帷幕止水軟土基坑的開挖穩定性

李 新 祥

(沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

據調查統計,80%以上的深基坑工程事故與水有關[1].對于軟土地層場地,土體強度低、變形大、流塑性明顯、滲透性差、地下水位高,更易引發基坑失穩事故.為阻止側壁及底部的地下水流入基坑,設置連續止水帷幕是有效的方法[2].文獻[3-5]對水力條件下的基坑內部滲流場特征進行過深入討論,但缺少對止水帷幕下滲流流速及水力梯度等重要滲透參數變化的定量分析,以及由此確定基坑開挖時的穩定性規律.

本文針對某大型軟土深基坑開挖工程,開展現場基坑止水帷幕+雙排樁+錨索支護的數值模擬研究,據此驗證止水和支護措施的合理性,校核位移監測結果,對設計和現場提出合理建議,達到確保施工安全的目的.

1 現場簡介

某基坑場地的地貌單元類型為遼河三角洲沖積平原邊緣,地形較為平坦.場地由上至下由雜填土、淤泥質粉質黏土、砂質粉土、粉質黏土、粉砂等地層組成,各主要地層內基本都有軟弱夾層分布.該地基土屬于典型的壓縮性軟土,局部有中等壓縮性.

圖1為基坑的止水及支護結構立面圖,根據圖1,對基坑的止水及支護措施說明如下.

圖1 基坑止水及支護結構立面圖Fig.1 Elevation of waterproof and supporting structures of foundation pit

1) 帷幕止水措施.①止水樁位于支護樁和錨樁的外側,樁徑500 mm,樁長17.0 m(嵌固深5.0 m),樁心距350 mm.相鄰樁的咬合寬度150 mm,呈正三角形布設.②固化劑采用32.5#水泥,質量分數15%,要求全程復攪1次.③在基坑開挖過程中,在基坑四周設排水溝對基坑內少量滲水進行明排,保證地下水位低于坑底1 m左右.

2) 支護措施.①基坑上部4.0 m設置1∶1.5放坡,坡面掛BWG14×2鍍鋅電焊鋼絲網并噴C20混凝土,厚度80 mm.②基坑下部8.0 m采用雙排樁+錨索支護,支護樁中心距1 000 mm,樁長16.5 m;后排錨樁中心距2 000 mm,樁長13.5 m;支護樁與錨樁排距4 000 mm,錨索中心距1 000 mm.樁與拉梁均采用C25混凝土,鋼筋采用HRB400主筋、HPB235箍筋和HRB335加勁筋,鋼筋保護層厚度分別為50 mm和40 mm.③錨索材料為低松弛高強度鋼絞線,強度fptk=1 860 MPa,傾角20°～25°交叉布置,灌注純水泥漿.在樁間土掛BWG14×2鍍鋅電焊鋼絲網并噴C20混凝土,厚度50 mm,鋼絲網外采用?6.5@500 mm鋼筋與樁進行可靠連接.

2 計算模型

基坑模擬計算區域設定為:南北x方向,模擬長度360 m;東西y方向,模擬寬度200 m;深度z方向,至地表以下30 m.基坑開挖范圍為南北方向180 m,東西方向90 m.由于基坑具有幾何模型和受力條件的對稱特征,可選取整體的1/4區域作為分析對象[6].

滲流邊界條件設定為:北、西邊界為不透水邊界;南、東邊界為常水頭入滲邊界(地下水埋深2 m);模擬區底邊界為不透水邊界;基坑開挖坑底標高下1 m為常水頭透水邊界.位移邊界條件設定為:南、北邊界x方向固定;東、西邊界y方向固定;底邊界z方向固定;頂邊界為位移自由邊界.

采用FLAC3D軟件建立基坑開挖的數值計算模型,得模擬區地層網格圖和止水帷幕及支護結構圖(圖2).

圖2 開挖后地層網格和開挖后止水帷幕及支護結構Fig.2 Formation grid after excavation and waterproof and supporting structures after excavating

3 模擬結果分析

3.1 滲 流

圖3為基坑帷幕止水后孔隙水壓力(PP)云圖.由圖3可見,基坑內同一高程上各點的孔隙水壓力相近,在止水帷幕外孔隙水壓力形成一定的變化曲線.

圖3 PP云圖

圖4和圖5分別為y=0剖面和x=0剖面的孔隙水壓力(PP)云圖和流速(flow)矢量圖.由圖4和圖5可見,在開挖和止水帷幕作用下,基坑內外水頭差使地下水繞過止水帷幕底部向坑底流動,這是坑底產生隆起的主要原因之一.為保持基坑的滲透穩定,設計帷幕止水樁的埋深為5.0 m,此時最大水力梯度位于帷幕底部,止水帷幕附近的滲流速度變化較大,能較好地保持基坑的滲透穩定.

圖4 PP云圖和flow矢量圖(y=0剖面)Fig.4 PP cloud picture and flow vector graph for y=0

圖5 PP云圖和flow矢量圖(x=0剖面)
Fig.5 PP cloud picture and flow vector graph forx=0

圖6為坑底水平剖面的孔隙水壓力(PP)云圖和流速(flow)矢量圖.由圖6可見:從滲入到滲出邊界,等勢線逐漸變密,在角點處達到最密值;流速矢量從中部向側壁逐漸變大,在逸出點處達到最大值,說明角點和逸出點附近最易達到臨界水力梯度而導致滲透破壞.

圖6 PP云圖和flow矢量圖(坑底剖面)

Fig.6 PP cloud picture and flow vector graph for the bottom section of foundation pit

3.2 水平位移

圖7為東側樁頂1～4監測點的東西向水平位移(ydis)變化,圖8為南側樁頂5～8監測點的南北向水平位移(xdis)變化.由圖7和圖8可以看出如下特征.

1) 無論是基坑長邊還是短邊,基坑側壁水平變形的分布規律一致.

2) 靠近基坑中部的監測點變形較大,而兩邊的變形相對較小.其中,東側1～4測點由中部向側邊布設,南側5～8測點由側邊向中部布設.東側監測點最大水平位移值為-4.8 mm,南側監測點最大水平位移值為-3.1 mm.可見,與未考慮帷幕止水相比[6],最大位移值減小很多.

3) 基坑各側壁的水平變形規律均為樁頂地表冠梁處為最大,而向深部逐漸減小,說明基坑最終呈現懸臂變形特征.

圖7 基坑東側樁頂冠梁4個監測點ydis變化圖

圖8基坑南側樁頂冠梁4個監測點xdis變化圖

Fig.8 Change chart ofxdis of 4 monitoring points of beam at the top in the south

3.3 周邊沉降

圖9為東部地表11～14沉降監測點的豎向位移(zdis)變化(向上為正),圖10為南部地表15～18沉降監測點的豎向位移(zdis)變化.由圖9和圖10可以看出以下特征.

1) 無論是基坑長邊還是短邊,基坑周邊沉降變形的分布規律一致.

圖9 基坑東部地表4個監測點zdis變化圖

圖10基坑南部地表4個監測點zdis變化圖

Fig.10 Change chart ofzdis of 4 monitoring points of soil mass in the south

2) 11～14監測點(東側)和15～18監測點(南側)的沉降變形值基本相等.東側周邊沉降位移最大值約為-7.6 mm,南側周邊沉降位移最大值約為-6.4 mm.可見,較之未考慮帷幕止水的計算值[6]相比,最大沉降值有所減小.

3) 在基坑周邊的各剖面豎向位移計算結果表明,越靠近基坑內部沉降值越大,而向坑外呈現有規律減小的特征.

3.4 坑底回彈

圖11為基坑中心點9、10豎向位移監測點zdis位移(坑底回彈)變化圖.由圖11可以看出以下特征.

圖11基坑坑底2個監測點zdis變化圖

Fig.11 Change chart ofzdis variation diagram of 2 monitoring points of the bottom of foundation pit

1) 坑底中心的9、10監測點回彈變化規律基本一致,均隨著基坑開挖及支護的推進而逐漸增大(9監測點位于放坡開挖后的基坑中心點,開挖后該點被挖掉,不存在位移).

2) 基坑開挖完畢后,坑底中心點回彈位移最大值約為146.92 mm,較之不考慮基坑止水時[6]略有增大.

3) 坑底最大隆起點位于基坑中心,越靠近坑壁隆起量越小.這是由于內外水頭差引起地下水向坑底流動,同時止水帷幕對基坑邊角起到了約束作用.

3.5 總變形

圖12為基坑南北對稱剖面總變形圖,圖13為東西對稱剖面總變形圖.由圖12和圖13可以看出以下特征.

1) 兩方向基坑對稱剖面的位移矢量和變形規律一致.

2) 支護樁位移在頂部最大,沿深度逐漸變小,呈倒三角形分布;由于土中應力釋放,支護樁產生向上位移,對坑壁、地表及樁體自身穩定性產生較大危害,該特點在軟土地層顯得尤為突出.

3) 坑底部的土體變形特征為中間隆起最大,向兩側逐漸減小.

4) 距離樁體一定范圍內的土體沉降呈現先增大再減小趨于平緩的趨勢.

圖12 位移矢量圖及變形云圖(y=0剖面)Fig.12 Displacement vector and deformation for y=0

圖13位移矢量圖及變形云圖(x=0剖面)
Fig.13 Displacement vector and deformation forx=0

4 結 論

1) 采用FLAC3D,建立了基坑地層、止水帷幕、支護樁、冠梁、錨索等結構模型,模擬分析結果證實了軟土地區采用止水帷幕+雙排樁+錨索施工的可行性和合理性.

2) 采用嵌入坑底深度5.0 m的基坑止水樁可以保證滲流穩定性的要求,不會出現管涌和流土等滲透破壞現象.等勢線在角點處達到最密;流速在止水帷幕附近變化較大,在逸出點處達到最大.因角點和逸出點附近最易達到臨界水力梯度,有必要在該處采取局部加固措施.

3) 坑周水平位移和沉降基本滿足規范要求,由于模擬中未考慮到樁間土掛網噴砼二次護壁、放坡處掛網噴砼支護、坑底截排水等有益基坑穩定的其他措施,因此認為設計方案基本滿足位移要求.坑底回彈超過100 mm,高出預警值約1倍,因此要及時施工坑底抗拔樁和基礎墊層,并加快上部主體建筑的施工進度.

4) 本文在模擬分析時,地表按水平面考慮,基坑平面簡化為矩形,實際滲透漏斗可能有更大的影響范圍,底邊界設為不透水邊界可能對實際的滲流路徑產生影響.應對模型作進一步改進,提高分析結果的精確性.