地下水位及地層滲透系數(shù)對基坑抗浮影響研究

陳昭陽，李 敏，高江林，趙一行，詹剛毅，石鈺鋒

（1.華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點實驗室，江西 南昌 330013；2. 中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459；3 江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029；4. 中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200070）

近年來， 由地下水上升引起的基坑上浮事件屢見不鮮[1]，特別是針對超大、深基坑，處理不當(dāng)將引起重大工程事故。 例如：南昌某學(xué)校綜合樓人防地下室上浮事故[2]；?？谏虉龅叵率疑细∈鹿蔥3]；湖北保健酒基地工程聯(lián)合車間地下室上浮事件[4]等，造成很大財產(chǎn)損失及不良社會影響，故應(yīng)對基坑上浮問題給予足夠重視。 萬先逵[5]等依托實際工程，探究基坑支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。 董培鑫[6]等采用抗浮錨桿有效解決某中學(xué)操場抗浮問題。 張在明[7]對抗浮水位展開系統(tǒng)研究，提出將地下水位預(yù)測與孔隙水壓力分布用于抗浮水位分析中。 曹洪[8]等以本奈特假定為前提，推導(dǎo)出用于臨江二元地層滲流分析的簡化算法，得到強透水層中水頭分布，提出地下結(jié)構(gòu)物底板的水壓力實用計算方法。 肖立[9]采用Plaxis 3D 軟件結(jié)合離心機模型試驗結(jié)果，研究得出儲罐側(cè)壁和地連墻受到的摩擦力對結(jié)構(gòu)抗浮有重要的作用。 黃俊光等[10]提出主、被動抗浮措施的組合克服了傳統(tǒng)抗浮技術(shù)的不足。魯昂[11]針對設(shè)計中穩(wěn)定安全系數(shù)、抗力分項系數(shù)等規(guī)范規(guī)定不統(tǒng)一的計算參數(shù)予以整理。 李國勝[12]認(rèn)為設(shè)計中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況確定抗浮水位和不同抗浮水位時的抗浮驗算方法。 賈朋濤[13]認(rèn)為場地地下結(jié)構(gòu)抗浮水位取值考慮水的來源和排泄條件及建筑物的施工和使用兩個階段。劉子潔[14]、張竹庭[15]依托多個工程案例研究抗浮水位，認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)抗浮水位由場地的水文條件、項目結(jié)構(gòu)的具體功能要求及其他多種因素決定。 張國才[16]依據(jù)相關(guān)研究得出坡地地下結(jié)構(gòu)的計算方法。 王帥[17]提出不同條件下基坑抗浮水頭取值的計算公式。 熊歡[18]提出位于砂土地層中的地下結(jié)構(gòu)所受水浮力無需折減，而位于黏土地層中的地下結(jié)構(gòu)所受水浮力應(yīng)進行合理折減。 且由相關(guān)資料可知，基坑上浮緣于地下水浮力大于其自重、基坑內(nèi)部荷載及周圍阻力總和，與地下水位高低、水位變化及地層滲透系數(shù)有關(guān)。 對于滲透系數(shù)較小地層應(yīng)根據(jù)水頭損失程度對坑底水壓進行折減。

目前工程中常用抗浮措施有自重、加載、錨桿（索）、抗拔樁、排水減壓、隔滲帷幕抗浮[19-22]等。 本文主要考慮基坑在圍護結(jié)構(gòu)自重作用下抗浮效果。 采用理論及數(shù)值計算手段對某超深圓形基坑自重抗浮進行驗算，分析依托工程水位變化后的抗浮穩(wěn)定性，為抗浮措施決策提供依據(jù)。

1 工程概況

某盾構(gòu)工作井為外徑35.9 m 圓形豎井。地面平整高程3.5 m，基坑底高程-63.85 m（不含集水井底坑加深2.5 m），開挖深度為67.35 m。采用地下連續(xù)墻+砼內(nèi)襯墻支護方案。 基坑開挖采用地下連續(xù)墻垂直支護，盾構(gòu)井內(nèi)襯墻采用逆作法施工。 其支護結(jié)構(gòu)設(shè)計為：地下連續(xù)墻厚1.2 m，嵌入井底4 m，逆作法內(nèi)襯墻厚1.2～1.5 m，分界面于高程-18.25 m 處，采用C30 鋼筋混凝土。 襯砌后基坑內(nèi)徑分別為31.1 m、30.5m。 洞門處設(shè)置兩道C35 砼環(huán)梁，寬×高為2.5 m×1.4 m。 如圖1 所示。 基坑降水井及監(jiān)測點如圖2 所示， 其中LG09#-1-LD 表示垂直位移測點；LG09#-1-TP 表示水平與垂直共用測點；LG09#-1-IN 表示圍護結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測點；LG09#-1-UP 表示地下水壓監(jiān)測點。

圖1 圓形基坑剖面圖（單位：mm）Fig.1 Profile of circular foundation pit（Unit：mm）

圖2 基坑降水井及監(jiān)測點位布置圖（單位：mm）Fig.2 Layout of foundation pit dewatering well and monitoring points（Unit：mm）

該地區(qū)地下水豐富，以孔隙性潛水為主，地表水與地下水互為補排。 局部丘陵地帶以基巖裂隙水為主，大多在強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖底部至弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖頂部。

施工前期地下水位于地下4 m 處，由于前期基坑施工時降水，引起周圍地層沉降，導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)較大裂縫。 目前，基坑已施工完畢。 根據(jù)相關(guān)要求，現(xiàn)需將水位提升至原水位。 水位上升過程中，基坑中隧道開挖工作面出現(xiàn)滲水狀況。 為保證基坑及周圍建筑物安全，需對地下水位上升時基坑抗浮進行驗算。

2 數(shù)值分析

2.1 模型建立

采用Plaxis 3D 軟件對地下水滲流時基坑抗浮建模計算。 為消除尺寸效應(yīng)，取模型尺寸X、Y 方向為基坑半徑5.5 倍 （即100 m），Z 方向為90 m。土層共8 層，從上往下依次為：人工填土、含淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)黏土、含有機質(zhì)粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)細(xì)砂、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。 基坑底部建立降水井。 地下連續(xù)墻及內(nèi)襯墻按實際尺寸建立，并進行網(wǎng)格加密處理，模型底部及側(cè)面約束位移，如圖3 所示。 本模型僅考慮在圍護結(jié)構(gòu)自重作用下基坑的抗浮能力， 忽略墻體與地層之間的摩擦作用。

圖3 有限元計算模型圖Fig3 Finite element calculation model diagram

2.2 參數(shù)選取

因本模型主要分析基坑抗浮，故模型各土層采用摩爾—庫倫材料模型，各結(jié)構(gòu)均采用實體單元模擬。土層及結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)相關(guān)地勘資料得出，如表1所示。

表1 計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters

2.3 模型正確性驗證

基坑開挖通過Plaxis 3D 中對某層土體的停用實現(xiàn)，地下連續(xù)墻及內(nèi)襯墻施工通過啟用及改變材料屬性實現(xiàn)。 以下各步驟均在地下水滲流情況下進行，且除步驟1），步驟5）外，降水井均持續(xù)降水。 具體計算步驟如下：

1） 地應(yīng)力平衡計算（即軟件中重力加載計算）；

2） 地下連續(xù)墻施工；

3） 模擬基坑開挖及施做內(nèi)襯墻，根據(jù)現(xiàn)場實際施工進度，建立施工步驟；

4） 模擬基坑底板施工，該步驟完成后執(zhí)行位移清零；

5） 降水井停止降水，地下水位回升至-6 m。

現(xiàn)場對基坑底部設(shè)置水壓預(yù)警值為0.2 MPa，由監(jiān)測與模型計算數(shù)據(jù)對比可知， 如表2 所示，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)值與模型計算數(shù)值吻合，表明該數(shù)值模擬合理。

表2 監(jiān)測及數(shù)值計算數(shù)據(jù)對比值Tab.2 Comparison of monitoring and numerical calculation data

2.4 數(shù)值計算結(jié)果分析

為研究地下水位于原水位（-4 m）時基坑抗浮能力，將模型水位調(diào)整為-4 m。 計算得出基坑整體上浮位移為0.251 mm，基坑底部所受水壓為0.187 4 MPa，未超預(yù)警值。由此可知，該超深圓形基坑在圍護結(jié)構(gòu)自重作用下抗浮效果較好。

3 力學(xué)計算

由于地下水滲流過程中，不同滲透系數(shù)的地層會使地下水產(chǎn)生水頭損失，故應(yīng)按動水壓力計算

式中：qfw，k為構(gòu)筑物基礎(chǔ)底面上的浮力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m3；γw為水的重度，kN/m3， 可按10 kN/m3采用；hw為地表水或地下水的最高水位至基礎(chǔ)底面 （不包括墊層）計算部位的距離，m；ηfw為浮力折減系數(shù)。

本文通過已驗證模型，計算當(dāng)水位在-6，-7，-8，-9，-10 m 時基坑底部水壓值。 將數(shù)值計算及現(xiàn)場監(jiān)測所得水壓與靜水壓比值作為該地層地下水浮力折減系數(shù)，如表3 所示。 由現(xiàn)場監(jiān)測值計算得折減系數(shù)為0.293 8。 為滿足工程安全儲備需求，需選取表3 中折減系數(shù)的較大值。

表3 水壓折減系數(shù)Tab.3 Calculation parameters

取折減系數(shù)為

經(jīng)計算得基坑圍護結(jié)構(gòu)自重G自大于地下水浮力Ffw，且基坑以其自重可承受0.366 6 MPa 以內(nèi)水壓。

4 地層滲透系數(shù)影響分析

基于上述數(shù)值計算模型，分析相同水位下地層滲透系數(shù)對超深圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響。 以基坑圍護結(jié)構(gòu)底板所在土層為界線（即-50.62 m 處），分別考慮上部土層及下部土層不同滲透系數(shù)對圍護結(jié)構(gòu)的影響。 設(shè)置工況如下：

工況一： 當(dāng)界線以下土層滲透系數(shù)不變時，上部土層整體增長0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%時對基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響分析。

工況二： 當(dāng)界線以上土層滲透系數(shù)不變時，下部土層整體增長0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%時對基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響分析。

圖4～圖6 分別為工況一下基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移曲線圖，圍護結(jié)構(gòu)頂部沉降曲線圖及底部水壓曲線圖。

圖4 圍護結(jié)構(gòu)水平位移曲線圖Fig.4 Horizontal displacement curve of retaining structure

由圖4 知：土層滲透系數(shù)增大10%時，對圍護結(jié)構(gòu)水平位移影響影響較?。辉龃?0%時，圍護結(jié)構(gòu)水平位移值在-50.62 m 以上影響較大，平均增長率為7.3%，其中在-48 m 處增長率最大，為9%。-50.62 m 以下位移無變化； 增大30%時， 與增大20%時影響范圍相同。 平均增長率為9.5%，其中在-38 m 處增長率最大，為15.5%；增大40%時，影響范圍同上，平均增長率為19%，其中在-48 m 處增長率最大，為24%；增長50%、60%時對基坑圍護結(jié)構(gòu)影響較小。

由圖5，圖6 知：土層滲透系數(shù)變化對基坑圍護結(jié)構(gòu)頂部沉降及底部水壓影響較小。

圖5 圍護結(jié)構(gòu)頂部沉降曲線圖Fig.5 Top settlement curve of retaining structure

圖6 基坑底部水壓曲線圖Fig.6 Water pressure curve at the bottom of foundation pit

綜上所述，上部土層滲透系數(shù)增長對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)面影響較大，對底部影響較小。

圖7， 圖8 分別為工況二下圍護結(jié)構(gòu)頂部沉降曲線圖及底部水壓曲線圖。

據(jù)計算結(jié)果分析，界線以下土層滲透系數(shù)變化對基坑圍護結(jié)構(gòu)整體的水平位移無影響。

由圖7 可知，界線以下土層滲透系數(shù)變化對基坑圍護結(jié)構(gòu)頂部沉降值（即基坑上浮量）影響較大。土層滲透系數(shù)增大10%時， 圍護結(jié)構(gòu)上浮量增加4.6%；增大20%時，上浮量增大8.8%；增大30%時，上浮量增大11.5%；增大40%時，上浮量增大13%；增大50%時，上浮量增大14.3%；增大60%時，上浮量增大15.3%。

圖7 圍護結(jié)構(gòu)頂部沉降曲線圖Fig.7 Top settlement curve of retaining structure

由圖8 可知，界線以下土層滲透系數(shù)變化對基坑圍護結(jié)構(gòu)底部水壓值影響較大。 土層滲透系數(shù)增大10%時，基坑底部水壓值增加0.96%；增大20%時，水壓值增大3.33%；增大30%時，水壓值增大5.87%；增大40%時，水壓值增大7.17%；增大50%時，水壓值增大7.39%；增大60%時，水壓值增大7.51%。

圖8 基坑底部水壓曲線圖Fig.8 Water pressure curve at the bottom of foundation pit

綜上所述，上部土層滲透系數(shù)變化對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)面影響較大，對底部影響較小。 下部土層滲透系數(shù)變化對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)面影響較小，對其圍護結(jié)構(gòu)上浮量及底部水壓影響較大。

5 結(jié)論

本文依托某超深圓形基坑工程實例，采用理論及數(shù)值計算手段分析得出當(dāng)水位回升至原水位時，有以下結(jié)論：

1） 在不考慮地層與基坑圍護結(jié)構(gòu)間摩擦阻力的情況下，該超深圓形基坑可通過圍護結(jié)構(gòu)自重抵抗地下水浮力，且有一定的安全儲備，現(xiàn)場施工可正常進行；

2） 該工程地層浮力折減系數(shù)約為0.3， 可供類似工程參考；

3） 基坑圍護結(jié)構(gòu)周圍土層的滲透系數(shù)對其水平位移影響較大，對其沉降及底部水壓影響較??；

4） 基坑圍護結(jié)構(gòu)底部所在土層的滲透系數(shù)對其沉降及底部水壓影響較大， 相對其周圍土層，底部土層滲透系數(shù)是影響圍護結(jié)構(gòu)上浮的主要因素。