不同帷幕深度在基坑開挖時的滲流影響分析

郝英澤

(黑龍江省慶達(dá)水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

0 引 言

為保證基坑邊坡工程的穩(wěn)定，常需進(jìn)行降水工程和地基防滲措施。降水工程可降低坑外地下水位，保證土體開挖的穩(wěn)定性，避免造成坑內(nèi)外的地面不均勻沉降。同時為防止水向坑內(nèi)滲流造成坑內(nèi)外的水頭差，出現(xiàn)管涌、流沙現(xiàn)象等，需采取堵排防滲措施，包括側(cè)向隔水和封底隔水兩種，常見的側(cè)向隔水帷幕有地下連續(xù)墻、攪拌樁、板樁。當(dāng)坑底土層滲透性高，采用封底隔水帷幕，包括高壓旋噴樁、深層攪拌樁、壓漿止水帷幕等。在軟土地區(qū)，可降低擋土樁的變形，形成的重力式結(jié)構(gòu)體可兼具隔水和擋土功能[1]。

1 滲流有限元原理

當(dāng)滲透方向同物理坐標(biāo)時，滲流定解可近似為求解能量泛函的極值問題，其微分表達(dá)式為：

(1)

單元水頭插值函數(shù)為：

(2)

式中：Ni(ξ,η,ζ)為單元形函數(shù)；Hi為水頭值；(ξ,η,ζ)為單元局部坐標(biāo)[2]。

轉(zhuǎn)換可得滲流場的幾何形式：

[K]{H}={F}

(3)

式中：K為滲透矩陣；{H}為水頭列陣。

主滲流方向單元u、v、w與整體坐標(biāo)系x，y，z關(guān)系式為：

(x，y，z)T=R{u，v，w}T

(4)

在局部坐標(biāo)系下的單元幾何矩陣為：

[B′]=[R][B]

(5)

則單元滲透矩陣表達(dá)為：

(6)

3 工程實例

3.1 計算模型

某高層建筑的基坑開挖深度16 m，寬度40 m。土質(zhì)為砂土與砂礫石等，土體力學(xué)參數(shù)天然狀態(tài)：γ=19.5(kN/m3)、C=14.4kPa、Φ=27.2；飽和狀態(tài)：γ=20.5(kN/m3)、C=12.24kPa、Φ=23.12。防滲設(shè)計中止水帷幕寬度為1 m，深度根據(jù)計算需要設(shè)定16m-30m依次遞加[3]。基坑模型如圖1所示。

圖1 基坑平面模型

3.2 邊界條件

定水頭邊界：AF、DC，隔水邊界：AB、BC，除定水頭邊界和隔水邊界，其余邊界均為變水頭邊界[4]。

3.3 計算結(jié)果

文章對止水帷幕深度為16 m、18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m、30 m八種工況條件進(jìn)行計算分析，止水帷幕滲透系數(shù)為1.25×10-8m/s[5]?；拥臐B流通量計算結(jié)果見圖2。

(a) (b)

基坑滲流量和側(cè)壁關(guān)系對比結(jié)果如圖3所示，可知基坑滲流量最小值在距基坑側(cè)壁20m，最大值在距1.6 m處，分析是因止水帷幕側(cè)壁阻礙地下水流動，在1.6m處阻礙作用最為明顯，隨著帷幕深度的增加，滲流量不斷降低，阻滯作用逐漸平緩。

圖3 基坑滲流量和側(cè)壁關(guān)系曲線圖

基坑滲流速度隨帷幕深度的矢量變化如圖4所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)圖4 不同帷幕深度的滲流速度矢量圖

由圖可知，當(dāng)帷幕深度為16 m時，基坑外側(cè)滲流主要體現(xiàn)在坑腳處，該處的滲流速度明顯大于其他位置，此時的滲流速度為3.53×10-6m/s,隨著帷幕深度的增加，最大流速點不斷下移，當(dāng)帷幕深度達(dá)到一定值，此后滲流速度逐漸趨于平緩穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

基于滲流分析有限元原理，根據(jù)實際基坑工程地質(zhì)資料，有限元計算不同帷幕深度的基坑滲流速度和滲流通量值，對比分析各深度的基坑滲流場變化規(guī)律。結(jié)果表明隨止水帷幕深度增加，基坑的滲流量與流速先升后降，達(dá)到一定值后，基坑外側(cè)地下水位逐漸平緩，各控制變量值趨于穩(wěn)定。