特定地質(zhì)水文下涌水對深大基坑穩(wěn)定性的影響研究

胡發(fā)虎

(云南國土建設工程總公司，云南 昆明 650041)

基坑施工中，地下水不但直接作用于擋土結(jié)構(gòu)提升側(cè)壓，并且土體力學性質(zhì)發(fā)生改變。因為深大基坑有較大的內(nèi)外水位差，所以更容易出現(xiàn)滲漏問題。開挖不當、隨意改變設計方案、對復雜的地下條件認識不足，都會導致止水簾的失效，在基坑開挖過程中，會造成坑底和坑壁流砂、涌水，導致坑內(nèi)和坑底土流失,致使工程或區(qū)域其他建筑物的穩(wěn)定性遭受一定程度的影響甚至破壞。本研究基于工程案例，借助ANSYS模擬計算，對深大基坑的涌水影響問題開展模擬計算分析，探討涌水對大深基坑的工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響狀態(tài)，加強工程安全性把握，給出相應施工止控水措施，以為同類基坑工程安全設計和施工借鑒應用提供研究和技術(shù)參考。

1 案例地質(zhì)水文及支護

案例基坑工程位處臨湖泊灘涂場地，地質(zhì)水文條件復雜?；右?guī)格是58.70×25.00 m，頂部標高6.50 m，開挖最深處至海平面以下10.50 m，采取人工開挖處理，基坑開挖到約10 m深度時，發(fā)生涌水，其水體渾濁，水量較大，多項檢測指標突破安全警戒值。

1.1 地質(zhì)水文情況

地質(zhì)資料顯示，地層大致分為四層，即填充土、粉質(zhì)粘土、泥質(zhì)粘土和粉質(zhì)土。但是淺粉質(zhì)粘土層的模量較小，反映了模量受應力水平影響?；娱_挖區(qū)域內(nèi)土體力學計算參數(shù)具體如表1具體所示。

表1 案例地質(zhì)土層主要技術(shù)參數(shù)

地下水基坑內(nèi)外水位狀態(tài)時程曲線具體見圖1所示。

圖1 地下水基坑內(nèi)外水位狀態(tài)時程曲線

基坑內(nèi)部在土方開挖前，已開展減降水，控制減降效率，不會因減降速度過快造成土壤固結(jié)，同時避免開挖過程中積水，提高挖掘難度。深度開挖至8.3 m時，坑中開始積水較多，給予大范圍降水操作。深度開挖至10.0 m時，在坑底北側(cè)，發(fā)生大面積涌水，基坑內(nèi)僅配置三口降水井，井口徑值為50 cm。

現(xiàn)有減降水裝備無法保證開挖水位需求，因此將臨時抽排水裝備數(shù)量增加，并且把減降水井增到5口，根據(jù)后續(xù)的開挖情況分析，基本確保了排水工作時坑里沒有積水。一般基坑外水位在開挖后期，約為-8.0 m，其出水量約為8 000 m3，并且后期在開挖過程中只發(fā)生少量滲水現(xiàn)象。

1.2 基坑支護參數(shù)

基坑支護豎立了四個支架。現(xiàn)澆樁長25m，進入承重層。結(jié)合工程經(jīng)驗，現(xiàn)澆樁的排樁墻根據(jù)等剛度變換原理，視為寬度是0.85 m的地下連續(xù)墻。依據(jù)樁的早期檢查，混凝土的強度級別為C30?？紤]到微裂痕和安全裕度需求的影響，彈塑模量取0.8為標準值，模量屈服之后取較小值。等效極限屈服是根據(jù)其極限應變估算的。最終明確密度ρ=2 500 kg/m3，泊松比γ=0.17，彈塑模量E=2.4 MPa。依據(jù)實際規(guī)格計算支承系統(tǒng)和立柱的斷面。支撐體系混凝土泊松比γ為0.17，強度級別為C35，彈塑模量E為3.15 MPa。

第1道支撐結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土構(gòu)成，級別為C30。圈梁規(guī)格是140 cm×80 cm，縱方向鋼筋混凝土規(guī)格80 cm×60 cm，角撐60 cm×60 cm。第2～4道支撐結(jié)構(gòu)均為鋼構(gòu)，其中心高程分別是2.0 m、-2.50 m和-6.50 m。均采取鋼管Φ61 cm×1 cm支撐；圍檁選用雙拼鋼結(jié)構(gòu)H70 cm×30 cm；鋼支架間的鋼連桿選用鋼管支架Φ41 cm×1 cm；琵琶支架選用單H70 cm×30 cm。

2 模擬模型與計算原理

2.1 模擬模型與邊界條件

本研究對基坑土體選用彈塑非線性模型給予模擬。支護結(jié)構(gòu)選用單元LINK1，土體選擇平面PLANT42單元，樁身選用BEAm3單元。如果基坑開挖深度小于寬度，這時取深度值2～3倍標準為開挖面后邊界值，下邊界為開挖底部以下0.5 h，然后擴大計算區(qū)域?qū)有巫儾辉斐捎绊?。最后明確模型的寬度和高度分別為45.0 m和35.0 m。有限元基坑網(wǎng)絡模型如圖2所示。

圖2 有限元基坑網(wǎng)絡模型

在自身重量影響下，土體的固結(jié)沉降具有穩(wěn)定性，首先應明確土體在自身重量影響下的移位和應力，將其當作后續(xù)計算起始狀態(tài)。在施工過程中，基坑周圍有臨時通道，依據(jù)前期工程經(jīng)驗與現(xiàn)場勘察，外載荷取15 kN/m2。

水壓力與土壓力選用水土分算法計算，忽略涌水過程中的異常數(shù)據(jù)，借助水位統(tǒng)計所得到的水位差計算水壓載荷，應用三角分布在連續(xù)墻上的載荷來模擬水壓。分成四種工況進行分析，具體如表2所示。

表2 計算工況與水位統(tǒng)計

2.2 分析計算基本原理

基坑開挖過程中，其支護承受的載荷主要包括撐支預壓力、水壓、土壓力、相鄰建筑物側(cè)壓等施工載荷。地下水位以下水土壓力的有兩種計算方法，即因為基坑土壤劑量很高，該方法根據(jù)水土壓力分算原理開展。水土壓分算法為利用土壤的靜水壓力和有效密度計算水壓力，然后將兩者相加得到總側(cè)壓力：

(1)

(2)

3 涌水的基坑穩(wěn)定性影響分析

施工檢測是工程管理信息化建設的主要技術(shù)部分，它對施工程序合理選擇、反分析設計、增強設計水平具有重要作用?；釉诎l(fā)生涌水時，其開挖深度在10 m左右，因為施工環(huán)境復雜，土質(zhì)較差，因此無法監(jiān)測滲流情況。案例工程監(jiān)測項目有：擋土墻形變監(jiān)測、圍檁降沉移位監(jiān)測、支承軸力監(jiān)測、柱體降沉監(jiān)測、地下水坑內(nèi)外水位監(jiān)測。統(tǒng)計基坑監(jiān)測項目，同時與有限元模擬計算成果進行比較，進而可以掌握基坑涌水的影響程度。

3.1 圍檁及立柱影響狀態(tài)分析

3.1.1 監(jiān)測成果

圖3 圍檁與立柱的變形狀態(tài)曲線

當開挖深度約10.0 m時，基坑內(nèi)有大面積涌水。這時，圍檁與立柱降沉變化從下沉變作微升，且立柱上升幅度小于圍檁?；幽蟼?cè)平均升高5.5 mm，基坑東側(cè)平均升高4.5 mm。與移位檢測數(shù)據(jù)結(jié)合可得，圍檁北側(cè)向坑外形變，其它三側(cè)變形都面向坑內(nèi)，其中，南側(cè)向坑內(nèi)移位最大，達15 mm，大于設計開挖深度。并且基坑中柱的平均標高為4.2 mm，小于圍檁的垂向變化，但是它們的曲線型狀類似。

3.1.2 計算與檢測成果的對比分析

各種工況下圍檁、立柱形變監(jiān)測數(shù)據(jù)及計算成果如表3具體所示。工況1的計算成果和監(jiān)測成果差異不大。當基坑開挖到工況2時，發(fā)生涌水現(xiàn)象。這時，圍檁和立柱的監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算成果都有所增加，這和淤泥質(zhì)土層的土質(zhì)較弱有關(guān)，此外，立柱和圍檁上升量的監(jiān)測值高出計算成果，表明涌水對立柱和圍檁影響，應引發(fā)足夠重視，并選擇必要措施避免立柱和圍檁的進一步膨脹。把工況3與工況4監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算成果進行比較，可以看出，這時圍檁與立柱沒有再次上升，監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算成果的差異很小，后期開挖時，圍檁與立柱狀態(tài)基本穩(wěn)定。

表3 各工況下圍檁和立柱累計降沉成果對比 mm

3.2 深層移位的影響狀態(tài)分析

3.2.1 現(xiàn)澆樁深層水平移位分析

圖4 現(xiàn)澆樁的深層移位曲線

圖4為不同工況下現(xiàn)澆樁深水平移位監(jiān)測數(shù)據(jù)及計算成果，從圖4可以看出，現(xiàn)澆樁計算和監(jiān)測成果曲線型狀大體類似。伴隨開挖深度提升，水平移位的累積值也增大，工況2與工況3移位增量大于其他工況。樁身最大水平移位位置亦不同。工況1～3時，最大移位在開挖面周圍，工況4挖掘時最大移位在15 m深度周圍穩(wěn)定。

土體及現(xiàn)澆樁深部水平移位最大累計數(shù)值監(jiān)測成果及計算成果如表4具體所示。當開挖深度達到10 m，基坑發(fā)生大量的涌水。這時監(jiān)測數(shù)據(jù)最大累積移位是8.7 mm，出現(xiàn)在11.5 m的深度；計算得到的最大累積移位是7.9 mm，出現(xiàn)在10 m的深度。計算成果略小于監(jiān)測數(shù)據(jù)最大累計數(shù)值，最大移位發(fā)生在較深的深度。工況2的監(jiān)測與計算成果綜合分析，兩者曲線基本類似，監(jiān)測值和計算成果差異比較小，表明涌水對現(xiàn)澆樁有影響，但是影響是有限的。

表4 土體及現(xiàn)澆樁深部水平移位最大累計數(shù)值 mm

3.2.2 深部土體移位分析

圖5 深層土體移位曲線

圖5為深部土體移位計算成果及監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線。當基坑在工況2下施工時，監(jiān)測成果獲得的最大累積移位是17 mm，計算得到的最大累積移位是10.1 mm。監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生顯著變化，遠高出計算成果。這時，基坑內(nèi)發(fā)生大量涌水，坑外土體崩塌。在止水措施實施之后，繼續(xù)基坑開挖。工況3施工完成之后，計算成果的不同深度累積移位平均提升4.6 mm，監(jiān)測成果顯示，不同深度累積移位平均提升3.6 mm；在工況4施工完成后，計算成果累計數(shù)值平均提升1.9 mm，監(jiān)測成果顯示，累計數(shù)值平均提升2.2 mm；工況3與工況4監(jiān)測成果和計算成果累計數(shù)值增量相差很小。工況3與工況4的監(jiān)測曲線和計算曲線型狀類似。后期監(jiān)測時，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常情況。并且基坑涌水沒有影響后期施工。將計算數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較，能得出以下結(jié)論：

(1)比較現(xiàn)澆樁深移位計算曲線和監(jiān)測曲線可以知道，監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線無突變，計算成果與監(jiān)測數(shù)據(jù)差異很小，現(xiàn)澆樁深移位樁受涌水影響也比較小。

(2)比較土體深部移位計算曲線和監(jiān)測曲線可以看出，由于涌水的影響，土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)存在顯著的突變，遠大于計算成果。但結(jié)合工況3與工況4計算成果和監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較，可以看出，及時控制基坑涌水的影響，對后期施工不會產(chǎn)生影響。

(3)而土體與現(xiàn)澆樁的累積移位隨開挖深度提升而增加，且在深度方向上，呈兩端小中間大的梭子狀。

3.3 撐支軸力監(jiān)測及計算分析

3.3.1 監(jiān)測成果

圖6 支撐對應的軸向力時程曲線

圖6中負值表示軸向力是壓力。從圖中可以看出。從2月18日到2月22日，第1道支承軸向力達最大數(shù)值2 006 kN，之后軸力逐漸降低，最后在1 300 kN左右穩(wěn)定；當基坑發(fā)生涌水現(xiàn)象，這時第2道支承軸向力突然發(fā)生變化，最終達最大數(shù)值4 280 kN，遠遠大于設計值。支護結(jié)構(gòu)受基坑涌水的影響很大。在選擇止控水措施并裝配下一個支承之后，其第2道支承軸向力得到釋放，最后約于2 700 kN保持穩(wěn)定。

4月22日，第三個鋼撐支的軸向力提升至4 070 kN，在裝配下一個鋼支承后得到減輕，最后在3 030 kN左右保持穩(wěn)定。第四個鋼支承于4月22日裝配，軸向力增加的幅度遠低于其他支承。到5月22日，軸向力達最大數(shù)值4 200 kN，其坑底板完成施工后，軸向力約3 500 kN左右穩(wěn)定。底板在完成施工之后，第3、4支承監(jiān)測量點數(shù)據(jù)為正，表明支座存在拉力。每個支承的軸向力伴隨開挖深度的增加而增加，隨著下一道支承裝配而減輕，最終穩(wěn)定。

3.3.2 計算與監(jiān)測成果對比分析

表5給出了支承軸力計算成果與監(jiān)測數(shù)據(jù)成果的比較。伴隨開挖深度提升，埋設加深，支承軸力逐步提高，但是每個道支承軸力的提升幅度并不等同。分析發(fā)生涌水時，工況2的情況，這時第2道支承的軸向力遠高出計算成果。對所有第2道支承軸力監(jiān)測量點進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在涌水位置周圍，部分監(jiān)測量點軸力為正，第2道支承的軸向力分布不均，表明鋼撐支受基坑涌水的影響很大，一定要實施緊急措施抑制涌水，避免繼續(xù)破壞。

根據(jù)施工日志可知，第5道支承裝配前，由于暴露時間太長，造成3號支承軸力設計值小于實際測量值。根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析，基坑底板施工之后，4道支承軸力監(jiān)測成果分別為計算成果1.1倍、1.3倍、1.1倍和1.1倍。表5中各支承軸力監(jiān)測值均高出計算值。各支承內(nèi)應變計測出的軸力，不都是由載荷引起，也有混凝土的徐變、濕脹和干縮和結(jié)構(gòu)部件溫度引起的非載荷應力。

表5 撐支軸力最大值測量與計算成果對比分析 KN

4 涌水基坑的施工止控水措施

因為只有基坑北側(cè)底部出現(xiàn)涌水，因此適時實施有效止控水措施，能減少基坑本身及其附近環(huán)境受到的涌水破壞，確保后期開挖的順利開展?；映霈F(xiàn)涌水之后，其主要止控水措施有：

(1)暫?；娱_挖，并封閉基坑附近臨時通道，車輛禁止通行。

(2)將涌水點作為中心，堆放沙袋實施背壓堵封。筑澆混凝土，將土袋壁連成一個整體，同時繼續(xù)增加背壓重力。

(3)在靠近出水點的支護樁外側(cè)鉆兩排注灌漿孔，選用雙液注漿堵封。鉆孔深度為12.0～16.0 m，注入一定量硅酸鈉，然后使用水泥漿開展壓力注漿，重復多次直到完全充滿。

(4)加設臨時抽排水裝備，基坑內(nèi)加設降水井2口，基坑邊緣加設水位監(jiān)測點，充分掌握減降水情況。

(5)現(xiàn)場不斷開展監(jiān)測。

5 結(jié)語

基于工程案例，對特定地質(zhì)水文下涌水對深大基坑穩(wěn)定性的影響問題開展模擬計算分析，主要收獲和結(jié)論：

(1)深大基坑外土體形變不可避免地和水位有關(guān)。伴隨水位的減少，土體的降沉加速。

(2)圍檁與立柱受地質(zhì)條件的影響，均有有上升。并且計算成果上升幅度小于檢測數(shù)據(jù)。涌水對圍檁與立柱均有影響。

(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算成果比較，現(xiàn)澆樁受涌水限制。土壤深部移位受其影響比較大，但是實施止控水措施之后，涌水的影響并未繼續(xù)擴大。

(4)第2道支承的軸向力監(jiān)測值大于計算值，遠大于設計值。第2道支承受涌水影響很大。實施有效措施，在裝配第3道支承之后，第2道支承軸力獲得緩解，沒有影響其他支承。

(5)基坑受涌水影響，但是在實施必要措施之后，對后期的基坑開挖不造成影響。

(6)解決涌水破壞，可以增加排水措施，適時選擇雙液注灌漿、沙袋背壓等措施，能有效阻止?jié)B水，避免損害繼續(xù)擴大。