曹 犇 (中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)
隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展,城市規(guī)模急劇擴(kuò)大,深大基坑工程數(shù)量也迅速增加,不可避免地會(huì)在復(fù)雜周邊環(huán)境下進(jìn)行各種基坑的施工活動(dòng)。當(dāng)基坑主要為砂性土層時(shí),由于砂性土的內(nèi)摩擦力小,不具粘著性和塑性,但透水性極強(qiáng),其含水量合理范圍的空間大,容易壓實(shí),壓實(shí)后水穩(wěn)性好,強(qiáng)度較高,毛細(xì)作用小。開(kāi)挖前的基坑降水,使砂性土的含水量下降,抗剪強(qiáng)度減小,對(duì)于周?chē)貙幼冃螘?huì)有一定的影響[1]。
本文以南通地鐵1號(hào)線某地鐵車(chē)站工程為背景,采用經(jīng)驗(yàn)公式和ABAQUS數(shù)值模擬方法分析和模擬了砂性土基坑降水的過(guò)程,研究降水對(duì)周?chē)貙映两档挠绊懸?guī)律。
南通地鐵1號(hào)線某地鐵車(chē)站為地下二層島式站臺(tái)車(chē)站,車(chē)站總長(zhǎng)270m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.7m,車(chē)站中心里程為ZK12+985.203,車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)挖深度16.61m,端頭井開(kāi)挖深度為18.16m,端頭井寬度為25.3m。車(chē)站采用明挖順作和局部蓋挖的方法相結(jié)合進(jìn)行施工。
本工程車(chē)站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段采用800mm厚地下連續(xù)墻結(jié)合1道1000mm×1000mm鋼筋混凝土支撐(水平間距9m)+3道Ф609鋼支撐(水平間距3m),連續(xù)墻插入深度33.2m,插入比1:1,本工程施工場(chǎng)地地面絕對(duì)標(biāo)高約4m。
基坑周邊地下管線密集,東北側(cè)為郵政樞紐,東南、西南側(cè)現(xiàn)狀為二手車(chē)交易店鋪,西北側(cè)為交通銀行。站位周邊用地以倉(cāng)儲(chǔ)用地及商業(yè)商住用地為主,部分為行政辦公用地、工業(yè)用地,對(duì)基坑穩(wěn)定和變形要求較高。
擬建工點(diǎn)場(chǎng)地范圍內(nèi)地形較為開(kāi)闊平坦,基坑圍護(hù)計(jì)算范圍內(nèi)土層情況見(jiàn)表1。
場(chǎng)地孔隙潛水穩(wěn)定水位為2.3m(埋深2.3m)。第Ⅰ承壓水一般賦存于50m深度以下的砂土、粉土層中,即⑤粉土夾粉砂、⑥層粉砂,主要接受徑流及越流補(bǔ)給,據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料,水頭埋深2~5m。本標(biāo)段承壓水上部相對(duì)隔水層第④-2層,厚度不大,該層夾粉土,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),場(chǎng)地承壓水和潛水存在一定水力聯(lián)系。因此,基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)土層主要有:填土、2粉土、3-1粉砂夾粉土、3-2粉砂、3-3粉砂夾粉土。
圖1 理論方法計(jì)算模型示意圖
圖1是《JGJ120-2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》附錄E.0.2中對(duì)于基坑降水后引起地層沉降的計(jì)算示意圖,通過(guò)分層總和法,分別計(jì)算每個(gè)斷面上各個(gè)計(jì)算點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沉降量,然后進(jìn)行總和求解,得到相應(yīng)斷面的沉降量[2]。
根據(jù)《JGJ120-2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》,降水引起的地層變形量可按:
式中:s為降水引起的地層變形量(m),ψw為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù),應(yīng)根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)取值,無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí),宜取 ψw=0.8,為降水引起的地面下第i土層中點(diǎn)處的附加有效應(yīng)力(kPa),對(duì)粘性土,應(yīng)取降水結(jié)束時(shí)土的固結(jié)度下的附加有效應(yīng)力,Δhi為第i層土的厚度(m),Esi為第 i層土的壓縮模量(kPa);應(yīng)取土的自重應(yīng)力至自重應(yīng)力與附加有效應(yīng)力之和的壓力段的壓縮模量值。
計(jì)算參數(shù)表 表1
結(jié)構(gòu)參數(shù) 表2
基坑外土中各點(diǎn)降水引起的附加有效應(yīng)力宜采用地下水滲流分析方法按穩(wěn)定滲流計(jì)算。
①計(jì)算點(diǎn)位于初始地下水位以上時(shí)
②計(jì)算點(diǎn)位于降水后水位與初始地下水位之間時(shí)
③計(jì)算點(diǎn)位于降水后水位以下時(shí)
式中:γw為水的重度(kN/m3),a0為計(jì)算點(diǎn)至初始地下水位的垂直距離(m),si為計(jì)算點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地下水位降深(m)。
地下水位降深為16m,地表至降水后的地下水位線的距離為18m,由于第一層為天然填土層,不含水,故其沉降量為0,主要計(jì)算2粉土層、3-1粉砂粉土層、3-2粉砂層、3-3粉砂夾粉土層以及4-2粉質(zhì)粘土夾粉土。
要計(jì)算降水漏斗線上部土體的沉降值,首先需要確定降水井周?chē)貙尤我恻c(diǎn)的降深。
地下水形成的降水漏斗的曲面形式與地層分布和降水井的類(lèi)型有關(guān),各地層滲透系數(shù)的差異導(dǎo)致層間水的流動(dòng)速度不同,地下水流向不完整井的水流狀態(tài)與完整井的有所不同,例如,地下水流向承壓完整井的水流為平面徑向流,流線是互相平行的直線;地下水流向承壓不完整井的水流,由于井的不完整性的影響,流線在不完整井附近有很大的彎曲,其流向不完整井的水流狀態(tài)為三維流。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,將土體的滲透系數(shù)綜合設(shè)定成等效滲透系數(shù)k=3.9×10-4,在水位降深16m時(shí),得到降水漏斗的趨勢(shì)線如圖2所示。根據(jù)降水漏斗線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的水位埋深,由分層總和法計(jì)算各個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地層沉降量[3]。
圖2 經(jīng)驗(yàn)公式所得降水漏斗曲線
圖3 基坑降水引起地層沉降影響曲線
如圖3所示,在抽水井位置,也就是地下水位降深最大的位置,地面沉降量達(dá)到最大的8.03cm,隨著距抽水井的水平距離的增大,其沉降量逐漸減小,當(dāng)水平距離達(dá)到250m后,其沉降影響范圍基本上可以忽略不計(jì)。
理論計(jì)算得出的地層沉降量的值較大,最大沉降量出現(xiàn)在離基坑最近的位置,最大沉降量達(dá)到了8.03cm,這是因?yàn)樵谟?jì)算中僅僅考慮了地下水位下降后地層土體的固結(jié),從而發(fā)生的沉降。實(shí)際上,在實(shí)際的基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中,首先是進(jìn)行地連墻的施工,地連墻完成后,地連墻周?chē)耐馏w和地連墻之間會(huì)有一定的相互接觸關(guān)系,這個(gè)接觸關(guān)系可以進(jìn)一步控制地層的變形沉降。
本文采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬分析。同時(shí)為驗(yàn)證地連墻對(duì)控制地連墻周?chē)馏w的沉降效果,通過(guò)增加不同深度的素墻,計(jì)算出基坑周?chē)魑恢猛馏w沉降值,得出相應(yīng)的結(jié)論。
本工程數(shù)值計(jì)算模型簡(jiǎn)圖如圖4所示,基坑寬度取值20m,基坑外的計(jì)算區(qū)域?yàn)榛油?00m,土體深度取為60m。降水井的直徑為0.3m,井深22m,單井單位時(shí)間抽水量為100m3/d。采用800mm厚的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),地連墻插入深度33m。數(shù)值模擬的過(guò)程采用分層降水的形式,將降水過(guò)程分成4步,分別分析每步降水完成后對(duì)周?chē)貙幼冃瘟康挠绊憽?/p>
圖4 有限元數(shù)值計(jì)算模型簡(jiǎn)圖
地連墻采用線彈性模型,土體材料采用修正劍橋模型,本構(gòu)關(guān)系中參數(shù)按照現(xiàn)場(chǎng)如實(shí)或者相近選取,見(jiàn)表1和表2。
圖5(a)~(e),分別是不同素墻長(zhǎng)度下的地層沉降云圖,通過(guò)云圖可以大致可以看出地層沉降的范圍隨著素墻深度的增加有逐漸減小的趨勢(shì)。具體的地層位置點(diǎn)的沉降曲線如圖6所示,ABAQUS所得出的沉降曲線與規(guī)范中的理論公式得到的曲線差異主要是,ABAQUS模擬得到的曲線的最大沉降點(diǎn)并不是距離地連墻最近的點(diǎn),而是分布在距地連墻水平距離為30m的位置。其原因在于,ABAQUS模擬了地連墻與土體之間的粘接作用,剛性地連墻在基坑降水過(guò)程中產(chǎn)生的位移值較小,有效得約束了地連墻周?chē)馏w的沉降,這使得周?chē)馏w的沉降量峰值得到一定的控制。當(dāng)土體逐漸遠(yuǎn)離地連墻后,土體與地連墻之間的相互作用減弱,固結(jié)沉降量逐漸增大,同理論沉降曲線一樣,隨后會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值點(diǎn),最后逐漸減小,直到超出降水井的影響范圍,即可忽略不計(jì)。通過(guò)增加素墻的長(zhǎng)度,可以有效得控制地層沉降的范圍和沉降量峰值。
圖5 (a)~(e)為素墻深度分別為0m、2m、4m、6m、8m 的地層沉降云圖
圖6 基坑降水引起周?chē)貙映两登€圖
①通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式,近似得確定降水漏斗曲線,若要獲得一個(gè)符合實(shí)際的降水曲線,需要現(xiàn)場(chǎng)做抽水試驗(yàn),確定降水曲線上的某些點(diǎn)的坐標(biāo),然后再用數(shù)學(xué)模型擬合,會(huì)更合理。
②采用ABAQUS軟件分析潛水水位下降對(duì)周邊環(huán)境的影響,變形規(guī)律同理論計(jì)算的結(jié)果大體相近。由于在模型計(jì)算中,單井出水量設(shè)為100m3/d,所以若采用大揚(yáng)程的抽水井,地層沉降量會(huì)變大。
③通過(guò)增加素墻的深度,可以有效控制地層的沉降量,所以如果要嚴(yán)格控制地層變形在要求范圍內(nèi),則通過(guò)增加一定深度的素墻的做法是合理的。其他的處理措施,比如回灌、灌注樁,也會(huì)有一定的效果。
[1]俞建霖,夏霄,張偉,胡立科.砂性土地基深基坑工程對(duì)周邊環(huán)境的影響分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2014,36(S2):311-318.
[2]JGJ 120-2012,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.
[3]李志平.基坑降水引起的地面沉降分析[D].中南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008,05.