基坑降水對濱海軟土地區基坑施工的影響分析

王維宇

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 前言

沿海地區經濟發展較快，基礎設施建設也十分迅速。但濱海城市的地質條件與內陸地區有很大差異，臨近海岸線地層中水位較高，廣州沿海部分地區淤泥層較厚，施工時需進行排水和加固土體等措施。為了提高基坑設計和施工的安全性[1]，驗證設計方案的安全和可靠性，本文依據實際工程情況建立了濱海軟土地區基坑開挖的3D數值模型[2－3]，分析了降水對基坑變形的影響情況。總結已有的工程實例，為后續工程提供切實可靠的參考與依據。

國內諸多學者對基坑施工的變形控制及支護結構設計進行了研究。高廣運等[4]研究了基坑施工對臨近運營地鐵隧道的變形影響，并對基坑施工變形控制進行了研究。對臨近隧道進行加固，并對施工方案進行數值模擬，研究表明，加固體可有效控制基坑相鄰的隧道變形。王冬[5]通過數值模型對不同緩沖區寬度下相鄰基坑的影響進行理論分析。鄭剛等[6]討論了基坑施工局部錨桿的失效的影響。薛秀麗等[7]對基坑施工過程中降水的影響進行了分析。王明年等[8]基于基坑抗隆起連續變形場機制，以形成考慮地下水滲透力作用下的深基坑抗隆起安全系數計算方法。林志斌等[9]對不同計算條件下軟土基坑的樁后水壓力、樁位移、地表沉降以及坑底隆起等的變化規律進行了研究。

2 工程概況

2.1 基坑地質條件

海語熙岸住宅項目工程，基坑大開挖深度約7.60～9.00 m，基坑支護總周長約560 m，兩處不規則角部基坑支護設計方案為內支撐支護＋排樁支護，其他邊坡均為排樁＋錨索支護。該工程地質條件差，底部為飽和、流塑性淤泥層，層厚達10～24.5 m，需對土體固化，對支護結構支擋安全性要求高；下臥富含承壓水，地下水位高，水量豐富，基坑止水要求高。

表1為各層土體的基本參數，表2為各巖土層阻力特征值建議表。各土層的允許坡度值分別為:素填土1∶1.5坡度或人工支護、淤泥－人工支護、粉質黏土1∶1.25坡度、砂質黏性土1∶1.25坡度、全風化花崗巖1∶0.75坡度。剪切試驗采用直接快剪方法，壓縮試驗采用固結壓縮方法，Es、E0取平均值。

表1 各巖土層力學參數

表2 各巖土層阻力特征值建議表

2.2 地下水處理

由于場地的地下水位較高，基坑施工過程中需進行降水處理。因此，對場地進行了抽水試驗，觀察水位變化，以保障施工安全。本次抽水試驗采用多孔穩定流抽水，抽水孔抽水時同時觀測抽水孔及觀測孔的水位變化情況。正式試驗前，通過試抽水試驗，了解到本項目場地地層整體含水性和滲透性一般，故本次試驗決定采用穩定流量、大降深抽水試驗。當抽水孔出水量較小時，適當減少流量或采用回灌措施等。

根據抽水試驗結果，依據《巖土工程手冊》對潛水含水層有一個觀測孔完整井條件，按公式(1)計算滲透系數:

按公式(2)計算觀測孔影響半徑:

選取CZK34鉆孔號為例，其結果滲透系數及影響半徑結果見表3。

表3 滲透系數及影響半徑

2.3 錨索施工

本工程項目大面積使用兩層錨索＋排樁支護，錨索入強風化巖不少于10 m，入中風化巖不少于4 m，以保證巖石部分可以提供足夠的錨固力。由于錨索要鉆進中等風化巖，需采用套管結合內芯鉆的施工機械，淤泥部分采用套管護壁，巖石部分采用內芯鉆。

3 施工工序模擬

3.1 方案設計

為研究基坑降水對基坑變形及周邊土體的影響，采用Midas GTS NX[10－12]對海語熙岸住宅項目基坑工程進行建模計算，討論有無地下水及水位變化對基坑施工的影響。

為便于與實際情況進行對比分析，基坑施工模擬方案現設計為以下三種:方案一，無地下水；方案二，分步降水(第一次降水4 m，第二次降水5 m，第三次降水4 m，一共降水14 m)；方案三，一次性降水14 m。在進行基坑降水模擬時，在施工的初始階段先定義全局水位，Midas GTS NX可以通過定義函數的方式定義水位并進行降水模擬。按照施工步驟和要求，針對不同的施工方案分別進行多次連續降水和一次性降水。為了更貼合實際工程情況，定義全局水位后進行排樁支護和放坡開挖，一次降水方案下先進行降水再進行基坑開挖，多次降水時隨基坑開挖的深度分步進行降水。

3.2 模型建立

海語熙岸住宅項目基坑工程，基坑深度取8 m，基坑頂部素填土區域有1 m高的放坡，坡度為1∶1.5，內支撐位于基坑頂部位置，兩層錨索也位于基坑上部位置，排樁圍護結構簡化成了地下連續墻，基坑大面積采用了雙層錨索支護，僅局部不適合采用錨索的地方采取了內支撐支護，基坑支護建模圖見圖1。

圖1 海語熙岸住宅項目基坑支護結構

4 數值分析

為討論水位對基坑施工的影響，分別對模型1(無水位(對比模型))、模型2(一次性降水至坑底(實際工況))、模型3(分次連續降水)三種工況下的基坑施工進行模擬。

4.1 基坑總體變形分析

圖2為不同工況模型下基坑開挖至坑底時土體的總位移圖，三個模型中的最大位移分別為:模型1是23.4 cm；模型2是13.4 cm；模型3是11.9 cm。可以看出，模型1未降水時的位移最大，主要是基坑隆起產生的，位于基坑的坑底，此外右側邊角處用內支撐和排樁支護的土體側移比其他位置更明顯。模型2一次性降水至坑底時位移最大位置為基坑的外部土體，這是由于一次降水速度過快導致周邊土體的擾動較嚴重，孔隙水壓的恢復速度比較慢，導致周邊土體的位移偏大，也就是說降水會影響周邊土體的沉降與水土流失，而且影響范圍比較廣。模型3連續分次降水工況下，基坑總體的最大位移最小，最大位移是基坑內部土體隆起產生的，但隆起程度小于模型1的一半。而且對基坑外部土體變形產生的影響與模型1不降水情況下相近，影響范圍僅比模型1稍大一些。說明降水會對基坑周邊土體和構筑物產生一定影響，因此，合理控制降水速率，采取分階段降水的辦法可以減小基坑內外的土體位移。

圖2 開挖至坑底總體位移

4.2 支護結構變形與受力分析

圖3分別為三種模型開挖至坑底時支護結構的變形圖，三種工況下的支護結構最大變形分別為:模型1是11.11 cm；模型2是9.38 cm；模型3是7.11 cm。三個模型中三個紅色圓圈位置的位移較大，這三個位置的支護為排樁＋內支撐支護，而其他位置均設置了錨索，由于錨索屬于主動支護，在支護建立的伊始就已經發揮作用，而排樁和內支撐屬于被動支護，只有當土體變形到達一定程度時才會起到支護效果。總體來說三個不同工況下排樁的變形位于排樁的中上部分，由于排樁頂部的錨索支護效用，排樁頂部的位移較小。排樁中上部分的總體位移模型1約為4.65 cm，模型2約為4.04 cm，模型3約為2.19 cm，總體位移比未降水情況小了一半多。表4為各模型的總體位移與圍護結構的變形表。

圖3 開挖到坑底支護結構變形

表4 三種模型變形

圖4為不同模型同一位置的排樁位移隨深度的變化?？傮w來說，模型3分次降水的排樁變形控制最好，不降水工況下排樁的變形最大。三種工況下的最大位移不超過11 cm，同時可以明顯看出，基坑頂部受錨索約束，排樁的頂部位移小于中上部的最大位移，說明錨索起到了控制變形的作用。模型2中的最大位移位置比其他工況下的最大位移位置均靠下，約在基坑8 m深處。采取降水措施對基坑和排樁頂部的位移有很明顯的減小作用。

圖4 排樁變形對比

4.3 周邊土體沉降分析

圖5為不同工況下同一位置的土體沉降變形情況?？梢钥闯?，模型1和模型3土體沉降影響范圍小于50 m，而模型2一次性降水對周邊土體產生的影響最大，周邊土體沉降最大、影響范圍最廣。分次連續降水與無水位時基坑開挖對周邊土體沉降的影響相近，但分步降水對周邊土體仍有一點影響。分步降水對比一次性降水明顯更有利于對基坑周邊土體的變形控制。由于降水是一個動態過程，降水過快導致土體中的孔隙水壓并未及時恢復到平衡，因此分步降水考慮了孔壓的變化，比一次性降水更有利于基坑與周邊土體的變形控制。

圖5 周邊土體沉降對比

4.4 錨索軸力分析

模型1的錨桿軸力最大值為1.54×104kN，模型2的錨桿軸力最大值為1.62×104kN。兩者錨桿軸力相差不大，降水對基坑土體和支護結構產生了一定的作用力，因此降水工況下的錨索應力值略微偏大。錨索僅小部分邊角位置局部軸力偏大以外，其余位置受力分布較為均勻，未發生應力集中現象?？梢姡竺娣e使用錨索支護也可以充分發揮錨索的軸力，并且支護效果良好。

5 結論

采用數值模擬方法對基坑未降水、一次降水、分次降水三種不同工況下的基坑開挖模型進行分析，得到以下結論:

(1)根據工程特點采用的大面積錨桿＋排樁圍護＋局部內支撐支護＋局部土體加固的支護方法和防止變形的措施，對基坑變形的控制起到了有效作用。

(2)由于場地水位較高，實際采用一次降水的方法有利于施工和變形控制，但如果條件與工期允許，建議分次進行降水，可減少對周邊土體的擾動變形，減小基坑整體與局部變形。

(3)三個模型的邊角位置變形均較大，由于此處空間狹小、邊角不規則，不方便全部采取錨索施工，因此采取了排樁和內支撐支護形式。由于內支撐和排樁支護均為被動支護，因此變形較大，但均在允許范圍內。而錨索為主動支護構件，因此有錨索的位置基坑整體和頂部位移控制較好。

(4)對于排樁支護結構而言，未降水工況下位移最大位置位于排樁頂部，降水工況下的位移減小，且最大位移位置下移至排樁中上部?；哟蟛糠治恢缅^索受力分布較為均勻，未發生明顯的應力集中現象。可見，大面積使用錨索支護也可以充分發揮錨索的軸力，并且支護效果良好。