饱和细砂地层基坑开挖水土压力分布特征及水土分合算比较

商兆涛,汪文达,周 刚,汪鹏程

(1.芜湖市轨道(隧道)交通工程质量安全监督站,安徽 芜湖 241000; 2.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

水土压力是基坑工程的主要荷载,基坑支护合理设计的重点和难点之一是准确确定作用于围护结构侧面的水土压力,水土压力机理和计算方法等相关研究一直是岩土界追踪的热点[1-14]。基坑设计规程中规定计算土压力有水土合算和水土分算2种模式。水土合算是在计算挡土结构侧的水土总压力时将水和土的作用不加以区分,视为水土混合物的单一作用;而水土分算则是将水土压力看成水压力和土压力分别作用的累加。水土合算和水土分算具有一定的适用范围,不能一概而论。一般来说,在砂土、粉土等透水性良好的土层中适合用水土分算,而在黏土或粉质黏土等透水性较弱的土层中一般多采用水土合算。在基坑工程设计计算时，如果土压力计算方法不当,那么会造成较大的计算误差,甚至导致严重的工程事故。

本文以某深基坑工程为背景,以FLAC3D有限差分程序为主要分析工具,结合背景工程实际工况,分析基坑开挖和支护施工效应,着重考察墙背水土压力分布和变化特征,并对比研究水土分算和水土合算2种模式的差异。研究结果对加深土压力理解和对基坑其他地下结构设计计算提供参考和借鉴。

1 工程概况

1.1 总体概况

背景工程为某盾构隧道的工作井基坑,该工作井基坑长度为23.1 m,宽度为43.4 m,基坑开挖深度为27.2 m。基坑围护结构采用厚1.2 m地下连续墙加4道钢筋混凝土撑和1道钢管支撑,支撑竖向间距为6 m。连续墙长度50 m,嵌入中风化粉砂岩约1 m。基坑场地地貌属长江中下游冲击平原,基坑工程范围场地现状为农田、蔬菜大棚、沟塘,周边有少量1～2层砖瓦结构民房。

1.2 工程地质和水文情况

场区覆盖层主要以第四系全新统长江冲(洪)积层为主,厚度为49～55 m,岩性呈较为典型的二元结构,以流塑状淤泥质土、稍密-中密状粉、细砂为主,底部为基岩。地层从上往下依次为:地层0,素填土,松散,湿;地层1-1,淤泥,灰色,流塑,有臭味,含粉砂;地层1-2,粉质黏土,灰黄色,软塑-可塑,含少量铁锰结核和粉粒;地层2-1,淤泥质粉质黏土,灰色,流塑,含少量有机质,韧性低,干强度低;地层2-2,粉质黏土,灰色,软塑,夹少量粉砂薄层,韧性低,干强度低;地层3,粉土,灰色,稍密,饱和,含少量粉砂及粉质黏土;地层5-1,粉砂,灰色-青灰色,饱和,松散,见云母碎片,局部夹粉土薄层,层厚2.0～6.4 m,标贯击数8;地层5-2,粉砂,灰色-青灰色,饱和,中密,见云母碎片,标贯击数12;地层5-3,粉砂,灰色-青灰色,饱和,中密,见云母碎片,标贯击数21;地层6,细砂,灰色,密实,饱和,含少量云母碎片,标贯击数36;地层7-1-2,粉砂岩,紫红色,强风化,裂隙发育,岩芯多呈碎块状;地层7-1-3,粉砂岩,紫红色,中风化,粉砂质结构,钙质、泥质胶结,薄层状构造,裂隙发育。

本场地地下水类型为松散岩类孔隙潜水。浅部的淤泥质粉质黏土、粉质黏土中孔隙潜水主要接受大气降水的入渗补给；中部的粉细砂层中孔隙潜水补给来源以江水入渗为主；上部潜水入渗次之。

2 基坑数值分析模型及模拟方法

数值模型长度和宽度方向均取至连续墙以外100 m,深度取至自地表下65 m的范围。模型顶面为自由边界条件,四周为水平位移约束,底部采区水平和竖向位移约束。本研究中的所有围护结构均采用结构单元,即地下连续墙采用衬砌单元,冠梁、角撑、对撑和围檩均采用梁单元模拟。基坑土体采用分层开挖方法,每层土开挖至下一道支撑下2.0 m时设置支撑,支撑架设置完成后开挖下一层土方,如此往复直至开挖至设计基坑底标高。各道支撑间距分别为0.5、6.0、6.0、6.0、6.0 m。建立数值分析模型如图1所示,土体物理力学指标见表1所列。

图1 盾构井基坑数值分析模型

表1 主要岩土层物理力学指标

为了探究基坑开挖过程中水土压力分布变化特征及水土分合算的影响,本文在模拟时采用水土混合一体和水土分开处理2种模式,称之为水土合算和水土分算。水土合算是在数值模拟过程中,水和土为均质混合理想弹塑性材料,采用摩尔-库伦本构模型,水土混合体材料重度取土体天然重度,强度指标取总应力强度指标;水土分算时土体仍采用摩尔-库伦理想弹塑性本构模型,但地下水位以下土体重度取有效重度,强度指标取有效应力强度指标。

本文模拟的重点是基坑围护结构和支撑结构。众所周知,饱和砂类土中孔隙水压力对围护结构侧是百分之百传递的,相关基坑设计规程中对砂类土也建议采用水土分算法计算围护结构水土压力,因此以下数值模拟中水土分算结果为应有结果,而水土合算结果为对照结果。

3 墙背水土压力分析

3.1 沿深度分布特性

本文中水土压力是FLAC3D有限差分程序模拟基坑开挖过程中和开挖结束后土体对围护结构地下连续墙的侧压力,是通过编制FISH程序提取获得的。水土合算和水土分算模式下压力-深度曲线如图2所示。

图2 合算和分算模式下水土压力-深度曲线

从图2可以看出,水土分算的总水土压力在基坑开挖深度范围内总体接近直线型分布,而水土合算模式下水土压力的分布型式大致分成3段,即浅部(大约5 m以内)直线段、中部(5～24 m)缓变段、深部直线段,其中，浅部的直线段和深部的直线段与水土分算的总水土压力曲线很接近,数值偏大1.60～16.29 kPa;而中部的缓变段与水土分算的总水土压力曲线差距较大,数值偏小24.30～100.80 kPa,最大偏差比率为38.2%。

土体不同深度处水土压力构成比例如图3所示,从图2、图3可以看出,水土分算模式中,除了浅部以外,有效土压力在总水土压力中占比均小于水压力;中部有效土压力在总水土压力中占比随深度增加逐渐减小,静水压力占比随深度增加而逐渐增大,深度超过24 m以下则有效土压力在总水土压力中占比随深度增加而逐渐增大,同时静水压力占比随深度增加而逐渐减小。

图3 土体不同深度处水土压力构成比例

3.2 沿基坑长边变化特征

基坑围护墙后水土压力沿围护墙纵向的变化关系到基坑支护结构沿纵向受力状态和横向支撑间距的合理设计，因此受到学者们的关注。水土合算和水土分算模式下不同标高处水土压力沿纵向的分布如图4所示。

从图4可以看出,沿基坑长边同一深度总水土压力并非完全相同,从长边一个端点向另一个端点呈现出以长边中截面对称的先急速升高—缓慢减小—缓慢增加—急速减小的W形分布,以合算模式下深度16 m为例,总水土压力从左端点的-102.42 kPa增加到离左端点3 m处的-161.29 kPa,增加57.48%,之后逐渐减小,到基坑长边中点减小到最小值-123.33 kPa,减小23.53%。同样以分算模式下深度24 m为例,总水土压力从左端点的-180.74 kPa增加到离左端点6 m处的-216.83 kPa,增加19.97%,之后逐渐减小,到基坑长边中点处减小到192.12 kPa,减小11.39%。到基坑端点部位水土压力反而减小与基坑的几何空间效应有关,由于空间效应的作用,基坑的拐角部位位移一般小于基坑中间和其他部位,基坑拐角部位的应力状态也与其他部位有较大区别,拐角部位土体有一定的自平衡性,这种自平衡性导致该处土作用于连续墙墙背的土压力减小。

图4 水土合算和分算模式下水土压力沿基坑长边的变化

3.3 开挖工况对水土压力的影响

各个开挖工况下地下连续墙墙背所受的水土压力如图5所示,图5中,工况1～工况6分别为未开挖、开挖至第1层支撑下1.0 m、开挖至第2层支撑下1.0 m、开挖第3层支撑下1.0 m、开挖第4层支撑下1.0 m、开挖至坑底。

从图5可以看出,总水土压力随着基坑开挖工况进展而逐渐减小,浅部减小速率较小,而深部减小速率大于浅部,前5个工况减小速率相对比较均匀,而从工况5到工况6总水土压力减小幅度相对较大,减小幅度最大区域位于深度为20～30 m,即从基坑坑底以上8 m到坑底以下2 m左右。图5中显示的连续墙背后总水土压力随开挖土体向下开挖而逐渐减小,这是由于随着基坑内的土体被逐渐挖除,围护墙在墙后水土压力作用下向基坑内方向(即朝远离土体方向)偏移,墙后土体受连续墙的支承力减小,土体抗剪强度逐渐得到发挥,表现出土体作用于连续墙背的水土压力减小。实际上连续墙背水土压力随土方开挖而逐渐减小的过程,就是其水土压力由静止土压力向主动土压力过渡演变的过程,这与土力学中土压力的基本原理相符合。

图5 不同开挖工况下的水土压力

4 地下连续墙变形分析

由于篇幅限制,本文只展示基坑开挖至坑底时的地下连续墙在长边中截面、距中截面6、12、18 m的水平位移随深度的分布情况。水土合算和水土分算模式下的连续墙水平位移曲线如图6所示。

从图6可以看出,水土合算和水土分算2种模式得到的连续墙水平位移沿竖向分布规律相同,连续墙墙体水平位移从浅部往深部,随深度增加而增大,增长速率随深度递增,到接近坑底附近增长速率放缓。墙体水平位移最大值出现在坑底附近处。

从图6还可以看出,水土分算模式下墙体最大位移值为5.71 cm,而水土合算模式下墙体最大位移值为3.68 cm,比水土分算模式小35.5%。

图6 地下连续墙不同截面处的水平位移

5 地下连续墙应力分析

地下连续墙是围护结构的主要部分,其应力状态是基坑支护工作性态和基坑安全状态的重要体现。本文采用FLAC3D模拟时地下连续墙用liner结构单元模拟,除了能很好地模拟连续墙的膜应力效果和弯曲应力效果外,还能客观地表现连续墙与土体双面接触的特性。考虑到篇幅有限,本文仅展示受力最不利部位即连续墙长边中点处的内、外侧表面最大主应力和最小主应力,如图7所示。

从图7可以看出,水土合算模式计算的连续墙主应力均小于水土分算,其中内侧最大主应力值最大点偏小39.7%,最小主应力值最大点偏小20.4%,外侧最大主应力最大点偏小21.9%,最小主应力值最大点偏小23.0%。另外,从图7还可以看出,连续墙内侧主应力分布规律为深度10 m以下、20 m以上的中部部位呈现较大的最小主应力,20～35 m深部呈现较高的最大主应力;连续墙外侧主应力分布规律为深度10 m以下、20 m以上的中部部位呈现较大的最大主应力,20～35 m深部呈现较高的最小主应力。

图7 连续墙中截面内侧和外侧主应力沿深度的分布

6 结 论

本文以某基坑工程为基础,建立细砂地层中基坑开挖和支护FLAC3D数值分析模型,并施行额外施加水压和不额外施加水压2种方式下分别模拟水土分算和水土合算,着重研究连续墙背水土压力分布特征和连续墙应力、变形性态,并进行水土合算和水土分算结果对比,得出如下结论:

(1) 饱和砂类土基坑地连墙墙背总水土压力在开挖深度以上近似成直线分布,即水土压力随深度增加近似线性增加;若按水土合算方法，则实际上低估了作用于墙背的水土压力。

(2) 连续墙中深部其有效土压力在总水土压力中占比随深度增加逐渐减小,而静水压力占比随深度增加而逐渐增大。24 m以下则有效土压力占比随深度增加而增大,静水压力占比随深度增加而减小。

(3) 随着基坑向下开挖,连续墙墙背水土压力有缓慢减小趋势,水土合算模式减小更明显;从基坑端点向中间同一深度墙背总水土压力缓慢减小,到基坑边中间达到最小。

(4) 连续墙墙体水平位移从浅部往深部随深度增加而增大,增长速率也随深度递增,到接近坑底附近增长速率放缓,墙体水平位移最大值出现在坑底附近处,水土合算模式计算连续墙变形值小于水土分算。

(5) 连续墙内侧最小主应力高应力区分布在深度为10～20 m的中深部,最大主应力高应力区出现在20～35 m的深部;连续墙外侧最小主应力高应力区出现在20～35 m深部,最大主应力高应力区分布在深度10 m以下、20 m以上的中部部位。