水利工程中節(jié)制閘基坑支護(hù)及開挖土體變形特征研究

朱宇琦,王正飛

(1.昆山市水事綜合管理中心,江蘇 昆山 215300;2 常熟市水利工程建設(shè)管理處,江蘇 常熟 215500)

1 概 述

在工程建設(shè)過程中,經(jīng)常需要對原始地面進(jìn)行開挖,從而形成深度較大的基坑。 深基坑是常見的危大工程,對周邊環(huán)境和施工作業(yè)人員的安全影響較大。 影響基坑工程安全的因素眾多,包括水文特征、地質(zhì)條件、支護(hù)方案、施工方法等[1-2]。 河道長期遭受河水的侵蝕、沖刷、堆積作用,水文、地質(zhì)條件較為復(fù)雜,巖±體強(qiáng)度較低,受地下水影響較為顯著,針對臨河項(xiàng)目基坑開挖安全是深基坑工程研究中的難點(diǎn)[3-4]。

目前,數(shù)值模擬方法是深基坑工程研究中的常用方法。 王帥[5]采用數(shù)值模擬方法,建立分析模型,研究了地下水對基坑開挖的影響,認(rèn)為控制地下水位對基坑安全影響較大。 呂晶晶等[6]采用數(shù)值模擬方法,分析了基坑開挖過程中基坑周邊巖±體的變化特征,計(jì)算結(jié)果對工程實(shí)施有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

因此,本文通過建立數(shù)值模擬模型,準(zhǔn)確分析深基坑工程的開挖變形情況,為工程設(shè)計(jì)、施工等提供參考。

2 基坑支護(hù)方案

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案,橫河節(jié)制閘北側(cè)上下游翼墻采用C30 灌注樁φ80cm@ 100cm、L=15m 及D60cm@100cm、L=10m 的高壓旋噴樁進(jìn)行支護(hù);下游側(cè)樁頂高程4.8m,支護(hù)長度21m;上游側(cè)樁頂高程4.5m,支護(hù)長度28m。 灌注樁中心線距離廠房邊2.5m。

由于節(jié)制閘北側(cè)老廠房未進(jìn)行拆除,考慮到廠房的穩(wěn)定性及施工安全,進(jìn)行了設(shè)計(jì)變更。 即在上下游消力池及閘室段,增加一排C30 灌注樁φ80cm@ 100cm、L=15m 及D60cm@ 100cm、L=10m 的高壓旋噴樁進(jìn)行支護(hù),樁頂高程3.5m,支護(hù)長度35m。 上下游翼墻兩側(cè)新增一排C30 灌注樁φ80cm@100cm、L=15m 及D60cm@100cm、L=10m 的高壓旋噴樁進(jìn)行支護(hù),支護(hù)長度下游新增14m、上游新增12m。 灌注樁中心線距離廠房邊2.5m。 支護(hù)樁施工前,首先進(jìn)行上下游圍堰的筑設(shè),根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求,內(nèi)外河側(cè)圍堰頂高程4.6m,頂寬3m;在圍堰基坑側(cè)設(shè)高程2.5m、寬度2m 的平臺,圍堰邊坡按1：1.5 進(jìn)行填筑壓實(shí);迎水側(cè)設(shè)高程2.0m、寬度1m 的平臺,圍堰邊坡1：1進(jìn)行填筑壓實(shí)。

3 基坑變形數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

為了準(zhǔn)確分析開挖過程中橫河節(jié)制閘±層的變形情況,根據(jù)地質(zhì)勘察成果,建立最不利斷面的數(shù)值分析模型。 ±質(zhì)分布為：①1 河底淤泥,厚度0.9m,高程+1.0～+0.1m;②1 粉質(zhì)黏±,厚度1.3m,高程+0.1～-1.2m;③1 含黏性±粉砂,厚度4.8m,高程-1.2～-6.0m;③2-2 粉砂,厚度6.6m,高程-6. 0～-12. 6m;④1 粉質(zhì)黏±,厚度5.9m,高程-12.6～-18.5m;④2 粉質(zhì)黏±,厚度3.3m,高程-18.5～-21.8m。

通過模擬基坑分層開挖施工過程,分析不同開挖深度條件下基坑的變形情況。 根據(jù)施工方案,建筑物最深開挖面處于閘室段底板部位,底板底面高程-1. 0m,本工程基坑開挖深度約為4.5m,分層開挖深度設(shè)置為1.125、1.125、1.125、1.125m。 見表1、圖1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

4 基坑分層開挖變形特征分析

為了建模簡便,廠房以荷載的形式施加于基坑周邊,基坑分層開挖變形云圖見圖2。 根據(jù)圖2可知,隨著基坑開挖深度的增大,橫河節(jié)制閘基坑的變形量不斷增大。 當(dāng)基坑開挖1.125m 深度時(shí),基坑側(cè)壁的最大變形量約為4.5mm;坑底區(qū)域發(fā)生回彈變形,變形量約為0.35mm。 當(dāng)開挖深度達(dá)到2.250m 時(shí),基坑側(cè)壁的最大變形量超過8.5mm,與上一層相比,變形增量為4mm;坑底回彈變形量約為0. 78mm,回彈變形增量為0.43mm。 當(dāng)基坑開挖深度達(dá)到3.375m 時(shí),基坑側(cè)壁最大變形量約為13.8mm,與上一層相比,變形增量為5.3mm;坑底回彈變形量約為1.54mm,回彈變形增量為0.76mm。 當(dāng)基坑開挖深度達(dá)到4.500m 時(shí),基坑側(cè)壁最大變形量約為23. 0mm,與上一層相比,變形增量為9.2mm;坑底回彈變形量約為2.49mm, 回彈變形增量為0.95mm。

圖2 基坑開挖變形云圖

根據(jù)變形云圖可知,基坑側(cè)壁的變形距離坑邊越遠(yuǎn),變形量越小;坑底回彈變形量隨著與坑邊距離的增大而增大。 側(cè)壁變形受基坑開挖影響較大的范圍主要集中在基坑開挖深度1 倍范圍內(nèi),在施工過程中,需要在廠房擋墻處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn),同時(shí)加強(qiáng)人工巡查,實(shí)時(shí)監(jiān)測既有廠房的變形情況,一旦發(fā)生較大的變形,及時(shí)采取回填等措施,以保證既有廠房安全[7]。

根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù),繪制開挖深度與基坑側(cè)壁、回彈變形量關(guān)系曲線,見圖3。 由圖3 可知,隨著開挖深度的增大,側(cè)壁變形量和回彈變形量的增速均有顯著的增大。 根據(jù)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果可知,回彈變形量、側(cè)壁變形量與基坑開挖深度之間存在較為顯著的指數(shù)關(guān)系。 其中,側(cè)壁變形量與基坑開挖深度的關(guān)系曲線為y=2. 7356e0.5379x(R2=0.9983),基坑回彈變形量與基坑開挖深度的關(guān)系曲線為y=0. 1959e0.6567x(R2=0. 9846)。在基坑施工過程中,需要嚴(yán)格控制基坑開挖速率,避免基坑側(cè)壁和坑底出現(xiàn)較大的變形速率。當(dāng)變形速率過大時(shí),需要降低施工速度,保持基坑變形穩(wěn)定,避免出現(xiàn)基坑變形破壞[8]。

圖3 開挖深度與基坑側(cè)壁、回彈變形量關(guān)系

5 結(jié) 論

1)由于橫河節(jié)制閘基坑周邊存在廠房等重要建筑,基坑開挖深度大,場地狹窄,導(dǎo)致基坑不具備放坡開挖條件,綜合考慮采用支護(hù)樁進(jìn)行支護(hù)。

2)根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知,隨著基坑開挖深度的增大,基坑側(cè)壁變形量、坑底回彈量均有所增大。 基坑側(cè)壁、坑底回填變形量的變化速率隨著開挖深度的增大而增大。 側(cè)壁變形量與基坑開挖深度滿足y=2.7356e0.5379x(R2=0.9983),基坑回彈變形量與基坑開挖深度滿足y=0.1959e0.6567x(R2=0.9846)。

3)基坑周邊±體變形主要集中在1 倍基坑深度范圍內(nèi),距離基坑越遠(yuǎn),變形量越小;坑底回彈量距離基坑中心位置越近,變形量越大。

4)根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果,在施工過程中需要做好分層開挖,控制開挖速率,避免出現(xiàn)較大的變形速率,從而影響到基坑的整體穩(wěn)定性。 由于基坑與既有廠房距離較近,在施工過程中需要做好監(jiān)測預(yù)警工作。