地下水位高度對深基坑穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究

王傳霖

(中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥　230023)

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地下水位高度對深基坑穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究

王傳霖

(中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥230023)

摘要：文章針對深基坑，較系統(tǒng)地研究了降水深度對基坑穩(wěn)定性的影響規(guī)律，包括連續(xù)墻水平位移、橫向支撐壓應(yīng)力和基坑周圍土體位移分布，并考慮不同水位條件下土層粘結(jié)力、摩擦角、變形模量、泊松比和側(cè)壓力系數(shù)等力學(xué)參數(shù)的變化。結(jié)果顯示，地下水位高度對基坑的穩(wěn)定性有較大影響，研究結(jié)論對類似工程具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：深基坑；地下水位高度；土層力學(xué)參數(shù)；基坑穩(wěn)定

隨著經(jīng)濟發(fā)展,越來越多的城市由于地面空間的發(fā)展限制,開始重視地下空間的利用與開發(fā),大量的地下工程,如地鐵、地下商場等開始涌現(xiàn)。為了滿足地下主體結(jié)構(gòu)的施工空間,基坑的規(guī)模越來越大,近年來我國基坑深度已發(fā)展至30 m以上[1]。在深基坑的設(shè)計與施工中,有效控制地下水對基坑穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要,基坑工程事故多數(shù)與地下水的作用及對其處理不當(dāng)有關(guān)[1]。

深基坑周圍土層中的地下水不僅會對圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力,更重要的是改變了土層的力學(xué)屬性。文獻[2]通過試驗研究了含水量對粉質(zhì)黏土摩擦角和粘結(jié)力的影響。文獻[3]通過理論結(jié)合試驗的方法,探討了非飽和土的抗剪強度指標(biāo)粘結(jié)力C和摩擦角φ值隨含水量ω變化的一般規(guī)律。文獻[4]通過土樣試驗,并結(jié)合回歸分析得到了非飽和土抗剪強度計算公式中各參數(shù)的含水量ω表達式。文獻[5]使用HM-1型回彈模量儀對非飽和含黏砂土進行不同含水率的回彈模量試驗。

目前,對深基坑的穩(wěn)定性以及支護結(jié)構(gòu)設(shè)計驗算多采用傳統(tǒng)的解析方法或相關(guān)的規(guī)范方法,該類方法中一般考慮水土分算,且該方法對較復(fù)雜的深基坑往往做簡化處理,很難實現(xiàn)將基坑周圍土層與支護結(jié)構(gòu)作為一個整體系統(tǒng)計算。數(shù)值分析方法由于能考慮土層分層情況和土的性質(zhì)、支撐系統(tǒng)分布及其性質(zhì)、土層開挖和支護結(jié)構(gòu)支設(shè)的施工過程以及周邊建(構(gòu))筑物存在的影響等復(fù)雜因素,已成為深基坑工程分析的最有效方法[6]。但是,多數(shù)數(shù)值方法計算中沒有考慮含水量對土層力學(xué)特性的影響[7-9]。

本文主要針對深基坑,較系統(tǒng)地研究地下水位不同高度對基坑穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1模型及邊界條件

本研究假定基坑工程開挖深度為20 m,寬度為20 m,圍護結(jié)構(gòu)采用連續(xù)墻,入土深度為基坑底部以下20 m?；觾?nèi)豎向設(shè)4道混凝土支撐,支撐斷面尺寸為1 m×1 m,混凝土支撐水平間距取6 m。圖1所示為計算模型,模型寬為120 m,高為80 m,模型左右邊界固定x方向的位移,模型下邊界固定所有位移,且考慮到基坑縱向?qū)挾冗h大于橫向?qū)挾?整個模型忽略y方向的位移，基坑兩側(cè)10 m范圍內(nèi)各施加20 kPa的施工荷載。地下水位h為可變量,分別設(shè)為20 m、25 m和30 m,即基坑底部以下5 m和10 m。

圖1　計算模型圖

模擬研究過程包括建模(包括土層及支護結(jié)構(gòu)模型)、計算初始地應(yīng)力、設(shè)定支護結(jié)構(gòu)、基坑開挖(同時監(jiān)測圍護結(jié)構(gòu)變形情況)及整理分析計算結(jié)果。

2計算參數(shù)設(shè)定

2.1土層參數(shù)

模型尺寸范圍內(nèi)假定地表以下38 m范圍內(nèi)為粉質(zhì)黏土層,以下為風(fēng)化巖層,連續(xù)墻深入風(fēng)化巖層為2 m。地層采用摩爾-庫侖模型進行模擬計算。計算中需要設(shè)置的參數(shù)為土層的粘結(jié)力C、摩擦角φ、側(cè)壓力系數(shù)K、變形模量E和泊松比ν。

依據(jù)文獻[2],通過直剪實驗歸納得到的粉質(zhì)黏土土層含水量與粘結(jié)力和摩擦角的近似關(guān)系為

C=-8.960 9ω+222.78

(1)

(2)

其中,ω為含水量(%)。在本模擬研究中,假定地下水位以上土體含水量ω為21%,地下水位以下土體含水量ω為15%,變形模量取23 MPa。

泊松比和側(cè)壓力系數(shù)[10]近似取值分別為

(3)

(4)

具體土層計算參數(shù)見表1所列。

表1　土層計算參數(shù)

2.2支撐結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

連續(xù)墻和橫向支撐采用各向同性彈性模型進行模擬計算,其彈性模量取值為3.2×107kPa,泊松比為0.2,密度為2 450 kg/m3。

圖2所示為不同h值條件下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)的水平位移。由圖可見,隨著h值增大,基坑底部以下連續(xù)墻的水平位移呈遞減趨勢,h=25 m和h=30 m時的連續(xù)墻最大位移相比于h=20 m,分別減小了10%和20%左右,可見地下水位對連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)的水平位移及受力情況有較大影響。

圖3所示為不同h條件下第4層混凝土支撐最大壓應(yīng)力。由圖可見,隨著h值加大,壓應(yīng)力呈遞減趨勢,h=25 m和h=30 m時的支撐壓應(yīng)力相比于h=20 m,分別減小了14.5%和22%。另外,不同降水深度對第1、第2、第3層支撐壓應(yīng)力影響較小。

圖2　連續(xù)墻水平位移

圖3　橫向支撐的最大壓應(yīng)力

圖4所示為位移值不小于6 mm的基坑周邊土層位移分布云圖。由圖可見,隨著h值增大,基坑外側(cè)和坑底下部位移分布范圍逐漸減小,最大位移發(fā)生在基坑底部。

圖4　基坑周邊土層位移分布

3結(jié)論

(1) 深基坑工程中,粉質(zhì)黏土地層降水可以提高土層的摩擦角及粘結(jié)力,有效降低圍護結(jié)構(gòu)受力。

(2) 深基坑工程中,由于土體卸荷,最大位移為基底隆起,提高注漿加固等手段是提高基坑底部一定范圍土體的強度,可以有效提高基坑穩(wěn)定性。

〔參考文獻〕

[1]中國土木工程學(xué)會土力學(xué)及巖土工程分會.深基坑支護技術(shù)指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

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[3]陳海明,班鳳其,劉小偉.非飽和土抗剪強度指標(biāo)C、φ值與含水量ω的關(guān)系[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,29(6):736-738.

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[8]潘鋒,王國體.柔性支護深基坑工程中土壓力的有限元模擬[J].工程與建設(shè),2009,23(5):690-692.

[9]何璠,朱大勇,盧睿,等.地鐵車站基坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].工程與建設(shè),2014,28(3):388-391.

[10]劉國彬,王衛(wèi)東.深基工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

收稿日期：2016-03-12；修改日期：2016-03-16

作者簡介：王傳霖(1964-)，男，安徽淮南人，中鐵四局集團有限公司高級工程師．

中圖分類號：TU463

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0236-03