聊城银座商城基坑工程地下水影响数值模拟

刘学东

(南阳宛达昕高速公路建设有限公司,河南南阳463000)

1 工程概况

聊城市银座商城位于聊城市利民西路南侧,柳园南路西侧,地下室基坑东西宽约75 m,南北长约130 m,基坑开挖深度约11 m。基坑东、北两侧采用复合土钉墙支护,西、南两侧采用钢管桩与复合土钉墙联合支护,西侧与南侧止水帷幕采用高压旋喷桩的形式。拟建建筑物基坑南侧14.9 m为一栋9层新华书店,基础采用天然地基,基础埋深5.0 m;基坑西侧有4～6层办公楼,基础采用天然地基,基础埋深2.5m～3.0 m,西侧通信铁塔,西侧原有建筑距基坑上口2.7m～5.6 m;场区北侧、东侧分布供水管道、电信管线、电力管线、燃气管道及光缆。2010-08-09凌晨的特大暴雨造成银座商城项目工地基坑部分坍塌,本文重点研究聊城银座商城基坑工程西侧与南侧支护结构单元止水帷幕外侧地下水位暴涨时,对基坑支护结构的影响,通过分析找到该基坑失稳的主要原因。

2 基坑工程支护设计与数值计算内容

2.1 基坑现场设计

聊城市银座商城基坑工程现场勘察与支护设计如图1所示,采用的土钉结构分别为预应力锚索与全长粘结锚杆两种形式:9 m长度锚杆2根、预应力锚索14 m长3根,18 m长1根,锚杆与锚索方向角均为15°。表1、表2分别为现场勘察与室内试验得出的土体计算参数与支护结构物参数取值,为简化计算近似认为土体综合渗透系数0.35 m/d。

图1 基坑工程现场勘察与支护设计

表1 各土层参数

表2 支护结构材料参数

2.2 数值计算内容

采用有限元方法计算基坑土体水位变化对支护结构以及基坑自身稳定性的影响。计算网格划分如图2所示,所选取的计算边界范围与图1相同。

图2 有限元计算网格

数值计算工况如下:①首先计算止水帷幕外侧地下水位埋深2.5 m时(正常状态),计算基坑变形及受力情况;②计算止水帷幕外侧地下水位增至地面位置时基坑边坡的变形及受力,即止水帷幕外侧地下水位升高时对基坑的影响[1-2]。其中止水帷幕的止水作用在有限元计算中以设定止水边界条件的方式处理;地下水位的变化对支护的压力需要手动加载,这时因为土体的变形及受力情况受到了地下水渗流的影响可以在数值分析中自动生成,但对支护结构的影响还需要手动进行计算后加载,可以采用公式 γwh的形式计算地下水位对整个支护结构的作用力[3]。

3 数值计算结果分析

3.1 数值计算结果

基坑边坡及坡底水平向位移云图如图3所示,向右位移为正值(止水帷幕右侧),反之为负。基坑顶边向左(基坑内侧)位移最大,为-13.7 cm;沿着基坑深度逐渐减小,至基坑底时水平位移约3 cm～4 cm;距离基坑边越远水平位移越小,对比图1的设计尺寸,水平变形影响范围约7 m～8 m。

图3 基坑水平向位移云图

基坑边坡及坡底竖向变形如图4所示,土体拱起位移为正值,反之沉降为负。基坑坡顶支护结构外侧向下竖向位移最大(沉降),为5.0 cm,影响范围8 m～10 m。坡底土体向上位移(隆起)最大位移为4.9 cm,水平影响范围约6 m～7 m。

图4 基坑竖向位移云图

对图3、图4水平位移与竖向位移合成,则位移矢量如图5所示。支护结构外侧形成一个三角形体,向基坑内侧滑动,而坡底土体则在外侧土体压力下向基坑中心方向隆起,基坑坡脚下位移影响范围约4 m～5 m,基本处于钢管桩底端。

地下水位的上升增大了对支护结构压力作用,使得支护结构物偏离基坑侧壁,同时造成土体产生较大的水平向位移,基坑顶部随之产生沉降,并在基坑顶部隆起变形。位移矢量图显示出了基坑土体的运动趋势以倾向坑内为主,由于影响范围达到了钢管桩底部,表明该支护形式不能够在地下水位上升时维持基坑的稳定性[4]。

图5 位移矢量云图

支护结构水平受力与弯矩如图6、图7所示,云图显示基坑底处支护结构受力最大,约为759 kN,这与由于该位置处于基坑临空面,受力与实际情况相符合。基坑底部以下4 m～5 m处(钢管桩底端)弯矩最大,为1 746 kN·m。数值计算得出的最大弯矩位置处于钢管桩的底端,则产生的弯矩主要由高压旋喷桩承担。根据旋喷桩抗弯验算[5],拉应力σ=,M为弯矩,W为旋喷桩界面抵抗矩,产生的最大拉应力为17.8 MPa。高压旋喷桩抗压强度标准值为5 MPa,拉应力约为1.0 MPa～1.5MPa,远小于桩身最大拉应力17.8 MPa。即在钢管桩底端,旋喷桩桩身将出现拉裂现象。高压旋喷桩的桩身破坏导致了基坑变形过大失稳。

图6 支护结构水平受力

图7 支护结构弯矩

3.2 数值计算结果与现场监测结果对比

施工过程中自2010-03-31开始至2010-08对该基坑共进行5个月的监测,2010-08-09之前基坑顶部最大位移值基本维持在1.0 cm以内,基坑稳定;2010-08-09大雨之后,基坑坡顶水平位移观测点最大位移量达到11.6 cm,基坑出现部分垮塌。对比图3所示的有限元计算结果,数值计算得出的水平向位移13.7 cm与监测得到的11.6 cm相接近,表明数值计算结果的精确性,数值计算得出的基坑破坏原因是正确的。

4 结 语

基坑顶部最大水平向位移最大值为13.7 cm,与监测最大水平位移11.6 cm接近,表明了本文有限元计算结果的可靠性。

数值计算得出基坑底部以下4 m～5 m处——即钢管桩底端弯矩值最大,此时在旋喷桩中产生的最大拉应力已超过材料抗拉强度。即在钢管桩底端,旋喷桩桩身出现拉裂破坏现象,导致基坑出现大的变形失稳。

[1] 贾强,范夕森,张卫海.临沂银座商城加固改造的工程设计[J].四川建筑科学研究,2007,33(5):64-68.

[2] 陈国栋,梁永辉,詹金林.高压旋喷桩复合地基在世博项目中的应用[J].岩土工程学报,2010,32(S2):414-417.

[3] 张忠苗.桩基工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[4] 李琳,杨敏,熊巨华.软土地区深基坑变形特性分析[J].土木工程学报,2007,40(4):66-72.

[5] 韩志超.高压旋喷桩施工技术[J].交通世界(建养·机械),2009,(13):107-108.