渗流对深基坑开挖及支护过程的影响

杨　悦,　韩　雪,　徐晓红,　王　强

(1.黑龙江科技大学 建筑工程学院, 哈尔滨 150022; 2.中国矿业大学 力学与建筑工程学院, 北京 100083)



渗流对深基坑开挖及支护过程的影响

杨悦1,2,韩雪1,徐晓红1,王强2

(1.黑龙江科技大学 建筑工程学院, 哈尔滨 150022; 2.中国矿业大学 力学与建筑工程学院, 北京 100083)

利用FLAC3D软件对哈尔滨市金都大厦项目深基坑工程进行基坑开挖卸荷过程与支护过程的数值模拟,分析考虑渗流与否两种情况下,基坑侧壁沿长度方向和深度方向的变形分布及支护结构的内力分布情况。计算结果表明,考虑渗流作用后,随着土层应力的释放,基坑侧壁的最大位移和基底的隆起量均有所增大;桩身弯矩有所增加,最大弯矩发生在桩长的中部偏上处,呈中间大两头小的规律;降水开挖过程中桩体变形量及锚杆轴力也增大。该结果为进一步研究深基坑工程中渗流对支护体系的影响提供了参考。

深基坑; 渗流; 开挖; 支护; 三维数值模拟

随着我国城市建设的发展,高层建筑地下空间的利用率愈来愈高,随之而来的深基坑工程问题也越来越多。在设计坑的开挖和支护过程中,土体的开挖卸荷及其渗流引发的土体应力、强度、变形性状改变等成为不可忽视的问题,引起了研究人员及工程技术人员的广泛关注[1-3]。

基坑支护结构的常规设计方法是,利用经典土力学计算方法,计算作用到支护上的主动土压力和被动土压力,继而进行设计。这种方法未考虑复杂条件下的影响因素,如周围环境与支护结构的相互影响、开挖卸荷过程的影响、渗流对支护系统的影响,以及降水的影响等[4-6]。基坑渗流、降水计算常用的传统计算方法为地下水动力学解析公式法。应用解析法需要对场地的地质条件进行概化，当地质条件过于复杂时，这种概化可能引起失真。数值计算方法能够模拟实际工况，不需要概化地质条件，因此，运用该方法能克服此缺陷。FLAC3D有限元软件自美国ITASCA咨询集团公司推出后,已成为岩土力学计算的重要数值方法之一,广泛应用于基坑工程[7-9]。笔者以哈尔滨市金都大厦深基坑工程为例,利用FLAC3D软件进行数值模拟,研究基坑内部的渗流作用对深基坑支护结构内力的影响,为进一步研究深基坑工程中渗流对支护体系的影响提供参考。

1　工程概况及数值计算模型

1.1工程概况

哈尔滨市金都大厦深基坑工程建筑总面积50 000 m2,采用框架剪力墙结构,地下两层,地上五层。基坑面积约12 600 m2,开挖深度13 m,采用钻孔灌注桩加一道预应力锚杆的支护方案。

场地第一层地下水类型为潜水,主要接受地下水侧向径流补给、大气降水和地表管道漏水,地下水静止水位埋深为4.9～7.6 m;第二层地下水类型为潜水,主要接受地下水侧向径流补给,地下水静止水位埋深一般为10.2～16.5 m。该场地地下水年变化幅度在1.0～2.0 m。故整个基坑地下水处理采用“止降”结合方案,即利用水泥搅拌桩形成止水帷幕,采用管井抽水方法降低坑内地下水位。

1.2土层物理参数

勘察报告显示,影响基坑开挖与支护的主要土层有杂填土、砂质粉土、细砂、粉质黏土、黏土,其主要物理力学性质指标见表1。

表1　土层物理性质参数

1.3三维数值计算模型

利用FLAC3D软件对基坑西南侧进行数值模拟。假设基坑为对称的,故取计算模型的1/4进行计算,基坑的x、y、z方向影响范围均取两倍基坑开挖尺寸[10]。模型的x、y、z所指方向为正方向,z方向为竖直向上方向,xoy平面为水平面。模型边界条件为周边四面均受侧向约束,不允许水平方向产生位移,底面约束只允许铅直方向变形[11-12]。采用摩尔-库仑强度破坏准则和弹塑性本构关系,并假设其为大变形[13-14]。混凝土灌注桩采用FLAC3D中的pile单元,锚索采用cable单元。整体模型如图1所示,尺寸为:长度120 mm,宽度70 mm,高度45 m。

图1　基坑网格划分

数值模拟过程按照实际开挖顺序进行,分五步开挖,开挖至第三步打一道锚杆,真实再现工程施工中的开挖卸荷过程[15]。地表附加荷载取25 kPa。

2　结果分析

2.1渗流场水流流速

基坑土体渗流场水流速曲线如图2所示。图中的流线代表该单元的流速矢量,靠近桩端附近的流线分布最密集,离桩端最远,故此处水力梯度最大;流线长短表示地下水流流速,从流速分布图也可以看出,桩端附近区域流速较大,说明此处地下水的渗流作用较大。开挖至底层时,x方向最大流速为7.878×10-4m/s,y方向最大流速为7.353×10-4m/s。

图2　开挖到底层时x和y方向水流速矢量

Fig. 2Vector diagram of water velocity inxandydirection when excavated to bottom

由于支护桩附近内外侧的水头差较大,基坑开挖面内支护桩底部内侧水流流速向上,支护桩底部外侧水流流速斜向下指向围护结构。桩端附近的水流方向几乎接近水平方向,因而可以判断,渗流影响会使桩前后土体水平向应力和桩后土体竖向应力增大,基坑底以下桩前土的竖向应力减小。这会导致基坑位移场和应力场发生变化。

2.2渗流对基坑开挖及支护过程的影响

基坑工程开挖过程中,支护桩的位移、应力及基坑的位移场变化是反映其稳定情况的重要参数,也是进行基坑开挖稳定评价的重要依据。文中主要研究考虑渗流和不考虑渗流两种情况下的支护桩位移、桩身弯矩和土体位移,重点是地下水的渗流作用对基坑开挖、支护桩和锚杆的影响。

2.2.1基坑位移

以第五步开挖为例,分析基坑位移受渗流作用的影响。考虑渗流与否第五步开挖土体整体位移等值线云图见图3。从图3可以看出:考虑地下水渗流与不考虑地下水渗流两种情况下,基坑的水平位移特征是相同的,即水平位移均由基坑外部指向基坑内部,并且随着开挖深度的增加,相应增大。渗流最明显的作用是使基坑内部和外部的水平位移均有所增大;围护结构附近土体位移最大,也就是离围护结构越近,土体水平位移也越大,基坑水平方向最大位移发生在坑顶附近。考虑渗流作用后,基坑整体水平方向最大位移由24.2 mm(不考虑渗流作用)增大至31.9 mm(考虑渗流作用),增加了31.7%。位移增加的原因是考虑了坑内外水头差的影响,在水头差的作用下,基坑产生了由坑外向坑内的渗流,从而增加了土体的变形,而且水头差随着开挖深度的增加而增大,渗流力也随之增大。

图3　考虑渗流与否第五步开挖土体整体位移等值线云图

Fig. 3Isoline nephogram of displacement of whole soil on step 5 of excavation considering seepage or not

由图3也可以看出,基坑开挖面处的回弹量在基坑中部最大,坑底的回弹变形曲线为波纹形,即隆起曲线的波谷处是桩所在的位置,由于桩土的相互作用,桩体附近的土体变形较小。不考虑渗流情况下的回弹量为20.9 mm,考虑渗流后基坑的最大回弹量为28.1 mm,增大35%左右。在整个开挖面内,渗流对隆起值的影响均较大,增加幅度在30%左右。

2.2.2桩身水平位移

基坑X、Y壁侧中心点处桩身水平位移曲线见图4。从图4可以看出,对于水平位移,考虑渗流与不考虑渗流的数值分析结果与实测值的变化规律基本一致,呈近似抛物线形,最大值出现在靠近桩顶处。不同之处有以下两点:(1)考虑渗流作用时的桩身位移均大于不考虑渗流作用的。(2)不考虑渗流作用时桩身水平位移的数值解比实测值小。这主要是由于FLAC3D计算中止水帷幕也存在一定的刚度,对基坑壁的变形有一定的约束作用。不考虑渗流即不考虑止水帷幕的作用,也不考虑基坑的三维空间效应。可见,渗流作用对桩身水平位移有较大影响。

图4　基坑X、Y壁侧中心点处桩身水平位移曲线

Fig. 4Curves of horizontal displacement of pile in central ofXandYwall of foundation pit

2.3桩身内力

Y壁基坑中心点处支护桩所受弯矩如图5所示。从图中可以看到, FLAC3D计算值与实测值曲线形式基本一致,弯矩的极值及其发生位置也较一致;考虑渗流的弯矩计算值比实测值大,而不考虑渗流作用的计算值比实测值小。这是由于一方面考虑止水帷幕的刚度、侧向约束作用和基坑的三维空间效应的影响;另一方面,由于地下水向下的渗透力作用,使得作用在支护桩上的土压力增大,桩后土体弯矩值略大。正弯矩最大值发生在桩顶以下4.0 m左右位置;在桩顶以下7.5 m处,受预应力锚索的作用,桩身弯矩有突变;在基坑坑底处附近桩身的剪力值最大,故在坑底附近桩身弯矩达到零;开挖面以下的桩身弯矩为负弯矩。可以看出,渗流作用对桩体受力产生一定的影响,考虑渗流作用更符合实际情况。

图5　桩身弯矩对比曲线

考虑有、无渗流时的锚杆轴力对比曲线见图6。从图6可以看出,在自由段及锚固端中部以上位置,考虑渗流时的锚杆轴力比不考虑渗流时大,这是由于降水开挖过程中考虑渗流的桩体变形量要比不考虑渗流时大,同时锚杆的轴力也会增大。在锚固端中下部,锚杆轴力及衰减速率比不考虑渗流时要小。因此,在基坑支护结构设计中,渗流影响必须考虑,支护体系要适当提高安全系数。

图6　锚杆轴力对比曲线

3　结　论

(1)考虑渗流作用后,随着土层应力的释放,桩后土体产生向基坑内侧的水平位移,基坑侧壁的最大位移和基底的隆起量都有所增大,幅度在30%～35%之间。

(2)流固耦合作用下桩身弯矩有所增加,沿桩身竖直方向,桩身最大弯矩发生在桩长的中部偏上处,呈中间大两头小的规律。

(3)开挖过程中,预应力锚索的轴力分布在锚固端的近端,随着开挖深度的增加向锚索锚固端的深部传递,靠近锚固端远端,轴力越来越小。

(4)基坑支护结构设计时必须考虑到地下水渗流带来的不利影响,支护体系要适当提高安全系数。

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(编辑荀海鑫)

Seepage effect on excavation and supporting process in deep foundation pit

YANGYue1,2,HANXue1,XUXiaohong1,WANGQiang2

(1.School of Civil Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China)

This paper is focused on a numerical calculation of excavation and supporting process of deep foundation pit using FLAC3Dsoftware, as in the practice of Harbin Jindu Building and an investigation into the deformation and internal forces distribution along the length and depth of lateral walls of the foundation pit as in the case of the seepage. The calculation shows that the stress release due to the seepage makes for an increase in the maximal displacement of the lateral walls and the bulge of the basement, an increase in the bending moment of the piles and thus maximal bending moment in the above-central piles and the minimum bending moment at the two ends, and an increase in the deformation of piles and the axial force of the anchor during excavation and dewatering. The study serves as a basis for further studies on effect of seepage on support system in deep foundation pit.

deep foundation pit; seepage; excavation; supporting; three-dimensional numerical simulation

2013-04-08

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531574)

杨悦(1979-)，女，河南省商丘人，讲师，博士研究生，研究方向：城市地下工程，E-mail:yybeijing@sohu.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.013

TU443

1671-0118(2013)03-0272-05

A