考慮滲流作用時深基坑開挖坑底隆起變形分析

鄭 鈺

（無錫地鐵集團有限公司，江蘇無錫 214171）

考慮滲流作用時深基坑開挖坑底隆起變形分析

鄭 鈺

（無錫地鐵集團有限公司，江蘇無錫 214171）

對于軟土地區(qū)的深基坑工程，坑底隆起變形往往在基坑變形失穩(wěn)中占有重要位置，而影響深基坑坑底隆起的因素很多，找到它們之間相互影響的規(guī)律性，對指導(dǎo)實際深基坑工程中的設(shè)計及施工有很大意義。本文通過理論分析及數(shù)值模擬方法，同時考慮滲流作用時，對影響深基坑開挖過程中坑底隆起變形的因素進行分析，得出滲透系數(shù)增加，會使得坑底隆起變形顯著增大等結(jié)論。

深基坑；滲流作用；連續(xù)墻滲漏；基坑隆起

0 引言

本文結(jié)合某深基坑開挖工程，采用數(shù)值模擬等手段，得到考慮滲流作用情況下，影響基坑坑底隆起變形的各因素和規(guī)律，可為將來該地區(qū)類似基坑開挖工程降水設(shè)計及施工提供參考。

1 未考慮滲流作用時基坑坑底隆起變形的計算方法

基坑開挖過程是坑底土層卸載的過程，在基坑開挖深度不大時，坑底隆起通常呈現(xiàn)為坑底中心變形最大，往兩側(cè)方向隆起變形逐漸減小。隨著基坑開挖深度的增大，基坑內(nèi)外土層高差不斷增大，周邊土體將產(chǎn)生積壓而涌入基坑內(nèi)部，進而基坑坑底產(chǎn)生塑性隆起變形。為此，同濟大學(xué)對深基坑坑底隆起進行了系統(tǒng)的試驗研究、提出了估算坑底隆起量的經(jīng)驗公式：

式（1）中，δ 為坑底隆起變形量；H 為基坑開挖深度；q 為地表超載；γ 為土體容重；c、φ、g 為土的粘聚力、內(nèi)摩擦角、密度；D 為圍護結(jié)構(gòu)入土深度。

由式（1）以及其他研究結(jié)果可知，基坑坑底隆起變形主要與土體力學(xué)參數(shù)、圍護結(jié)構(gòu)入土深度及基坑開挖深度等因素有關(guān)。

2 考慮滲流作用時基坑坑底隆起變形影響

在軟土地區(qū)開挖基坑時，常常由于地下水位較淺或基坑降水等因素，使得基坑內(nèi)外存在水頭壓力差而產(chǎn)生滲流作用。而在滲流作用的影響下往往引起土體孔隙水壓力發(fā)生變化，當坑底土體為黏土?xí)r，孔隙水壓力的逐漸消散會導(dǎo)致坑底土體膨脹，坑底隆起將進一步增大。若基坑坑內(nèi)水頭小于坑外水頭時，地下水將自下往上流動，則動水力的方向與土體的自重方向相反，減小土體之間的壓力，根據(jù)有效應(yīng)力原理及滲透力計算方法可用式（2）～（4）表示：

式（2）～（4）中，σ 為總應(yīng)力；σ＇為有效應(yīng)力；Δσ1和Δσ3分別為大小總主應(yīng)力增量；GD為動水力；γw為水重度；I 為水頭梯度。

通常在軟土地區(qū)深基坑開挖過程中都會采取降水措施，而當坑內(nèi)水位比坑外水位低時，由于滲流作用將引起基坑底部土體的豎向有效應(yīng)力減小，當坑外向坑內(nèi)的滲流路徑越小，水頭梯度越大時，會導(dǎo)致在基坑底部影響范圍內(nèi)的土體收到更大的動水力，坑底的隆起將增大。此外，當基坑底部的不透水層較薄，而水壓較大時，很可能發(fā)生土體自重不足以抵擋水壓而使得基底隆起過大，嚴重時會造成基坑失穩(wěn)。

在探討心內(nèi)科老年患者在治療期間心源性猝死的原因時，主要從治病原因、臨床危險因素以及發(fā)生時間入手。其中治病原因包括冠心病、風(fēng)濕性心臟病、高血壓心臟病、擴張行心臟病。臨床危險因素包括飲食不合理、情緒不穩(wěn)定等。在入院時間方面，入院時間為2～3周時，出現(xiàn)心源性猝死的幾率最大[4] 。

3 基坑隆起數(shù)值分析

某基坑工程開挖深度為 10 m，土層從上到下分為填土層、粘土層、砂土層和粉質(zhì)粘土層，各土層厚度及力學(xué)參數(shù)見表1，基坑采用地下連續(xù)墻及混凝土支撐作為支護結(jié)構(gòu)。在基坑開挖過程中，由于基坑底上部土體被挖走，對于下部土體而言為卸載效應(yīng)，坑內(nèi)土體必然會向上發(fā)生一定的隆起。

本文采用有限元方法，對含水層不同滲透系數(shù)、連續(xù)墻不同插入深度以及圍護是否發(fā)生滲漏等情況進行了分析，有限元模型見圖1。由于基坑坑底隆起性狀受到開挖深度、滲透系數(shù)、圍護插入深度及土層力學(xué)性質(zhì)等諸多因素的影響，在研究某一因素對基坑坑底隆起變形影響程度大小時，設(shè)定其他影響因素不變。

3.1 土體滲透系數(shù)對基坑坑底隆起影響

考慮地下水存在的影響，在軟土地區(qū)開挖基坑時，滲流作用引起坑底土層豎向有效應(yīng)力降低，進而引起坑底隆起變形量的增加。基坑開挖卸載引起的負超靜孔壓導(dǎo)致土體中的水壓力和有效應(yīng)力隨時間不斷變化，也因此引起坑底的隆起變形不斷增大。

本基坑粉砂層為主要含水層，厚度較大，位于基坑坑底以下，考慮工程經(jīng)濟性及合理性，連續(xù)墻無法將該層隔斷，故該含水層滲透性變化對連續(xù)墻周圍的滲流場有顯著影響。土體滲透系數(shù)分別取 1 、2 、3 、4 m /天，其他參數(shù)同表1。圖2 給出了滲透系數(shù)與基坑隆起變形關(guān)系曲線，圖3 給出了土體滲透系數(shù)和坑底最大隆起變形關(guān)系曲線。

表1 開挖土層的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 有限元計算模型

圖2 滲透系數(shù)與基坑隆起變形關(guān)系曲線

（1）從圖2 中可以看出，隨著砂性土層滲透系數(shù) k 由 1 m /天增加至 4 m /天，坑底隆起變形也隨著顯著增大，且變化的幅度呈非線性增大。由于受到基坑連續(xù)墻的約束，離基坑中心越近，隆起變形越大?？拷B續(xù)墻的位置的坑底隆起大小與基坑寬度及滲透系數(shù)有關(guān)，當基坑寬度較大時，該位置并不一定呈現(xiàn)隆起狀態(tài)，而可能發(fā)生一定量的沉降。

圖3 滲透系數(shù)與坑底最大隆起變形關(guān)系曲線

（2）從圖3 中看出最大隆起變形和滲透系數(shù)大致呈折線形分布。當滲透系數(shù)較小時，坑底隆起變形也較小，但隨著土體滲透性增加，坑底隆起變形增加速率較小，而當滲透系數(shù)繼續(xù)增加，超過一定的臨界值時，坑底隆起變形速率有所增大。

3.2 連續(xù)墻插入深度對坑底隆起影響

在地下水水位較高地區(qū)開挖深基坑時，一般需要設(shè)計止水帷幕以阻止或減少坑內(nèi)外地下水之間的聯(lián)系，止水帷幕的插入深度對深基坑工程的滲流穩(wěn)定性具有重要作用。當坑底土層為滲透系數(shù)較大的含水層，且含水層厚度較大時，若采用坑內(nèi)降水，止水帷幕插入深度決定了由坑外向坑內(nèi)滲流滲徑和水力坡降的大小，進而影響坑底隆起變形大小。

本基坑下部粉砂層厚度達 12 m，考慮連續(xù)墻與基坑下部砂性土層的相對位置關(guān)系，以連續(xù)墻深入到該層土中的長度為標準，分別取 7、9、10、13 m，其他參數(shù)不變。

圖4、圖5 給出了連續(xù)墻插入深度從 7 m 變化到 13 m時，坑底隆起變形曲線及坑底最大隆起變形情況。從圖4、圖5 中可以看出：

（1）在連續(xù)墻插入深度不變情況下，隨著距離基坑中心距離的增大，坑底隆起變形顯著減小，當插入深入為 7 m 時，距離基坑 10 m 處的坑底變形為-8.2 mm（沉降），而基坑中心處的隆起變形達到 18.3 mm，二者相差 3 倍以上。因此，在基坑施工中，需加強對坑底進行監(jiān)測，找出類似的變性規(guī)律，以更好地指導(dǎo)下一步的施工。

圖4 插入深度與坑底隆起變形關(guān)系曲線

圖5 插入深度與坑底最大隆起變形關(guān)系曲線

（2）隨著連續(xù)墻插入到砂性土層中的深度增加，基坑坑底的隆起變形也在增加，且變化的幅度呈非線性增大。這一變化趨勢與連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)對基坑變形約束的力學(xué)作用不太一致。從力學(xué)角度分析，連續(xù)墻插入深度越深，其嵌固效果越明顯，從而能有效控制基坑的變形。而計算結(jié)果表明，當坑底土層滲透性較好時，由于連續(xù)墻未能完全阻斷地下水滲流通道，隨著插入深度增加，由坑內(nèi)外水頭差引起的滲流場變得更加急速，滲流力增大，有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致基坑坑底隆起變形急劇增大。在連續(xù)墻插入深度為 13 m 時，基坑坑底最大隆起值超過 30 mm，會對基坑開挖造成較大的安全隱患，需要對其進行嚴密監(jiān)控。因此，對于此類基坑需重視基坑內(nèi)外滲流造成的不利影響，必要時應(yīng)當適當降低坑外水頭或增加止水帷幕長度以阻斷基坑內(nèi)外滲流通道。

3.3 連續(xù)墻滲漏對坑底隆起的影響

由圍護結(jié)構(gòu)滲漏引起的地下水滲流場變化是十分復(fù)雜的三維狀態(tài)，本文僅簡化為平面應(yīng)變進行分析。圖6 給出了假定連續(xù)墻在基坑坑底下范圍為 3 m 深度處發(fā)生滲漏時的滲流場云圖，圖7 給出了連續(xù)墻完好未發(fā)生滲漏情況下的滲流場云圖。

（1）從圖6 中可以看出，在達到穩(wěn)定滲流的情況下，連續(xù)墻滲漏導(dǎo)致坑外水頭迅速下降，墻底處水頭流矢減小，而發(fā)生滲漏的地方流量增大。在實際施工中，要特別注意連續(xù)墻滲漏水問題，如有漏水，應(yīng)及時采取應(yīng)急措施進行封堵，防止安全事故發(fā)生。

（2）從圖7 中可以看出，在穩(wěn)定滲流的條件下，由于基坑坑外水頭降低，坑底隆起變形反而減小。而實際工程中由于施工時間短，土體滲透性較小，達不到穩(wěn)定滲流的條件，連續(xù)墻滲漏對坑外水頭降低影響不明顯，在高水頭差的驅(qū)動下流矢增大，易導(dǎo)致坑底土體發(fā)生管涌、流砂等破壞情況。

4 結(jié)論

（1）在地下水位較高地區(qū)開挖基坑或基坑開挖過程中進行井點降水，會使得基坑內(nèi)部與外部存在一定的水頭差，由此產(chǎn)生的滲透作用會影響基底隆起變形。

（2）滲流使得坑底被動區(qū)土層的有效應(yīng)力減小，進而坑底的隆起變形量增大。滲流對基坑坑底隆起變形的影響因素主要有滲透系數(shù)、止水帷幕插入深度、基坑開挖深度、承壓水頭以及圍護結(jié)構(gòu)的滲漏等。

（3）土體滲透系數(shù)大小決定了土中超孔隙水壓力消散的快慢，影響了坑底回彈達到穩(wěn)定的時間。

（4）本文未考慮基坑底部存在工程樁的情況，如果存在大量工程樁，基底隆起變形將會受到約束。

［1］ 李琳.工程降水對深基坑性狀及周圍環(huán)境影響的研究［D］.上海：同濟大學(xué)，2007.

［2］ 李玉岐，周健，謝康和.滲流作用對基坑坑底回彈變形的影響［J］.巖土力學(xué)，2005，26（11）：1749-1752.

［3］ 曹力橋.軟土地區(qū)深基坑開挖坑底隆起的有限元分析［J］.巖土工程學(xué)報，2013（增2）：819-824.

［4］ 孔德森，門燕青，張偉偉，等.軟土深基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］.巖土工程學(xué)報，2010（增1）：186-190.

圖6 連續(xù)墻發(fā)生滲漏滲流場分布云圖（單位：kN/m2）

圖7 連續(xù)墻未發(fā)生滲漏滲流場分布云圖（單位：kN/m2）

［5］ 徐彪，劉佳.對深基坑坑底隆起問題的探討［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報，2004，15（1）：66-68.

責(zé)任編輯 朱開明

Analysis on Bottom Heave Deformation of Deep Foundation Pit Excavation by Considering of Seepage Effect

Zheng Yu

For deep foundation pit engineering works in soft soil area， bottom heave deformation often occurs in foundation pit deformation and lose of balance which plays an important role in the stability.There are a lot of impact factors causing deep foundation pit heave.Finding the regularity of the interrelation infl uence to guide the practice of deep foundation pit engineering design and construction has great significance.By using theoretical analysis and numerical simulation method， and taking into consideration of the effect of seepage， the paper makes an analysis of heave deformation factors in deep foundation pit excavation process.The analysis works out the conclusion which shows that with the increase of the permeability coefficient， the heave deformation is signifi cantly increased.

deep foundation pit， seepage effect， continuous wall seepage， foundation pit heave

TU753

鄭鈺（1973-），男，高級工程師

2016-04-05