基坑放坡開挖地下水控制研究

王璐璐

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092］

0 引 言

地下水控制與基坑工程的安全，以及周邊環(huán)境的保護都密切相關(guān)。在地下水位較高的地區(qū)，基坑降水、降壓需滿足基坑工程安全和方便現(xiàn)場施工的要求。但在環(huán)境保護要求較高的區(qū)域，基坑降水還需要設置合理的隔水體系并且有通暢的排水系統(tǒng)。因此，進行地下水控制也是基坑工程的設計與施工必須要考慮的重要問題[1-3]。

地下水控制主要方法包括積水明排、基坑降水和基坑隔水。在基坑工程中，常常需要組合使用，才能保證地下水處理的合理、可行、有效地實施，如：隔滲帷幕+坑內(nèi)降水，隔滲帷幕+坑邊控制性降水，降水+回灌，部分基坑邊降水+部分基坑邊截水等[4-5]。

基坑放坡開挖是基坑開挖中最簡單、傳統(tǒng)的方法。隨著基坑深度的增加，降低基坑及其周邊地區(qū)的地下水位，使得深基坑開發(fā)區(qū)域附近的地下水位發(fā)生劇烈的流動，進而改變了土體的應力和土體的結(jié)構(gòu)，使得土體產(chǎn)生了固結(jié)壓密的現(xiàn)象，在地面上產(chǎn)生了沉降和水位平移。在實際工程中，會采用止水帷幕減少降水對周圍的影響。止水帷幕對基坑的影響主要有以下兩點：（1）水泥土抗剪強度高，提高了邊坡穩(wěn)定性；（2）水泥土止水帷幕止水，將形成較大的水壓力，降低了邊坡穩(wěn)定性。對于哪一種影響因素占主導尚需討論?，F(xiàn)以廈門某引水干渠基坑為例，基于PLAXIS 2D 有限元模擬進行探討研究。

1 工程實例

1.1 項目概況

廈門某引水干渠改造工程長約5.75 km，設計流量為 16 m3/s（即 138.2 萬 t/d），標準斷面（內(nèi)凈尺寸）為兩孔B×H=4.3 m×4.5 m 的箱涵。箱涵覆土1.6~2 m，采用明挖法施工。新建箱涵南側(cè)為新建道路，北側(cè)為老箱涵，為降低工程投資，該工程在具備放坡開挖空間條件的區(qū)域采用放坡開挖方式進行施工?；幼呦蚺c箱涵基本平行。基坑寬深開挖邊線內(nèi)無建構(gòu)筑物的標準段箱涵采用開挖放坡方案進行施工，基坑底寬10 m，底標高-3.30 m，兩側(cè)分別按1∶1.3 兩級放坡。兩級坡間設置2 m 寬馬道。放坡坡面采用掛Φ8@20×20鋼筋網(wǎng)噴8 cm 厚C20 混凝土進行邊坡支護。在坡頂和坡底各設一條30 cm×30 cm排水溝。坡底設置間距30 m 的降水管井，水位降至基底0.5 m以下。放坡剖面圖見圖1 所示。

圖1 放坡開挖剖面圖（單位：mm）

1.2 工程地質(zhì)概況

該工程擬建場地位于吹填區(qū)，地質(zhì)變化較大。擬建箱涵沿線上部地層主要由近代人工填土層（Q4 ml）、第四系全新統(tǒng)海積淤積層（Q4 m）、沖洪積層（Q4al+pl）和第四系殘積層（Qel）組成?；诪檠嗌酵砥诟黠L化帶中粗?；◢弾r（r52（3）c）。在基坑影響深度范圍內(nèi)，自地表向下地質(zhì)情況可歸納如下：

①素填土（Q4 ml）：全場地均分布，厚度為1.50～13.60 m。

②淤泥質(zhì)土（Q4 m）：該層揭露厚度為0.80～4.60 m，頂板埋深為1.50～12.10 m，頂板標高為-1.79～2.75 m。

③1粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：該層揭露厚度為 0.90～9.00 m，頂板埋深為 2.75 ～8.60 m，頂板標高為-4.28～1.54 m。

③2中粗砂（Q4al+pl）：該層揭露厚度為 1.00～4.50 m，頂板埋深為 2.90 ～9.80 m，頂板標高為-5.44～0.72 m。

④殘積砂質(zhì)黏性土（Qel）：該層揭露厚度為3.90～17.60 m，頂板埋深為 2.10～15.00 m，頂板標高為-10.79～2.23 m。

⑤全風化花崗巖（r52（3）C）：揭露厚度為 1.70～19.40 m，頂板埋深為4.30～25.70 m，頂板標高為-20.49～0.29 m。

2 PL AXI S 模擬計算

2.1 基本假定

為便于分析，計算模型作以下假定：不考慮箱涵接口的影響；基坑和管道縱向長度足夠長；基坑周邊5 m 外活載按均布20 kPa 考慮。

此次計算采用PLAXIS 2D 進行計算分析，土體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型，模型簡化為平面應變問題，采用二維模型計算。計算時，土體采用三角形平面應變單元模擬。建模時，考慮基坑開挖影響范圍，控制模型橫向邊界與基坑邊距離不小于20 m。

2.2 計算模型及模型參數(shù)

為更好地研究基坑降水方案，現(xiàn)設置以下兩個模型進行比選研究：

方案一：放坡開挖+坑內(nèi)降水；

方案二：放坡開挖+坑內(nèi)降水+止水帷幕。

方案一計算網(wǎng)格模型如圖2 所示，計算模型中材料模型采用排水條件下的摩爾- 庫倫模型。將基坑開挖、降水等各工況進行模擬計算。土層參數(shù)見表1 所列。方案二模型也采用排水條件下的摩爾-庫倫模型，土層參數(shù)同表1，計算模型見圖3 所示。

3 結(jié)果分析

3.1 計算結(jié)果

圖2 方案一模型

表1 土層的物理力學參數(shù)表

圖3 方案二模型

經(jīng)計算，考慮基坑降水的模型，方案一（放坡開挖+ 坑內(nèi)降水）計算總位移如圖4 所示，方案二（放坡開挖+ 坑內(nèi)降水+ 止水帷幕）計算總位移如圖5所示。

圖4 方案一總位移云圖

圖5 方案二總位移云圖

計算結(jié)果顯示，由于基坑開挖及降水的影響，方案一引起最大總位移為13.99 mm，方案二引起最大總位移為12.30 mm。止水帷幕增加了土的剛度，對于基坑穩(wěn)定和位移都有積極的影響，方案二最大總位移相較案一較小，不過，減小幅度并不大，僅為1.69 mm

距離基坑開挖邊緣5 m 處，每一土層取一點位移，提取點分布圖如圖6 所示。方案一提取點位移曲線圖見圖7 所示，方案二提取點位移曲線圖見圖8所示。由計算結(jié)果可知：方案一位移最大點為位于素填土與淤泥質(zhì)土之間的B 點，最大位移為11 mm；位移最小點為地表 A 點 6.558 mm，C、D、E 點位移相差不大，處于9.8~9.9 mm 之間。方案二位移最大點B 點，最大位移為10 mm；位移最小點為A 點，最大位移為 4.8 mm，C、D、E 點位移相差不大，處于9.5~9.9 mm 之間。

圖6 位移提取點分布圖

圖7 方案一位移曲線圖

圖8 方案二位移曲線圖

3.2 方案比選

將前述二個方案從經(jīng)濟性、安全性、工期、位移、穩(wěn)定等角度進行對比分析，并列出各自優(yōu)缺點見表2所列?？梢姺桨敢坏馁M用較低、工期短，然而安全性較差；方案二費用高、工期較長、安全性好。方案一、方案二均為可行方案，止水帷幕提高了邊坡穩(wěn)定性，但提升效果不大?？紤]到經(jīng)濟效益、施工周期因素，推薦方案一。

表2 方案比選匯總表

4 結(jié) 論

（1）止水帷幕增加了土的剛度，對于基坑穩(wěn)定和位移都有積極的影響，方案二最大總位移相較方案一較小，不過，減小幅度并不大，僅為1.69 mm。

（2）基坑縱向位移分析：位移最大點為位于素填土與淤泥質(zhì)土之間的B 點；位移最小點為地表A 點，C、D、E 點位移相差不大。

（3）經(jīng)綜合對比，方案一、方案二均為可行方案，止水帷幕提高了邊坡穩(wěn)定性，但提升效果不大?？紤]到經(jīng)濟效益、施工周期因素，推薦方案一。