變形,而且水頭差隨著開(kāi)挖深度的增加而增大,滲流力也隨之增大。

圖3　考慮滲流與否第五步開(kāi)挖土體整體位移等值線云圖

Fig. 3Isoline nephogram of displacement of whole soil on step 5 of excavation considering seepage or not

由圖3也可以看出,基坑開(kāi)挖面處的回彈量在基坑中部最大,坑底的回彈變形曲線為波紋形,即隆起曲線的波谷處是樁所在的位置,由于樁土的相互作用,樁體附近的土體變形較小。不考慮滲流情況下的回彈量為20.9 mm,考慮滲流后基坑的最大回彈量為28.1 mm,增大35%左右。在整個(gè)開(kāi)挖面內(nèi),滲流對(duì)隆起值的影響均較大,增加幅度在30%左右。

2.2.2樁身水平位移

基坑X(jué)、Y壁側(cè)中心點(diǎn)處樁身水平位移曲線見(jiàn)圖4。從圖4可以看出,對(duì)于水平位移,考慮滲流與不考慮滲流的數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律基本一致,呈近似拋物線形,最大值出現(xiàn)在靠近樁頂處。不同之處有以下兩點(diǎn):(1)考慮滲流作用時(shí)的樁身位移均大于不考慮滲流作用的。(2)不考慮滲流作用時(shí)樁身水平位移的數(shù)值解比實(shí)測(cè)值小。這主要是由于FLAC3D計(jì)算中止水帷幕也存在一定的剛度,對(duì)基坑壁的變形有一定的約束作用。不考慮滲流即不考慮止水帷幕的作用,也不考慮基坑的三維空間效應(yīng)。可見(jiàn),滲流作用對(duì)樁身水平位移有較大影響。

圖4　基坑X(jué)、Y壁側(cè)中心點(diǎn)處樁身水平位移曲線

Fig. 4Curves of horizontal displacement of pile in central ofXandYwall of foundation pit

2.3樁身內(nèi)力

Y壁基坑中心點(diǎn)處支護(hù)樁所受彎矩如圖5所示。從圖中可以看到, FLAC3D計(jì)算值與實(shí)測(cè)值曲線形式基本一致,彎矩的極值及其發(fā)生位置也較一致;考慮滲流的彎矩計(jì)算值比實(shí)測(cè)值大,而不考慮滲流作用的計(jì)算值比實(shí)測(cè)值小。這是由于一方面考慮止水帷幕的剛度、側(cè)向約束作用和基坑的三維空間效應(yīng)的影響;另一方面,由于地下水向下的滲透力作用,使得作用在支護(hù)樁上的土壓力增大,樁后土體彎矩值略大。正彎矩最大值發(fā)生在樁頂以下4.0 m左右位置;在樁頂以下7.5 m處,受預(yù)應(yīng)力錨索的作用,樁身彎矩有突變;在基坑坑底處附近樁身的剪力值最大,故在坑底附近樁身彎矩達(dá)到零;開(kāi)挖面以下的樁身彎矩為負(fù)彎矩。可以看出,滲流作用對(duì)樁體受力產(chǎn)生一定的影響,考慮滲流作用更符合實(shí)際情況。

圖5　樁身彎矩對(duì)比曲線

考慮有、無(wú)滲流時(shí)的錨桿軸力對(duì)比曲線見(jiàn)圖6。從圖6可以看出,在自由段及錨固端中部以上位置,考慮滲流時(shí)的錨桿軸力比不考慮滲流時(shí)大,這是由于降水開(kāi)挖過(guò)程中考慮滲流的樁體變形量要比不考慮滲流時(shí)大,同時(shí)錨桿的軸力也會(huì)增大。在錨固端中下部,錨桿軸力及衰減速率比不考慮滲流時(shí)要小。因此,在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,滲流影響必須考慮,支護(hù)體系要適當(dāng)提高安全系數(shù)。

圖6　錨桿軸力對(duì)比曲線

3　結(jié)　論

(1)考慮滲流作用后,隨著土層應(yīng)力的釋放,樁后土體產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)的水平位移,基坑側(cè)壁的最大位移和基底的隆起量都有所增大,幅度在30%～35%之間。

(2)流固耦合作用下樁身彎矩有所增加,沿樁身豎直方向,樁身最大彎矩發(fā)生在樁長(zhǎng)的中部偏上處,呈中間大兩頭小的規(guī)律。

(3)開(kāi)挖過(guò)程中,預(yù)應(yīng)力錨索的軸力分布在錨固端的近端,隨著開(kāi)挖深度的增加向錨索錨固端的深部傳遞,靠近錨固端遠(yuǎn)端,軸力越來(lái)越小。

(4)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到地下水滲流帶來(lái)的不利影響,支護(hù)體系要適當(dāng)提高安全系數(shù)。

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(編輯荀海鑫)

Seepage effect on excavation and supporting process in deep foundation pit

YANGYue1,2,HANXue1,XUXiaohong1,WANGQiang2

(1.School of Civil Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China)

This paper is focused on a numerical calculation of excavation and supporting process of deep foundation pit using FLAC3Dsoftware, as in the practice of Harbin Jindu Building and an investigation into the deformation and internal forces distribution along the length and depth of lateral walls of the foundation pit as in the case of the seepage. The calculation shows that the stress release due to the seepage makes for an increase in the maximal displacement of the lateral walls and the bulge of the basement, an increase in the bending moment of the piles and thus maximal bending moment in the above-central piles and the minimum bending moment at the two ends, and an increase in the deformation of piles and the axial force of the anchor during excavation and dewatering. The study serves as a basis for further studies on effect of seepage on support system in deep foundation pit.

deep foundation pit; seepage; excavation; supporting; three-dimensional numerical simulation

2013-04-08

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12531574)

楊悅(1979-)，女，河南省商丘人，講師，博士研究生，研究方向：城市地下工程，E-mail:yybeijing@sohu.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.013

TU443

1671-0118(2013)03-0272-05

A