臨湖富水地層深基坑開挖力學(xué)響應(yīng)及穩(wěn)定性分析

曾宇昕

中鐵四局集團第五工程有限公司 江西 九江 332000

近年來，我國城市化進程不斷加快，城市人口快速增長，導(dǎo)致城市水電資源緊缺，臨近湖泊及河流的大型水利水電深基坑工程日益增多。此類工程所處地層多為富水地層，地下水位較高，地下滲流復(fù)雜多變，若不采取坑外降水坑內(nèi)止水等降水措施，便會導(dǎo)致基坑發(fā)生滲水、涌水，支護結(jié)構(gòu)局部發(fā)生較大變形，進而導(dǎo)致基坑整體失穩(wěn)[1]，給深基坑工程的支護與開挖帶來了極大的困難。因此，研究富水地層條件下地下水的滲流情況和深基坑工程的穩(wěn)定性十分必要。

目前，諸多學(xué)者對此展開了研究。萬晶等[2]以某富水砂性地層基坑為工程背景，通過對施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析，研究得出支護結(jié)構(gòu)水平變形規(guī)律、周圍地表沉降、地下水滲流及周邊建筑物沉降規(guī)律。徐忠濤[3]對某富水深基坑的施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了分析，發(fā)現(xiàn)在基坑失穩(wěn)之前，基坑支撐軸力比地表沉降先發(fā)生劇變，并建立了三維數(shù)值分析模型，模擬并分析了富水基坑的開挖過程。劉祥勇等[4]針對南通地區(qū)特殊的深厚富水地層，進行了基坑抽水回灌現(xiàn)場試驗，研究了地層之間的水力聯(lián)系，研究發(fā)現(xiàn)，在深厚富水砂性地層中，地下水位變化速度較快，但地層土體沉降的變化具有一定滯后性。孫克國等[5]和陳峰等[6]分析了富水地區(qū)溶洞對深基坑開挖穩(wěn)定性的影響，建立了FLAC數(shù)值模擬軟件，通過改變影響溶洞的關(guān)鍵參數(shù)，研究其對深基坑土體及支護結(jié)構(gòu)的變形影響。部分學(xué)者對富水地層深基坑治理問題進行了研究[7-10]，在基坑開挖前需對涌水等危害進行風(fēng)險評估，分析涌水涌砂過程及其發(fā)生原因，并提出了一系列涌水涌砂及失水沉降等應(yīng)急處置方案，使用清障成樁一體咬合樁施工方法應(yīng)對不利條件。

可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究對臨湖地況研究較少，富水地層的深基坑開挖需考慮地下水滲流對基坑的影響。本文依托某臨湖地埋式水廠深基坑工程，研究基坑支護開挖過程中的施工重難點，并利用巖土有限元分析軟件Plaxis建立數(shù)值計算模型，分析基坑開挖對支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律及自身穩(wěn)定性。

1 工程概況

1.1 項目概況

珠三角水資源配置工程某水廠一期工程廠址位于松山湖南端，總建筑面積約48460m2（含地下建筑面積約9984.22m2），項目主要分為7個大型基坑和管道基坑，包括綜合基坑、格柵間進水泵房基坑、配水泵房吸水井基坑、主臭氧活性炭池膜車間基坑、綜合樓基坑、平衡池濃縮池及污泥泵房基坑和雨水調(diào)蓄池基坑、西側(cè)鋼板樁管道基坑和東側(cè)支護樁管道基坑。

1.2 水文地質(zhì)條件

擬建場地屬低山丘陵，地勢呈東高西低，局部山間洼地地勢較低，根據(jù)現(xiàn)場鉆探與原位測試，本次勘探深度范圍內(nèi)的地層劃分為素填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土及全風(fēng)化巖。場地內(nèi)鉆孔穩(wěn)定混合水位埋深為0.30～10.80m，標高為22.77～30.26m。場地淺部的地下水為孔隙潛水，其補給來源主要通過大氣降水及場地東側(cè)地勢較高處的地下水徑（滲）流。

2 支護施工方案設(shè)計

2.1 支護方案設(shè)計

項目基坑工程共分為9個基坑，本文選取綜合基坑工程I-I斷面進行分析，綜合基坑平面布置圖如圖1所示，由于此項目位于郊外，基坑周圍可用施工面積較大，故基坑支護采用放坡+樁錨支護方式，樁徑D為0.8m，相鄰樁間距為0.5m，錨桿縱向間距Lsp為1.5m，其支護結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 綜合基坑平面布置圖

圖2 基坑支護結(jié)構(gòu)剖面圖

2.2 施工重難點分析

（1）重難點分析

項目所處區(qū)域地下水位高，且臨近松木山水庫，基坑開挖前應(yīng)采取有效降水措施，因此地下水位的高低關(guān)系到基坑圍護的安全。

（2）應(yīng)對措施

1）建立地面截水系統(tǒng)，防止地表水流入造成影響，基坑四周的地面排水采用截水溝，將雨水及各種地表水收集、沉淀后排入市政管道。

2）基坑采取明排降水，在基坑四周超前開挖集水坑，匯集土層的滲水，及時抽排出基坑；澆筑底板時，基坑底面設(shè)集水坑及盲溝，將積水匯集抽排出基坑。

3）為防止地下水對施工的影響以及池體在施工期間上浮，采用管井進行降水，地下水位應(yīng)降至主體結(jié)構(gòu)的底板高程0.5m以下。

3 數(shù)值模型的建立

本模型采用巖土專用有限元模擬軟件Plaxis進行模擬，模型豎向深度取2倍的基坑開挖深度，寬度為4倍基坑開挖深度，模型共792個單元，6796個節(jié)點，計算模型如圖3所示。基坑支護結(jié)構(gòu)采用等效剛度原則，將鉆孔灌注樁等效成地下連續(xù)墻來模擬[11]，等效之后板厚D為0.57m，彎曲剛度EI為460×103kNm2/m，軸向剛度EA為17.1×106kN/m。錨桿自由段采用點對點錨桿單元模擬，錨固段則采用embadded樁單元模擬，縱向間距L取1.5m。

圖3 計算模型示意圖

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 圍護樁變形

本文基坑開挖共分四層，第一層為放坡開挖，開挖至第二層土體施作鉆孔灌注樁，提取基坑開挖第二、三、四層土體樁體水平位移，對應(yīng)開挖深度he分別為5m、8m、11.75m，如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著基坑開挖深度的不斷加深，樁體水平位移也隨之增大，最大位移為當(dāng)基坑開挖至11.75m時，圍護樁最大位移為8.3mm，值得注意的是，此處也是變化幅度最大的點，因此，當(dāng)施工至此處時需減小開挖厚度，增大監(jiān)測頻率。

圖4 不同開挖深度下樁體水平位移

4.2 圍護樁內(nèi)力

不同開挖深度下樁體彎矩如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著基坑開挖深度的不斷加深，圍護樁最大彎矩也隨之增大，最大彎矩為當(dāng)基坑開挖至8m時，圍護樁最大彎矩為135.9kN·m/m。同時，樁身反彎點也隨著基坑開挖逐漸下移。由于錨桿的施作，使得圍護樁最大正彎矩附近的錨固區(qū)域產(chǎn)生負彎矩增量，樁身彎矩發(fā)生突變，由此發(fā)現(xiàn)錨桿對于圍護樁作用顯著。

圖5 不同開挖深度下樁體彎矩

4.3 整體穩(wěn)定性

在進行基坑整體穩(wěn)定性分析時，主要分析方法有極限分析法、極限平衡法、強度折減法等，本文采用有限元分析內(nèi)置強度折減法，對基坑各開挖步執(zhí)行安全性計算，當(dāng)基坑開挖至11.75m時，安全系數(shù)最小為1.53，此時基坑整體失穩(wěn)破壞云圖如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)，基坑土體沿圍護樁樁底上一點發(fā)生整體滑動，因土層為砂性土，滑動面近似為平面，整體失穩(wěn)滑動面大致為過樁底切樁滑弧。

圖6 基坑整體失穩(wěn)破壞云圖

5 結(jié)論

（1）項目所處區(qū)域地下水位高，且臨近松木山水庫，基坑開挖前應(yīng)采取有效降水措施，基坑采取明排降水，在基坑四周超前開挖集水坑，匯集土層的滲水，及時抽排出基坑。

（2）圍護樁最大彎矩出現(xiàn)在當(dāng)基坑開挖至8m時，圍護樁最大彎矩為135.9kN·m/m。樁體水平最大位移為當(dāng)基坑開挖至11.75m時，圍護樁最大位移為8.3mm，值得注意的是，此處也是變化幅度最大的點，因此，當(dāng)施工至此處時需減小開挖厚度，增大監(jiān)測頻率。

（3）當(dāng)基坑開挖至11.75m時，安全系數(shù)最小為1.53，基坑土體沿圍護樁樁底上一點發(fā)生整體滑動，因土層為砂性土，滑動面近似為平面，整體失穩(wěn)滑動面大致為過樁底切樁滑弧。