深基坑注水與水下開挖設(shè)計(jì)計(jì)算方法

中圖分類號：TU473.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2025）04-0028-09

Calculation method of deep foundation pit water injection and underwater excavation design

ZOU Zhiyan1， LIU Shenglin2，ZHANG Yibo1， FU Xudong1 （1. SchoolofCivil Engineering，Wuhan University，Wuhan 43O072，P.R.China； 2.CCCC Second Public Bureau First EngineeringCo，Wuhan 430o55，P.R.China）

Abstract：Water injection and underwater excavation is a new method of foundation excavation.It is used to solve the problem that traditional methods of of-pit precipitation and in-pit drainage cannot be implemented when there is a stable connection between groundwater in the foundation pit and river water. The design calculation method of deep foundation pit injection and underwater excavation is proposed.Combined with the deep foundation pit project of steel sheet pile coferdam，a water injection and underwater excavation scheme was developed，and a corresponding numerical model was established to study the force and deformation pattern of the support structure corresponding to the deep foundation pit firstly precipitated to form dryland working conditions for excavation，then injected water for underwater excavation，and then precipitated after underwater pouring of sealing concrete.The water injection height has also been optimized.The conclusions are as follows：

First precipitation to form dryland when the maximum depth ofprecipitation depends on the stability of the soil at the bottom of the pit against flowing sand and pipe surges.When the excavation depth increases from 2m to 7m ，horizontal displacement of support structure increased by 53.6% ，the maximum value of plastic uplift at the bottom of the pit gradually increases to 59.0mm . When re-injecting water for underwater excavation， increasing the height of water injection can efectively reduce theuplift deformation of the soil at the bottom of the pit and the horizontal displacement of the support pile，the critical height of water injection is 9m . When the water injection height exceeds the critical value，the efect of inhibiting the deformation of pit bottom and support piles Would be weakened. The thickness of the sealing concrete depends on its floating stability and strength.The embedded depth of steel sheet piles depends on the overall stability of the support structure under the precipitation conditions after the concrete is placed underwater.

Keywords： deep foundation pit; steelsheet pile; water injection height;underwater excavation; numericalsimulation

隨著中國高速鐵路網(wǎng)、高速公路網(wǎng)的不斷完善，跨江越湖的橋梁越來越多，在岸邊陸地修建橋墩的明挖基礎(chǔ)工程也逐漸增多。這些工程常采用降水開挖法、水下開挖法兩種方法。降水開挖法能提供旱地工作條件，設(shè)置內(nèi)支撐保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但當(dāng)基坑地下水與江水或河水有穩(wěn)定的水力聯(lián)系時，坑外降水與坑內(nèi)排水的難度極大，甚至難以實(shí)現(xiàn)，且基坑開挖到一定深度時坑內(nèi)水位小于坑外水位較多，坑底容易發(fā)生管涌和流砂，地面也會發(fā)生沉降[1-6。水下開挖法中坑內(nèi)水位與坑外水位一般相差不大，保證了坑底地基土抗流砂、管涌的穩(wěn)定性，但在開挖過程中無法設(shè)置內(nèi)支撐，澆筑封底混凝土再降水后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性難以達(dá)到規(guī)范要求。這兩種傳統(tǒng)的深基坑開挖方法均難以同時保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和坑底地基土抗流砂、管涌穩(wěn)定性。為解決這一問題，近年來探索了基坑注水與水下開挖這一基坑開挖新方法，為深基坑地下水問題的處理開辟了新途徑[7-8]。

基坑注水與水下開挖方法首先需要插打鋼板樁，修建鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行基坑開挖。在基坑開挖深度較小時，通過坑內(nèi)降水保證旱地施工條件；當(dāng)基坑繼續(xù)開挖至一定深度時，停正降水并向坑內(nèi)注水，進(jìn)行水下挖土；當(dāng)開挖至設(shè)計(jì)深度后，水下澆筑封底混凝土；在封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再進(jìn)行抽水，以形成旱地施工條件，進(jìn)行明挖基礎(chǔ)及橋墩的建設(shè)。該方法結(jié)合了降水開挖法能設(shè)置內(nèi)支撐、造價低以及水下開挖能保證坑底地基土抗流砂、管涌穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，解決了降水開挖降水困難、坑底容易發(fā)生管涌流砂和水下開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的問題，在岸邊陸地明挖基礎(chǔ)工程中具有良好的應(yīng)用前景。

此方法中，鋼板樁的嵌固深度 t， 封底混凝王厚度 x 和最大降水深度 h^′ 與注水高度 H 這4個指標(biāo)決定了坑底地基土體抗流砂、管涌穩(wěn)定性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要對其進(jìn)一步研究。鋼板樁的嵌固深度t不僅會影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、受力與變形，還會影響坑底地基土的滲透變形。因此，t需滿足整體穩(wěn)定性和抗隆起穩(wěn)定性要求[9]。汪新立[10]認(rèn)為，對于多層支撐結(jié)構(gòu)，可以采用等值梁法計(jì)算t;多層支撐支護(hù)體系中若支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，則只需要滿足抗隆起要求。封底混凝土厚度及其與樁壁的粘結(jié)強(qiáng)度將影響封底混凝土的抗浮穩(wěn)定性和強(qiáng)度。董廣文[11]、崔清強(qiáng)[12、Yang等[13分別采用理論計(jì)算、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬的手段，提出了封底混凝土厚度的計(jì)算方法。Chen等14通過理論計(jì)算提出了一種考慮封底混凝土與支護(hù)結(jié)構(gòu)粘結(jié)力強(qiáng)度的封底混凝土厚度計(jì)算方法，并認(rèn)為封底混凝土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的粘結(jié)力需要依據(jù)不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)材料折減。降水深度是指降水后坑外水位與坑內(nèi)水位的水位差。最大降水深度 h^′ 是指當(dāng)基坑進(jìn)行降水開挖、形成旱地施工條件時，坑底土滿足滲透變形穩(wěn)定性所對應(yīng)的最大降水深度。達(dá)到該深度后，若基坑繼續(xù)向下開挖，需向坑內(nèi)注水及水下挖土，以避免發(fā)生管涌、流砂。注水高度 H 是指注水后坑內(nèi)注水水位與最大降水水位的水位差，注水水位可用△h來確定， Δh 定義為坑外水位與坑內(nèi)注水水位的水位差。李博5研究了開挖至坑底，坑內(nèi)水位分別小于、等于、大于坑外水位時基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，結(jié)果表明，坑內(nèi)水位越高，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形越小，即使坑內(nèi)水位高于坑外水位，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形仍在減小。

上述研究主要結(jié)合實(shí)際工程對降水開挖方法中嵌固深度、水下封底混凝土厚度、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的計(jì)算方法進(jìn)行了分析，但沒有對基坑注水與水下開挖工法的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行系統(tǒng)研究。針對上述研究中的不足，筆者對基坑注水與水下開挖方法中鋼板樁嵌固深度 t， 封底混凝土厚度 x 、最大降水深度 h^′ 與注水高度 H 這4個指標(biāo)進(jìn)行研究，并將相關(guān)成果成功運(yùn)用于潛江漢江大橋主墩深基坑鎖扣鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工中；通過建立基坑降水分步開挖、注水水下開挖的有限元計(jì)算模型，研究基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形規(guī)律，并對注水高度進(jìn)行優(yōu)化。

1基坑注水與水下開挖方案設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 基坑注水與水下開挖參數(shù)的確定

基坑注水與水下開挖法主要適用于在岸邊陸地修建深基坑時基坑地下水與江水或河水有穩(wěn)定的水力聯(lián)系且土層為砂土的情況。設(shè)計(jì)計(jì)算時需保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，坑底地基土的抗隆起、抗流砂、管涌穩(wěn)定性以及封底混凝土的抗浮穩(wěn)定性。其中，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性取決于鋼板樁的嵌固深度 t ；坑底地基土的抗隆起穩(wěn)定性取決于鋼板樁的嵌固深度 t， 土層的物理力學(xué)特性及注水高度H ;坑底地基土的抗流砂、管涌穩(wěn)定性取決于最大降水深度 h^′ 和注水高度；封底混凝土的抗浮穩(wěn)定性取決于封底混凝土的厚度 x 。綜上，在基坑注水與水下開挖時，鋼板樁的嵌固深度 t， 封底混凝土厚度 x 、最大降水深度 h^′ 與注水高度 H 四個參數(shù)的確定對支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和施工安全性至關(guān)重要。

1.1.1 嵌固深度t

基坑注水與水下開挖時，為確定鋼板樁的嵌固深度t，需要考慮以下兩種工況。

工況1：坑內(nèi)注水后水下挖土至開挖設(shè)計(jì)面處，此時坑內(nèi)注水對鋼板樁的變形有抑制作用，但開挖深度達(dá)到最大，為坑底地基土抗隆起穩(wěn)定性的最不利條件，如圖1所示。

工況2：混凝土封底后坑內(nèi)抽水，此時封底混凝土形成強(qiáng)度，保證了坑底地基土抗隆起穩(wěn)定性，但抽水后坑內(nèi)注水對鋼板樁變形的抑制作用消失，導(dǎo)致鋼板樁的受力與變形增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性下降，為支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的最不利條件。

由此可知，滿足基底抗隆起穩(wěn)定性所需的嵌固深度 t₁ 取決于工況1，滿足鋼板樁整體穩(wěn)定性所需的嵌固深度 t₂ 取決于工況2，可選取兩種工況中最大的t 值作為鋼板樁所需的嵌固深度 t

1）嵌固深度 t₁

基于規(guī)范[1中坑底土的抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算方法，提出嵌固深度 t₁ 的計(jì)算式，見式（1）～式（6）。

其中

N_c=（N_q-1）/tanφ

式中： K 為抗隆起安全系數(shù)，安全等級為一級、二級、三級時， K 分別不應(yīng)小于 1.8，1.6，1.4;c 為土體黏聚力； φ 為土體內(nèi)摩擦角； N_c，N_q 為承載力系數(shù)；e為自然常數(shù)； σ₁ 為坑內(nèi)鋼板樁底面高程處的土壓力，可由式（4）計(jì)算； σ₂ 為坑外鋼板樁底面高程處的土壓力，可由式（5）計(jì)算。

σ₁=γ₃^′t₁+γ₀（h-h_w-Δh）

σ₂=γ₁h_w+γ₂（h+t₁-h_w）+q

式中： γ₃^′ 為坑內(nèi)開挖面以下土的浮重度， kN/m³;γ₀ 為水的重度， kN/m³ ： h_w 為坑外水位的深度， m;h 為基坑設(shè)計(jì)深度， m;γ₁ 為坑外水面以上土的天然重度， kN/m³;γ₂ 為坑外水面以下土的浮重度， kN/m³ ：q 為地面均布荷載， kPa;Δh 為坑外水位與坑內(nèi)注水水位的水位差， m 。

將式（4）式（5）代入式（1），可得嵌固深度 t₁ 需要滿足的式（6）。

2）嵌固深度 t₂

混凝土封底后坑內(nèi)抽水時，鋼板樁嵌固深度的設(shè)計(jì)計(jì)算方法與常規(guī)降水開挖設(shè)計(jì)計(jì)算方法一致，考慮內(nèi)支撐作用，計(jì)算時將其看作多跨梁，直接采用等值梁法進(jìn)行計(jì)算，見式（7）。

t₂=1.2（u+t₀）

式中： u 為基坑底部至土壓力零點(diǎn)的距離， m;t₀ 為土 壓力零點(diǎn)至彎矩零點(diǎn)的距離， m O

1. 1.2 混凝土厚度 x

基坑底部采用混凝土封底并抽干水后，封底混凝土底面將受到因水頭差而產(chǎn)生的向上浮力，封底混凝土可能被水浮起，或者向上撓曲而折裂，因此，需要有足夠的厚度來保證其旱地工作的安全。

作用在封底混凝土底面的浮力主要由封底混凝土的自重及封底混凝土與鋼板樁的粘結(jié)力來平衡。為平衡浮力，封底混凝土的厚度需要滿足式（8）～式（11）。

F=γ₀hs₁

f=μxC

G=γ₄xs₁

式中：k為抗浮安全系數(shù)，不小于 1.1;G 為封底混凝土的自重， kN;f 為封底混凝土與鋼板樁圍堰的粘結(jié)力， kN;F 為封底混凝土底面受到的浮力； s₁ 為封底混凝土的底面積， m²;C 為圍堰的周長； μ 為單位面積混凝土與鋼板樁的粘結(jié)力， kPa ，水下澆筑混凝土取 380kPa^[11] γ₄ 為混凝土的重度， kN/m³ 。

1.1.3最大降水深度 h^′

由于難以在水下設(shè)置內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，因此，需首先在坑內(nèi)降水與分步開挖，以保證各道內(nèi)支撐設(shè)置的旱地工作條件。

分步降水開挖過程中，一般將坑內(nèi)水位降至分步開挖面以下 0.5m ，最大的降水開挖深度 h^′ 取決于坑底土抗流砂、管涌的穩(wěn)定性。降水開挖時基坑滲流是二維的，但可根據(jù)最不利情況，近似按沿板樁壁的一維滲流來計(jì)算坑底土抗流砂、管涌的穩(wěn)定性，如圖2所示。

沿鋼板樁壁的滲流滲透路徑最短，且忽略沿鋼板樁壁底部的水平滲透路徑，滲透路徑由式（12）計(jì)算。

L=L_i+L₂

式中： L 為最短滲流路徑流線總長度， m;L₁ 為坑外水位到鋼板樁底面的距離， m;L₂ 為坑內(nèi)水位到鋼板樁底面的距離， m 。

為保證坑底地基土抗流砂、管涌的穩(wěn)定性，最大降水深度 h 需要滿足式（13）～式（15）。

i=h^′/L

式中： K_f 為抗流砂管涌穩(wěn)定性安全系數(shù)，規(guī)范中一般取2.0；i為坑底土的滲流水力坡度； h^′ 為最大降水高度； i_cr，f 為坑底土的滲流水力坡度。 G_s 為坑底土的顆粒比重； e 為坑底土體的天然孔隙比。

1.1.4 注水高度

達(dá)到最大降水開挖深度后，若繼續(xù)向下開挖，必須向坑內(nèi)注水并進(jìn)行水下挖土，則可以一次性水下挖土至坑底設(shè)計(jì)高程。注水后，坑內(nèi)水位面可由Δh 確定，如圖3所示。注水高度 H 與 Δh 關(guān)系為

H=h-h_w-Δh

其中， Δh 需要滿足式（17）～式（19）。

i=Δh/L

1.2基坑注水與水下開挖設(shè)計(jì)流程

基坑注水與水下開挖方法的施工流程分為插打鋼板樁形成鋼板樁圍堰、降水形成旱地工作條件開挖、注水進(jìn)行水下開挖、水下澆筑封底混凝土后再降水等4個步驟，如圖4所示。

根據(jù)基坑注水與水下開挖施工流程及其參數(shù)確定方法，提出基坑注水與水下開挖的設(shè)計(jì)流程：

1）根據(jù)式（6）式（7）計(jì)算出鋼板樁的嵌固深度t₁ 和 t₂ ，取其中的最大值作為鋼板樁的嵌固深度t，并根據(jù)基坑設(shè)計(jì)深度確定鋼板樁的總長度。

2）根據(jù)式（14）計(jì)算坑內(nèi)降水開挖時的最大降水深度 h^′ ，并根據(jù)支撐道數(shù)確定分步開挖步數(shù)；分步開挖時，水位一般要降至開挖面以下 0.5m ，以形成旱地工作條件，并設(shè)置對應(yīng)的內(nèi)支撐。

3）坑內(nèi)降水達(dá)到最大降水深度 h^′ 后，需向坑內(nèi)注水至設(shè)計(jì)的注水水位（可由 Δh 確定）后，進(jìn)行水下一次性挖土至基坑底設(shè)計(jì)位置。

4）水下澆筑封底混凝土，待其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再進(jìn)行抽水，以形成旱地施工條件，進(jìn)行明挖基礎(chǔ)及橋墩的建造。

2基坑注水與水下開挖實(shí)際工程案例

潛江漢江大橋主墩鎖扣鋼板樁圍堰深基坑工程采用坑內(nèi)注水與水下開挖施工方法，制定并實(shí)施了如下施工方案。

2.1 項(xiàng)目簡介

潛江漢江大橋由主橋、跨堤橋和引橋組成，全長 2460m ，其中主橋?yàn)殡p塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋。主橋28#主墩鋼板樁圍堰深基坑長28m 寬 28m ，設(shè)計(jì)開挖深度為 15m ，采用鋼板樁支護(hù)。基坑位于河岸，基坑地下水與江水或河水有穩(wěn)定的水力聯(lián)系，采用傳統(tǒng)施工方法進(jìn)行坑外降水與坑內(nèi)排水難度極大。

依據(jù)工程勘察報告，主橋28#主墩土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。依據(jù)近5年水位變化統(tǒng)計(jì)，枯水期設(shè)計(jì)洪水位在 27m 左右，因此本深基坑工程的施工水位取 27m 。

2.2 施工設(shè)計(jì)方案

28#主墩承臺鎖扣鋼板樁圍堰頂標(biāo)高 31.0m ，底標(biāo)高 0.0m 。圍堰內(nèi)設(shè)置3道內(nèi)支撐，內(nèi)支撐標(biāo)高分別為 28.0，25.0，23.0m ，基坑開挖深度為 15m ，鋼板樁的嵌固深度為 14m ，封底混凝土厚為 2.5m 。設(shè)計(jì)的28#主墩圍堰及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)如圖5所示。

針對實(shí)際工程地質(zhì)水文情況，設(shè)計(jì)深基坑水下開挖施工方案，對28#主墩承臺水下基坑進(jìn)行注水與水下開挖，具體施工方案如下：

1）插打鋼板樁

將 31m 長的鋼板樁打入土層，形成鋼板樁圍堰，鋼板樁頂部距離地面 2m 。

2）降水開挖

完成鋼板樁插打后，將坑內(nèi)水位降低至標(biāo)高26m ，再將基坑開挖至標(biāo)高 27.0m ，并在標(biāo)高 28.0m 位置安裝第1道圍標(biāo)及內(nèi)支撐。

將坑內(nèi)水位降低至標(biāo)高 23m ，再將基坑繼續(xù)開挖至標(biāo)高 24.0m ，并在標(biāo)高 25.0m 位置安裝第2道圍標(biāo)及內(nèi)支撐。

將坑內(nèi)水位降低至標(biāo)高 21m ，基坑繼續(xù)開挖至標(biāo)高 22.0m ，并在標(biāo)高 23.0m 位置安裝第3道圍標(biāo)及內(nèi)支撐。

3）注水與水下開挖

向坑內(nèi)注水，使坑內(nèi)水位面高程為 27.0m ，并將基坑一次性開挖至標(biāo)高 14.0m 。

4）水下澆筑混凝土后再降水

澆筑封底混凝土，待封底混凝土硬化后，抽空基坑內(nèi)積水，然后開始28#主墩承臺施工。

基坑開挖流程如圖6所示。

2.3 穩(wěn)定性計(jì)算

1）嵌固深度計(jì)算當(dāng)基坑水下挖土至水下開挖面，尚未澆筑封底混凝土?xí)r，需驗(yàn)算嵌固深度是否滿足整體穩(wěn)定性和基坑底部抗隆起穩(wěn)定性。

a）整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用等值梁法驗(yàn)算基坑開挖 15m 時鋼板樁的穩(wěn)定性，可得 u=0，t₀=11.65m，t₂=13.98m ，本方案鋼板樁嵌入深度 t=14m ，滿足要求。

b）基坑底部抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算

鎖扣鋼板樁底部土層的黏聚力為0，內(nèi)摩擦角為35^°，γ₀=10kN/m²，γ₁=19kN/m²，γ₂=9kN/m²，γ₃= 9.5kN/m² t₁=14m ，計(jì)算得到承載力系數(shù) N_q= 33.2.N_c=46.0 。由此可得其底部抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)

由此可知，鎖扣鋼板樁底部抗隆起安全系數(shù)滿足要求。

2）最大降水深度 h^′ 與注水高度的驗(yàn)算

施工過程中最大降水深度 h^′=6m ，取土體 G_s 為 1.9，e 為0.6，可得到降水至標(biāo)高 21m 時的坑底地基土抗流砂、管涌的穩(wěn)定性系數(shù)。

i=h^′/L=0.125

由此可知，降水深度滿足坑底地基土抗流砂、管涌的穩(wěn)定性要求。由于注水高度為 13m ，坑內(nèi)水位與坑外水位相平，不存在水頭差，因此，坑底地基土抗流砂、管涌的穩(wěn)定性也符合要求。

3）封底混凝土厚度的驗(yàn)算

圍堰長 28m ，寬 28m ，封底混凝土厚度為 2.5m 依據(jù)上述公式，驗(yàn)算封底混凝土的抗浮安全系數(shù)。G=γ₄.2ss₁=24×2.5×28×28=47040kN （204f=μxC=380×2.5×28×4=106400kN

可見，混凝土的厚度滿足抗浮穩(wěn)定性要求。

3鋼板樁內(nèi)力與變形及注水高度優(yōu)化

依托潛江漢江大橋主墩鎖扣鋼板樁圍堰深基礎(chǔ)工程，利用數(shù)值模擬方法研究基坑注水與水下開挖方法中支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、彎矩和坑底隆起的變形規(guī)律，并對注水高度進(jìn)行優(yōu)化。

3.1數(shù)值模型與本構(gòu)關(guān)系

1）數(shù)值模型 鋼板樁圍堰長 28m 寬 28m ，設(shè)計(jì)開挖深度為

15m 。結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖對周圍土體的影響深度約為基坑深度的 2～4 倍，影響寬度約為基坑深度的3～4倍。在數(shù)值模型中，土體寬度取 250m 深度取 60m 。數(shù)值模擬模型如圖7所示。

2）本構(gòu)關(guān)系

土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模型參數(shù)如表1所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示，在支護(hù)結(jié)構(gòu)與兩側(cè)土體間設(shè)置線界面單元，使結(jié)構(gòu)與土體間可以傳遞應(yīng)力和變形。線界面單元用摩爾摩擦非線性界面模型，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和類似工程參數(shù)，取法向剛度模量 K_n=7177.5MPa ，切向剛度 K_t=652.5MPa ；依據(jù)表1中土層的物理力學(xué)參數(shù)，選取各土層的厚度、黏聚力、摩擦角參數(shù)。

3）荷載與邊界條件

在降水開挖階段，將基坑內(nèi)水位設(shè)置在開挖面1m 以下，在水下開挖階段，考慮坑內(nèi)水會對支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁產(chǎn)生水壓力，除設(shè)置坑底水頭之外，還需將坑內(nèi)水對支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用等效為三角形荷載，施加在支護(hù)結(jié)構(gòu)上。基坑左右兩側(cè)邊界條件為水平向約束 u_x=0 ，底部邊界條件為水平向約束 u_x=0 、豎向約束 u_y=0 。施工時起重機(jī)引起的地面超載為 40kPa 。

4）封底混凝土的處理

封底混凝土的澆筑可以通過替換土體網(wǎng)格參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

5）工況與分析步

先給模型施加初始滲流場，然后平衡地應(yīng)力，激活支護(hù)樁和地面超載，最后進(jìn)行基坑注水與水下開挖的數(shù)值計(jì)算。數(shù)值計(jì)算包括3種工況及5個開挖步：坑內(nèi)降水與開挖、坑內(nèi)注水與水下開挖、澆筑封底混凝土并抽水，如表3所示。其中， D 為圍護(hù)樁或內(nèi)支撐的直徑 ;x 為封底混凝土厚度。

3.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形及坑底隆起

3.2.1 降水開挖

基坑進(jìn)行了3次降水開挖，分別開挖至 2.5.7m 。在這一過程中，支護(hù)樁結(jié)構(gòu)的變形和坑底隆起如圖8～ 圖10所示?？梢?，在降水開挖階段，隨著基坑開挖深度的增加，支護(hù)樁向坑內(nèi)的水平變形逐漸增大，當(dāng)開挖至 7m 時，樁頂水平位移達(dá)到 10.3mm ，小于規(guī)范要求的 40mm 。

隨著開挖深度的增加，在 8.5～17.26m 段鋼板樁的彎矩方向發(fā)生了改變，這是由于該段支護(hù)樁處于黏土層，隨著開挖深度的增加，基坑內(nèi)上部土體被挖出，支護(hù)樁所受的內(nèi)部土壓力逐漸小于外側(cè)土壓力，從而改變了彎矩的方向。

在降水開挖階段，坑底出現(xiàn)塑性隆起，隆起量兩邊大、中間小，隨著開挖深度的增加，隆起量逐漸增大，最大為 59.0mm ，小于規(guī)范要求的較大值 60mm （周邊沒有建筑物）?？梢钥闯觯衾^續(xù)降水開挖，基底地基土隆起變形將超過規(guī)范要求，開挖至該深度時需停止降水開挖，向基坑內(nèi)注水后再開挖。

3.2.2注水與水下開挖

在開挖 7m 后基坑停正降水，向基坑內(nèi)注水至標(biāo)高為 27m 后，水下挖土至設(shè)計(jì)標(biāo)高 14m 位置。在這一過程中，支護(hù)樁結(jié)構(gòu)的變形和坑底隆起如圖11～ 圖13所示。

水下開挖完成后，水下開挖支護(hù)樁的水平位移隨埋深的變化曲線整體趨勢與降水開挖完成后（開挖 7m 時）一致，但兩者在數(shù)值上有明顯區(qū)別，采用水下開挖時支護(hù)樁的水平位移明顯降低，其最大值為 6.9mm ，而采用降水開挖時支護(hù)樁的水平位移最大值為 10.4mm ，比前者約大 50.7% ，水下開挖和降水開挖 7m 工況下支護(hù)樁最大彎矩出現(xiàn)的位置相同，都在埋深 6m 即第3道內(nèi)支撐處，前者彎矩最大值為 198.18kN?m ，后者彎矩最大值為290.26kN?m 。

水下開挖階段的坑底隆起曲線與降水開挖階段存在明顯不同，坑底出現(xiàn)彈性隆起，其隆起量中間大、兩邊小，最大為 47.7mm ，比前者降低約19.2% ，小于規(guī)范要求的較大值 60mm 。由此可知，采用水下開挖方法可以減小支護(hù)樁的變形，明顯減小坑底隆起變形，對保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全有利。

3.2.3水下澆筑混凝土后再降水

封底混凝土澆筑完畢后抽干基坑內(nèi)的水，得到水下開挖施工完畢的位移云圖，如圖14、圖15所示。

基坑開挖后，基坑外側(cè)承受超載處土體的水平位移如圖14中紅色與藍(lán)色部分所示，其值分別為11.5，-11.5mm ，大小相同，方向均朝向坑內(nèi)?；油鈧?cè)承受超載處土體發(fā)生沉降，沉降量為 18mm ，如圖15中藍(lán)色部分。基坑坑底出現(xiàn)了彈性隆起，坑底中部隆起最高，最大隆起量為 47.7mm ，小于規(guī)范要求的 60mm ，如圖15中的紅色部分，呈中部大、兩側(cè)小的對稱特征。從模擬結(jié)果來看，基坑的變形基本符合基坑開挖后的變形特征[]。

3.3坑內(nèi)注水高度的優(yōu)化

坑內(nèi)注水高度是水下開挖方法的關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)。本工程基坑注水水位與坑外水位相同，即注水高度 H=13m 。雖然保證了施工安全，但注水高度增加會加大水下施工難度，因此有必要對坑內(nèi)注水高度進(jìn)行優(yōu)化，分別取注水高度 H 為 7、9、11、13m 四種情況進(jìn)行研究，對應(yīng)的 Δh 分別為 6.4.2.0m 。

不同注水高度下支護(hù)樁的水平位移曲線如圖16所示，注水高度 H 由 7m 變?yōu)?13m 的過程中，支護(hù)樁的水平位移逐漸減??； H 為 7、9、11、13m 時，支護(hù)樁最大水平位移分別為 19.3，12.1，8.9，6.9mm 表明注水高度的升高對支護(hù)樁水平位移的限制作用較為明顯。本工程中，注水高度 H 高于 9m 時，繼續(xù)增加注水高度對于支護(hù)樁的水平位移和樁身彎矩的減小作用逐漸減弱，表明注水高度存在一個臨界值，超過這一臨界值后，其作用效果會減弱，本工程可取 H=9m （對應(yīng)的 Δh 為 4m ）。

4結(jié)論

1）降水水上開挖時，最大降水深度取決于坑底地基土抗流砂、管涌的穩(wěn)定性；基坑分步開挖深度從 2m 增加至 7m 時，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移增加了53.6% ，坑底塑性隆起量的最大值逐漸增大至59.0mm ，坑底隆起量兩邊大、中間小。

2）注水與水下開挖時，增加注水高度能有效減少支護(hù)樁的水平位移；存在一個臨界注水高度，當(dāng)注水高度超過該臨界值后，其抑制支護(hù)樁變形的效果會減弱，對于本研究中的深基坑工程，該臨界值為 9m （對應(yīng)的坑外水位與注水水位的水頭差 Δh 為4m ）。

3）相比降水水上開挖，注水與水下開挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移約減小了 33.7% ，坑底最大隆起約降低了 19.2% ，表明注水與水下開挖能有效減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形，有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4）封底混凝土的厚度取決于封底混凝土的抗浮穩(wěn)定性和強(qiáng)度。這是由于封底混凝土底面的浮力主要由封底混凝土的自重和封底混凝土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的粘結(jié)力來平衡，增加封底混凝土的厚度不僅能增大封底混凝土的自重，還能增大封底混凝土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強(qiáng)度。

5）在中國首次采用該方法進(jìn)行施工，工程時間緊迫，受漢江洪水位影響較大，未對支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形等進(jìn)行監(jiān)測。但該工程成功實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)對類似工程具有參考價值，今后可通過現(xiàn)場足尺試驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證。

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（編輯胡英奎）