承壓水基坑變形穩(wěn)定性因素影響分析

秦 羽, 李雄威, 劉正明, 肖金花

(1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院， 常州 213032； 2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院， 常州 213032；3.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊， 常州 213300； 4.常州市軌道交通發(fā)展有限公司， 常州 213000)

軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展使深基坑工程越來越受關(guān)注?；右坏┌l(fā)生事故，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)將會產(chǎn)生較大的變形，將影響周邊環(huán)境如鄰近建筑物、道路、管線等的安全穩(wěn)定，乃至形成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。地下承壓水是造成基坑事故產(chǎn)生的關(guān)鍵原因之一，是基坑底部突涌的首要原因[2-3]。對基坑開挖現(xiàn)場監(jiān)測的同時借助于數(shù)值計算的方法，能多方面更為精確地研究基坑工程整體變形[4]。Marsland[5]通過實驗研究得出土體強(qiáng)度、基坑挖深、墻體入土深度等是影響臨界水頭關(guān)鍵要素的結(jié)論，同時可將其破壞模式分為整體頂升破壞、楔形體頂升破壞、表面砂沸破壞。宋建禹[6]對福州軌道交通2號線某承壓水基坑抗突涌問題提出相關(guān)建議，結(jié)合數(shù)值分析與監(jiān)測數(shù)據(jù)探討基坑圍護(hù)方案。由研究結(jié)果可知，對于不透水層較厚導(dǎo)致圍護(hù)墻不易伸入承壓水層的基坑，采用水下開挖的方式可有效預(yù)防基坑突涌事故、減小圍護(hù)墻體的變形。丁春林等[7]以上海軌道交通M8號線承壓水基坑工程為例，通過離心模型試驗探討該基坑不透水層存在與否、基坑挖深等對基坑的變形影響。由實驗結(jié)果可知：無論不透水層存在與否，基坑挖深越大，對基坑變形影響越大；挖深較大時，不透水層缺失與否，造成的基坑變形差異較大。陽吉寶等[8]以蘇州某廣場基坑為研究背景，探討承壓水對基坑的變形影響，對基坑突涌問題進(jìn)行驗算并采取相關(guān)加固措施，對部分落深位置突涌穩(wěn)定性問題的處理提出建議。夏春亮等[9]選取泰州市某水泵房基坑工程實例，采取數(shù)值分析的方式，探討承壓水基坑坑底加固對其穩(wěn)定性的影響?？芍?，對比5種不同的加固措施，滿堂加固更為有效地減小坑底土體的回彈隆起，其基坑抗突涌效果更顯著。王曉楠等[10]就承壓水基坑開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形問題的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，說明了支護(hù)結(jié)構(gòu)對周圍土體的變形影響、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方式、現(xiàn)場勘測的研究發(fā)展，并且討論了現(xiàn)存的相關(guān)問題，為今后的研究做了鋪墊。本文以常州地鐵青楓公園站基坑工程為研究背景。通過建立基坑開挖數(shù)值計算模型，研究承壓水作用下基坑變形及突涌穩(wěn)定性狀，對承壓水降壓幅度、不透水層厚度、圍護(hù)墻入土深度等因素的抗突涌影響進(jìn)行參數(shù)分析。

1 工程概況

本例基坑開挖過程中主要含水層為上層潛水和承壓水。潛水層分布在填土層中，水位埋深在2 m左右，含水量小。承壓水層為⑤1粉土層、⑤2砂土層以及⑧1粉黏土層，其中⑤1、⑤2層為1-1承壓水層，⑧1層為1-2承壓水層。采用地下連續(xù)墻施工后，⑤層承壓水被截斷，不會發(fā)生突涌，⑧1層承壓水存在發(fā)生突涌的可能性，應(yīng)予以重視。根據(jù)地質(zhì)勘察報告、土體三軸試驗、三軸加卸載試驗、共振柱試驗得到的土層參數(shù)見表1和表2。

表1 土層基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of soil mass

注：γ為重度；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

表2 土體小應(yīng)變模型參數(shù)Table 2 Soil small strain model parameters

2 基坑開挖的數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測

本文采用的Plaxis大型巖土有限元軟件是專門應(yīng)用于巖土工程的數(shù)值模擬程序，內(nèi)帶多樣土體本構(gòu)模型。Plaxis軟件工作流程主要包括：建模、網(wǎng)格劃分、水力條件設(shè)置、工序輸入、計算分析。該軟件能很好地模擬巖土結(jié)構(gòu)及施工工序，其計算結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確，能考慮到土與結(jié)構(gòu)間的作用。由于其強(qiáng)大準(zhǔn)確的計算分析功能，在巖土方向研究領(lǐng)域應(yīng)用較普遍。

2.1 數(shù)值計算模型

根據(jù)常州地鐵2號線青楓公園站的實際開挖情況，采用Plaxis有限元軟件模擬開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)及其周圍土體的變形。數(shù)值模擬計算中使用的土層參數(shù)是硬化土小應(yīng)變(HSS)本構(gòu)模型參數(shù)。依據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查報告和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙可知，基坑開挖寬度與深度分別為24、16.2 m，兩邊土層取到60 m的范圍?；舆x用地下圍護(hù)墻結(jié)合內(nèi)支撐支護(hù)方案，地下圍護(hù)墻深度達(dá)30.5 m、厚為0.8 m，沿墻體垂直方向設(shè)立3個支撐，第一個支撐采用混凝土支撐，第二個和第三個支撐采用鋼支撐。在數(shù)值模擬中，地下連續(xù)墻由板單元模擬，內(nèi)支撐由錨桿模擬，模型的邊界條件使用固定位移邊界及固定水頭，土層與地連墻之間接觸面的強(qiáng)度折損參數(shù)為0.75。如圖1所示為數(shù)值模擬的該基坑開挖模型，空白處為開挖的基坑。圍護(hù)及支撐材料參數(shù)如表3所示。

1為地下潛水的埋深；2為地下連續(xù)墻；3為第一道混凝土支撐；4為第二道鋼支撐；5為第三道鋼支撐圖1 基坑開挖計算模型Fig.1 Foundation pit excavation model

表3 圍護(hù)及支撐材料參數(shù)Table 3 Enclosure and support material parameters

注：EA為軸向剛度；EI為抗彎剛度；d為水平間距。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

基坑開挖數(shù)值模擬過程與實際施工工況一致。數(shù)值計算結(jié)果收斂，達(dá)到預(yù)設(shè)的最終狀態(tài)，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)未發(fā)生土體破壞現(xiàn)象。圖2為數(shù)值模擬得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體變形圖，可知：

(1)基坑開挖時，墻體的水平變形值不斷增大，隨著墻體垂直方向呈現(xiàn)出先變大后減小的變化趨勢，圖2中墻體水平變形最大值為34.2 mm，位于地連墻深度的1/2左右(16.5 m)。

(2)基坑周圍地面的最大豎向位移值為22.4 mm，在遠(yuǎn)離基坑邊12 m附近，沉降值曲線表現(xiàn)為先變大后減小的“勺形”凹槽變形。

(3)從坑中央往基坑邊土體隆起值逐漸減小，隆起值極值在基坑中間位置，其值為52.44 mm。

圖2 數(shù)值模擬基坑開挖變形云圖Fig.2 Numerical simulation of deformation nephogram of foundation pit excavation

2.3 數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的對比分析

施工現(xiàn)場地面沉降監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置按遠(yuǎn)離基坑方向的水平距離依次為2、5、5、10、10、15 m，圍護(hù)墻水平變形監(jiān)測點(diǎn)沿墻體豎直方向每隔0.5 m布置一個。墻體水平變形數(shù)值模擬結(jié)果，和最后一步開挖完成后墻體水平變形的計算值與實際監(jiān)測結(jié)果比較分別如圖3、圖4所示。地表沉降數(shù)值計算曲線圖、最終開挖步驟結(jié)束之后的地面沉降計算值和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)比較分別如圖5、圖6所示。

圖3 地連墻水平位移計算值Fig.3 Calculated horizontal displacement of diaphragm wall

圖4 地連墻水平位移計算值與現(xiàn)場監(jiān)測值對比Fig.4 Comparison of calculated horizontal displacement of diaphragm wall with field monitoring value

圖5 地表沉降計算值Fig.5 Calculated surface subsidence

圖6 地面沉降計算值和現(xiàn)場監(jiān)測值Fig.6 Ground settlement calculation value and on-site monitoring value

由圖4可知：地連墻水平位移計算值和現(xiàn)場監(jiān)測值的變化規(guī)律趨于一致，最大值分別為34.2、29.5 m，兩者較接近，表明該深基坑采用的地連墻結(jié)合鋼支撐支護(hù)體系設(shè)計是安全有效且利于基坑穩(wěn)定，同時驗證數(shù)值計算實際基坑開挖過程是合理的。由圖6可知，地面沉降值的數(shù)值模擬值與監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律相吻合，兩者都表現(xiàn)出先變大后變小的“凹槽形”分布形態(tài)。最大沉降值均出現(xiàn)在距基坑12 m左右的位置，分別為22.4、18.2 mm，沉降值最大的位置并不在基坑附近，而是位于基坑邊一定距離處，主要原因是基坑周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間存在摩擦力等相互作用，減小了基坑周邊土體的沉降。

3 基坑突涌模型的建立

3.1 基坑突涌的數(shù)值模擬

為了探討⑧1承壓水層對本項目基坑穩(wěn)定性的影響，確定最終開挖深度為14、15、16 m等的基坑模型，分析基坑逐步開挖接近承壓水層時不透水層土體的突涌穩(wěn)定狀態(tài)。實際模擬模型如圖7所示。

1為地下潛水的埋深(2 m)；2為⑧1承壓水層的水頭高度(- 4 m)；3為地下連續(xù)墻；4為第一道混凝土支撐；5為第二道鋼支撐；6為第三道鋼支撐；7為最后一道基坑開挖線圖7 基坑突涌的數(shù)值模型Fig.7 Numerical model of foundation pit inrush

在基坑開挖過程中，坑底土體的剪切應(yīng)變往下部延伸，在不透水層底板即承壓水層頂板處積累變大，土體隆起量較大。當(dāng)開挖深度至17 m時，坑底土體隆起值為82.81 m，開挖至第四層土體時，數(shù)值計算不收斂，軟件信息記載框顯示“未達(dá)到預(yù)設(shè)的最終狀態(tài)！土體破壞”。此時，隔水層底部與承壓水層呈現(xiàn)脫離狀態(tài)，坑底突涌應(yīng)變狀態(tài)如圖8所示。

圖8 基坑底部突涌應(yīng)變機(jī)制Fig.8 Underflow strain mechanism at foundation pit bottom

從圖8中可以看出，在第四步土層開挖過程中，基坑上方不透水層的土體重量不足以承受承壓水的水壓，并且在其與承壓水之間產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致兩層土之間發(fā)生脫離。由圖8(a)可知，不透水層與承壓水層交界處土體體積應(yīng)變較大，在承壓水壓力的楔裂作用下基坑坑底頂升回彈，此時不透水層土體處于懸浮狀態(tài)。由圖8(b)可知土體剪切應(yīng)變在地下連續(xù)墻內(nèi)部的坑底較大，基坑不透水層土體隆起較大?？梢钥闯?，基坑的底部在楔形開裂和剪切的作用下產(chǎn)生頂升突涌破壞[10]。

3.2 承壓水作用下的基坑穩(wěn)定性

在實際工程防治中，通過管井降水降低承壓水頭的壓力，提高基坑的穩(wěn)定性，預(yù)防基坑突涌現(xiàn)象的發(fā)生。⑧1承壓水層初始水頭為-4 m，為了研究不同的承壓水頭下基坑開挖對周圍環(huán)境的變形影響，本文建立了承壓水頭hw=-16、-12、-8、-4 m以及無承壓水情況下的基坑開挖模型，探討基坑開挖到坑底-17 m 時的基坑變形性狀。如圖9所示為各級承壓水位下墻體水平變形數(shù)值計算結(jié)果。將每個級別水頭壓力下的圍護(hù)墻體水平位移值與沒有壓力水頭作用情況作對比，結(jié)果如圖10所示，可知，沒有承壓水壓力的墻體水平變形值較小，墻體的水平變形值與承壓水頭高度變化成正比關(guān)系，水頭越高變形值越大。并且變形值最大的點(diǎn)深度在坑底附近，隨著水頭升高而降低，基坑穩(wěn)定性隨之下降。水頭高度為-4 m時，墻體水平變形值比無承壓水時增40.9%。

圖9 各級水頭高度下地連墻水平位移計算值Fig.9 Calculated values of horizontal displacement of diaphragm wall at different water head heights

圖10 地連墻水平位移對比圖Fig.10 Contrast diagram of wall horizontal displacement

4 抗突涌因素影響分析

前文總結(jié)了不同級別水頭壓力下的圍護(hù)墻體水平位移值與沒有壓力水頭作用情況的對比，以下將具體分析承壓水降壓幅度、不透水層厚度、圍護(hù)墻入土深度等各參數(shù)對圍護(hù)墻體最大水平位移的影響。為了便于結(jié)果分析，采用無量綱化的方法來表征基坑變形量，也就是說，根據(jù)圍護(hù)墻最大水平變形值與開挖深度比(δhmax/H)的變化規(guī)律，分析了各種因素對基坑穩(wěn)定性的影響。

4.1 承壓水降壓幅度的影響

承壓水不同的降壓幅度對應(yīng)著不同的承壓水頭，前文建立了承壓水頭hw=-16、-12、-8、-4 m的基坑開挖模型，現(xiàn)用墻體變形無量綱化的方式分析承壓水降壓幅度對基坑穩(wěn)定的影響，圖11為第三步開挖結(jié)束(H=13 m)與開挖到坑底(H=17 m)的墻體無量綱化最大變形圖。可以看出，圍護(hù)墻體水平位移隨著承壓水頭的升高呈現(xiàn)線性增大的趨勢，且基坑開挖至坑底17 m 的水平位移與第三步開挖步相比明顯比較大，可知承壓水頭越大，開挖深度越深，基坑越不穩(wěn)定。降壓前期較后期對基坑穩(wěn)定性影響更顯著，變化更明顯。

圖11 承壓水降壓幅度對δhmax的影響Fig.11 The influence of pressure drop range of confined water on δhmax

4.2 不透水層厚度的影響

研究不透水層厚度對基坑穩(wěn)定性的影響，需要改變數(shù)值模型隔水層厚度值，設(shè)置承壓水層頂板標(biāo)高分別為-22、- 23 、…、- 27 m，對應(yīng)的隔水層厚度分別為5、6、…、10 m。水頭高度分別為-12、-8 m時的墻體無量綱化最大水平變形如圖12所示?？芍?，墻體最大水平變形跟不透水層厚度是反比關(guān)系，隔水層厚度越薄，墻體變形越大，對基坑穩(wěn)定性影響較大，反之，隔水層越厚基坑越穩(wěn)定；承壓水頭越高，不透水層厚度對基坑穩(wěn)定性影響越顯著。工程中水頭較高的基坑應(yīng)保證足夠厚的不透水層厚度，確?；臃€(wěn)定安全。

圖12 不透水層厚度對δhmax的影響Fig.12 Influence of thickness of water-repellent layer on δhmax

4.3 圍護(hù)墻入土深度的影響

工程中利用地連墻截斷承壓水與坑內(nèi)土體的水力聯(lián)系可以避免基坑事故的發(fā)生，本文研究圍護(hù)墻不同入土深度對基坑變形穩(wěn)定的影響。建立地連墻深度分別為30.5、32、33.5、35、5、38 m的基坑開挖模型，水頭高度分別為-12、- 8 m時的墻體無量綱化最大水平變形如圖13所示?？梢钥闯觯S著圍護(hù)墻入土深度的增加墻體水平變形減小，當(dāng)?shù)剡B墻深度達(dá)到37.5 m截斷承壓水層時，墻體水平變形最小；曲線較平緩，說明圍護(hù)墻入土深度對墻體變形影響不是很明顯。工程中，承壓水頭較高，開挖深度較大的基坑可利用地連墻截斷承壓水層避免基坑突涌事故。

圖13 圍護(hù)墻入土深度δhmax對的影響Fig.13 The influence of the depth of the wall penetration on δhmax

5 結(jié)論

(1)基坑周圍地表沉降、墻體水平變形數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)相吻合，說明數(shù)值模擬基坑開挖過程是合理的。承壓水基坑穩(wěn)定性隨著水頭高度升高、開挖深度增加而降低，本例基坑工程未進(jìn)行降水的情況下即水頭高度為-4 m時，開挖深度達(dá)到17 m基坑發(fā)生整體頂升突涌破壞。

(2)承壓水條件下基坑開挖易發(fā)生突涌破壞，抗突涌影響因素包括：圍護(hù)墻入土深度、不透水層厚度、承壓水降壓幅度等，基坑開挖過程中降低水頭高度、增加不透水層厚度以及加深圍護(hù)墻入土深度等措施可以提高基坑穩(wěn)定性，預(yù)防基坑突涌破壞，減小圍護(hù)墻水平變形，保護(hù)周圍環(huán)境；承壓水頭較高的情況下不透水層厚度對基坑穩(wěn)定性影響較顯著，地連墻入土深度較其他因素對基坑穩(wěn)定變形影響較小。