預(yù)降水過(guò)程中止水帷幕缺陷對(duì)基坑變形的影響

江杰,楊杉楠,胡盛斌,鐘有信,魏麗

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司， 廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著地鐵工程的快速發(fā)展以及地下空間的開(kāi)發(fā)與利用，深基坑的建設(shè)向著更大、更深的方向發(fā)展，同時(shí)對(duì)周邊環(huán)境保護(hù)的要求也越來(lái)越高[1]。趙敏等[2]對(duì)基坑降水對(duì)鄰近建筑物的影響進(jìn)行了研究。李學(xué)山等[3]采用有限元法對(duì)地下水對(duì)基坑工程的影響進(jìn)行了研究，證明了使用流固耦合有限單元法對(duì)基坑滲流研究是合理的。落底式止水帷幕的作用是切斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，以減小基坑內(nèi)降水對(duì)周邊建筑及環(huán)境的影響，而一旦止水帷幕存在滲漏缺陷，則勢(shì)必會(huì)給基坑工程帶來(lái)安全隱患[4-5]。戴軒等[6-7]利用DEM-CFD方法對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)漏水漏砂災(zāi)害的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明對(duì)于富水砂層漏水漏砂后基坑外部地表形成沉降槽，地表沉降最大值與地層損失率成正相關(guān)。在地下水豐富、水位較高的地區(qū)，由于基坑工程的滲漏問(wèn)題而導(dǎo)致的工程事故時(shí)有發(fā)生。龐振勇等[8]利用有限元軟件ABAQUS對(duì)止水帷幕不同缺陷大小、深度下帷幕外滲流場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行了研究，證明了根據(jù)流速變化判別止水帷幕缺陷的可行性。目前聲納流速矢量法已成為工藝成熟、技術(shù)先進(jìn)、定位準(zhǔn)確的止水帷幕缺陷滲漏檢測(cè)新方法，可在基坑開(kāi)挖前探明止水帷幕缺陷的位置便于預(yù)先采取補(bǔ)強(qiáng)堵漏措施[9-11]。但是在進(jìn)行深基坑止水帷幕聲納滲流檢測(cè)時(shí)，需要在基坑開(kāi)挖前將坑內(nèi)水位降至基坑開(kāi)挖面以下或落底式帷幕插入底部不透水層位置以下處，KHOSRAVI等[12]對(duì)基坑工程中降水引起的沉降進(jìn)行了研究，結(jié)果表明因降水引發(fā)的地表沉降可達(dá)開(kāi)挖過(guò)程中總沉降的30 %。但目前關(guān)于止水帷幕存在滲漏情況下預(yù)降水引發(fā)的地表沉降和地下連續(xù)墻側(cè)移尚無(wú)系統(tǒng)研究，而止水帷幕存在缺陷且支撐體系還未建立的情況下基坑內(nèi)進(jìn)行大降深降水可能會(huì)引起周邊地表沉降較大的突變，給周圍環(huán)境的安全穩(wěn)定帶來(lái)隱患。因此，對(duì)基坑止水帷幕存在缺陷狀況下基坑降水引起的坑外地表沉降和地下連續(xù)墻側(cè)移研究分析具有重要意義。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文擬通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS，采用三維流固耦合數(shù)值模型研究止水帷幕存在滲漏缺陷情況下不同缺陷尺寸、降水深度、支撐與否等條件下預(yù)降水引起周邊地表沉降和地下連續(xù)墻側(cè)移的規(guī)律。

1 模型驗(yàn)證

1.1 工程概況

廣西南寧市地鐵5號(hào)線廣西大學(xué)站位于明秀西路與大學(xué)東路交叉路口北側(cè)，為地下3層島式車站，與運(yùn)營(yíng)中的1號(hào)線采用通道換乘的形式換乘。車站主體結(jié)構(gòu)外包總長(zhǎng)度156 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬度22.6 m，基坑深度25.5～28.5 m。主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用深35 m、厚1 m的地下連續(xù)墻加4道內(nèi)支撐，第1、3道支撐為鋼筋混凝土支撐，第2、4道支撐為鋼支撐。

本工程基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)的土層主要有：①1圓礫填土、①2素填土、②3-2粉質(zhì)黏土、③1粉土、④1-1粉砂、④2-2中砂、⑤1-1圓礫、⑦1-3泥巖、⑦2-2泥質(zhì)粉砂巖、⑦2-3泥質(zhì)粉砂巖?？辈炱陂g初見(jiàn)水位埋深6.00～9.70 m，標(biāo)高67.97～71.22 m，多賦存在黏性土及粉土中；圓礫層中穩(wěn)定水位埋深7.80～11.30 m，屬承壓水，承壓水頭高0～1.5m(圓礫層頂面開(kāi)始計(jì)算)，水位標(biāo)高66.31～69.98 m。平均埋深8.83 m。圓礫層上部一般為黏性土、粉土層，透水性弱，局部粉砂層黏粒含量較高或夾薄層粉土，透水性變?nèi)?，為相?duì)隔水層；圓礫層下部為古近系半成巖層，以泥巖為主，少部分為粉砂巖，其透水性弱，也為相對(duì)隔水層。

1.2 基本假定

本文采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行三維流固耦合分析，模擬過(guò)程中做出如下假定：①假定土體材料符合摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型，地下連續(xù)墻符合線彈性模型；②假定降水前土體已在自重作用下完成固結(jié)，為正常固結(jié)土。

1.3 模型建立

① 模型尺寸。

基坑開(kāi)挖寬度22.6 m，開(kāi)挖深度h為25.5 m，為消除邊界影響墻后土體取至約7h處[13-14]，取175 m。考慮到基坑的對(duì)稱性，可取沿基坑開(kāi)挖寬度方向的一半進(jìn)行計(jì)算，故模型長(zhǎng)度取186.3 m。模型寬度方向取1倍的混凝土支撐間距9 m，高度取約2倍基坑開(kāi)挖深度50 m。故模型土體尺寸為186.3 m×9 m×50 m，如圖1所示。

圖1 基坑降水開(kāi)挖模型圖Fig.1 Dewatering and excavation model of foundation pit

② 邊界條件。

模型對(duì)稱面設(shè)置平行于該面法方向的水平位移約束，非對(duì)稱側(cè)面設(shè)置水平和豎直2個(gè)方向的位移約束及水位位于地下8.8 m的常水頭補(bǔ)給邊界，模型底部設(shè)置3個(gè)方向的位移約束。同時(shí)將底面和對(duì)稱面設(shè)置為不透水邊界。本模型采用在降水分析步將水位降深對(duì)應(yīng)深度處土體孔隙壓力設(shè)置為0來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)降水的模擬。

③ 材料參數(shù)。

為使模型計(jì)算容易收斂，建模時(shí)合并相近土層，將基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)土層概化為5層，土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil

圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻采用C35混凝土，鋼筋混凝土支撐采用C30混凝土，鋼支撐采用外徑D=609 mm、厚度t=16 mm的圓鋼管。支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of supporting structure

土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖2所示。

圖2 土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 Profile of soil layer and supporting structure

④ 單元選擇。

模型中土體采用C3D8P三維八結(jié)點(diǎn)線性六面體孔壓?jiǎn)卧?，地下連續(xù)墻采用S4四結(jié)點(diǎn)殼單元，支撐采用B31兩結(jié)點(diǎn)空間線性梁?jiǎn)卧?。土體與地下連續(xù)墻之間、水平支撐與地下連續(xù)墻之間均采用綁定連結(jié)，計(jì)算中無(wú)相對(duì)滑移。

1.4 計(jì)算結(jié)果

本文對(duì)廣西大學(xué)站降水開(kāi)挖的模擬計(jì)算工況見(jiàn)表3。

表3 廣西大學(xué)站降水開(kāi)挖模擬計(jì)算工況

基坑預(yù)降水及降水開(kāi)挖模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示

由圖3可以看出，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)基坑預(yù)降水及降水開(kāi)挖進(jìn)行流固耦合模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合較好，說(shuō)明用此方法對(duì)基坑降水引起的周邊地表沉降及地下連續(xù)墻變形進(jìn)行研究是可行的。

(a) 地表沉降

2 止水帷幕缺陷對(duì)預(yù)降水引起地表沉降的影響

由于本文的研究?jī)?nèi)容為深基坑預(yù)降水過(guò)程中止水帷幕缺陷對(duì)周邊地表沉降及地下連續(xù)墻側(cè)移的影響規(guī)律，因此為了消除多種不同土層對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)上述模型進(jìn)行了進(jìn)一步修改。修改后的模型豎向深度取50 m，上部含水層厚度25 m，下部25 m為滲透系數(shù)較小的相對(duì)不透水層。含水層取上述③1粉土，不透水層?、?-3泥巖?；娱_(kāi)挖寬度取20 m，故土體范圍為185 m×9 m×50 m。地下連續(xù)墻采用C35混凝土，厚1 m長(zhǎng)35 m，插入下部不透水層10 m。水平支撐為間隔9 m的C30鋼筋混凝土支撐，截面尺寸800 mm×900 mm?？紤]到實(shí)際工程中存在預(yù)降水過(guò)程中無(wú)水平支撐的情況[15]，故本文工況設(shè)置為預(yù)降水前無(wú)水平支撐與已完成第一道水平支撐2種。

為了得到止水帷幕存在滲漏缺陷情況下基坑預(yù)降水引發(fā)的周邊地表沉降較帷幕完整狀態(tài)下的增大量，本文首先對(duì)止水帷幕完整狀態(tài)下基坑預(yù)降水進(jìn)行了模擬，其中降水深度分別取10、15、20、25 m。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，坑內(nèi)降水引發(fā)的周邊地表沉降曲線形狀分為拱肩形和凹形2種。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻無(wú)水平支撐時(shí)，地下連續(xù)墻為懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，此時(shí)坑內(nèi)降水引起的坑外地表沉降曲線圖為拱肩形，且坑外最大地表沉降發(fā)生在地下連續(xù)墻外邊緣處；當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻有水平支撐時(shí)，坑內(nèi)降水引起的坑外地表沉降曲線圖為凹形，且坑外最大地表沉降發(fā)生在距地下連續(xù)墻7.5 m處。這與HSIEH等[16-17]關(guān)于基坑開(kāi)挖引起周邊地表沉降形狀的研究結(jié)果非常相似。同時(shí)，坑內(nèi)水位降水深度相同的情況下水平支撐的存在將會(huì)減小地表沉降的最大值，以本模型為例，降水深度分別為10、15、20、25 m時(shí)，水平支撐的存在使最大地表沉降值分別減小了16.8 %、32.2 %、34.7 %、35.6 %。

2.1 止水帷幕缺陷尺寸對(duì)坑內(nèi)降水引發(fā)周邊地表沉降的影響

研究止水帷幕存在不同尺寸大小缺陷的情況下坑內(nèi)降水對(duì)周邊地表沉降的影響規(guī)律，通過(guò)保留地下連續(xù)墻缺陷處的土體來(lái)實(shí)現(xiàn)坑內(nèi)外的水力聯(lián)系。實(shí)際工程中地下連續(xù)墻的滲漏主要出現(xiàn)在地下連續(xù)墻接縫處，因此地下連續(xù)墻缺陷取為長(zhǎng)條形，寬度取因兩扇地下連續(xù)墻間存在垂直度偏差而產(chǎn)生的平均縫寬0.1 m，厚度同地下連續(xù)墻厚度取1 m。設(shè)置地下連續(xù)墻缺陷的底部埋深10 m，長(zhǎng)度分別取0.2、0.5、1.0、2.0 m，同時(shí)降水深度均取15 m進(jìn)行模擬分析，得到止水帷幕不同尺寸下降水引發(fā)地表沉降曲線圖如圖5。

由圖5可以看出，隨著地下連續(xù)墻缺陷尺寸的增大，降水引發(fā)的坑外地表沉降也不斷增大，且無(wú)水平支撐條件下沉降曲線始終為拱肩形，有水平支撐條件下沉降曲線則為凹形。而無(wú)論水平支撐存在與否，主要影響區(qū)的地表沉降曲線斜率均有隨缺陷尺寸增大逐漸減小的趨勢(shì)，即地表沉降的影響范圍隨缺陷增大而增大。

(a) 無(wú)水平支撐

圖6為止水帷幕不同尺寸缺陷狀態(tài)下相對(duì)帷幕完整狀態(tài)下地表沉降的增量。由圖6可以看出有/無(wú)水平支撐兩種條件下由于地下連續(xù)墻缺陷而導(dǎo)致的地表沉降增量曲線均為凹形且最大值均隨缺陷尺寸增大而增大。當(dāng)不存在水平支撐時(shí)，地下連續(xù)墻缺陷造成的地表沉降增量最大值略大于有水平支撐情況。

(a) 無(wú)水平支撐

2.2 止水帷幕存在缺陷條件下降水深度對(duì)周邊地表沉降的影響

取缺陷尺寸寬0.1 m，長(zhǎng)2 m，底部埋深15 m，通過(guò)設(shè)置坑內(nèi)降水深度分別為10、15、20、25 m來(lái)模擬分析止水帷幕存在缺陷條件下降水深度對(duì)地表沉降的影響。

由圖7可以看出，地下連續(xù)墻存在滲漏缺陷條件下，坑內(nèi)降水引起的周邊地表沉降變化隨降水深度增加而增大，且沉降曲線形狀與帷幕完整條件下一致：無(wú)水平支撐條件下為拱肩形而有水平支撐條件下為凹形。但對(duì)比圖4可以看出，當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻無(wú)缺陷時(shí)，地表沉降主要影響區(qū)的沉降曲線斜率更大，隨著距基坑距離的增加地表沉降由最大值衰減的速度更快，在距離地下連續(xù)墻外側(cè)約30 m位置處存在一明顯拐點(diǎn)，拐點(diǎn)以外的次要影響區(qū)地表沉降保持在相對(duì)較小的水平。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻存在缺陷時(shí)，周邊沉降曲線較平緩，主要影響區(qū)的地表沉降隨遠(yuǎn)離基坑而衰減的速度較慢，地表沉降的影響范圍較無(wú)缺陷條件下更大。

(a) 無(wú)水平支撐

(a) 無(wú)水平支撐

由圖8可以看出，隨著降水深度的增加，因地下連續(xù)墻存在缺陷而導(dǎo)致的周邊地表沉降增量不斷增大，且無(wú)論是否有水平支撐，沉降增量曲線的形狀均為凹形。故在實(shí)際工程中可以通過(guò)逐次分層降水以減小單次水位降深，來(lái)減小潛在地下連續(xù)墻缺陷對(duì)周邊地表沉降的影響。對(duì)比圖8(a)、(b)可以看出，雖然在相同降水深度條件下地下連續(xù)墻缺陷引起的地表沉降增量最大值差距很小，但兩者峰值的位置卻有明顯區(qū)別。無(wú)水平支撐條件下，地下連續(xù)墻缺陷引起的地表沉降增量最大值位置距離基坑邊緣較近，且隨著降水深度的增加逐漸向遠(yuǎn)離基坑方向移動(dòng)。這意味著無(wú)水平支撐且降水深度較小時(shí)，地下連續(xù)墻缺陷引起的地表沉降增大影響范圍也較小。有水平支撐條件下，地下連續(xù)墻缺陷引起的地表沉降增量最大值位置不隨降水深度變化而變化，且距離基坑邊緣較遠(yuǎn)，與無(wú)支撐條件下降水深度為25 m時(shí)(降至上部含水層底部)一致。

(a) 無(wú)水平支撐

3 地下連續(xù)墻變形計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 止水帷幕無(wú)滲漏條件下基坑預(yù)降水引發(fā)地下連續(xù)墻側(cè)移

本節(jié)首先對(duì)地下連續(xù)墻無(wú)滲漏缺陷條件下基坑預(yù)降水引起地下連續(xù)墻側(cè)移進(jìn)行了模擬，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，基坑預(yù)降水引發(fā)的地下連續(xù)墻側(cè)移根據(jù)是否完成第1道水平支撐分為2種：無(wú)水平支撐條件下地下連續(xù)墻產(chǎn)生懸臂式側(cè)移，最大水平位移較大且發(fā)生在墻頂；有水平支撐條件下由于水平支撐的存在限制了地下連續(xù)墻頂部的側(cè)移，使地下連續(xù)墻產(chǎn)生兩端小中間大的鼓形位移，最大位移發(fā)生在深14 m處，且較無(wú)支撐情況下降水10、15、20、25 m分別減小了27.1 %、28.9 %、30.8 %、32.5 %。圖10為基坑預(yù)降水產(chǎn)生的地下連續(xù)墻彎矩，其中正彎矩表示基坑內(nèi)側(cè)受拉。由圖10可以看出，地下連續(xù)墻彎矩的反彎點(diǎn)位于上下兩層土的交界面處。無(wú)水平支撐條件下地下連續(xù)墻正彎矩區(qū)彎矩幅值較小，最大彎矩位于負(fù)彎矩區(qū)深28 m處；有水平支撐條件下地下連續(xù)墻彎矩最大值位于正彎矩區(qū)深7 m處，且對(duì)應(yīng)降水10、15、20、25 m的最大彎矩較無(wú)水平支撐條件下分別增大114 %、118 %、120 %、125 %。

(a) 無(wú)水平支撐

(a) 無(wú)水平支撐

3.2 止水帷幕有滲漏條件下基坑預(yù)降水引發(fā)地下連續(xù)墻側(cè)移

圖11為止水帷幕存在滲漏缺陷條件下基坑預(yù)降水引起的地下連續(xù)墻側(cè)移，其中降水深度設(shè)置為15 m，止水帷幕缺陷位置設(shè)置在地下深15 m處，缺陷尺寸寬度取0.1 m，長(zhǎng)度分別取0.5、1.0、2.0 m。由圖11可以看出止水帷幕滲漏缺陷并不會(huì)改變地下連續(xù)墻側(cè)移形式，且隨著滲漏缺陷尺寸增大地下連續(xù)墻位移逐漸減小。這是由于地下連續(xù)墻外側(cè)墻土界面處總壓力減小(即水平有效應(yīng)力σx′的增大小于孔隙水壓力pw的減小)造成的。因此止水帷幕存在滲漏缺陷條件下基坑預(yù)降水引起的地下連續(xù)墻側(cè)移稍小于無(wú)滲漏缺陷條件下地下連續(xù)墻側(cè)移。

(a) 無(wú)水平支撐

4 結(jié)論

① 止水帷幕無(wú)滲漏缺陷條件下基坑預(yù)降水引起的周邊地表沉降曲線形態(tài)分為拱肩形和凹形，其中降水前無(wú)水平支撐情況下為拱肩形，已完成第1道水平支撐情況下為凹形。且有水平支撐條件下降水引起的坑外地表沉降最大值小于無(wú)支撐狀況。地下連續(xù)墻存在滲漏缺陷會(huì)導(dǎo)致降水引起的地表沉降增大，但不會(huì)改變地表沉降曲線的形式。

② 止水帷幕存在滲漏缺陷的情況下隨著地下連續(xù)墻滲漏缺陷尺寸的增大和降水深度的增加，降水引起的周邊地表沉降也隨之增大。同時(shí)隨著降水深度的增加，因地下連續(xù)墻存在缺陷而導(dǎo)致的周邊地表沉降增量不斷增大。故在滿足工程需要的基礎(chǔ)上應(yīng)盡可能減少預(yù)降水階段的坑內(nèi)水位降深。

③ 止水帷幕無(wú)滲漏缺陷條件下基坑預(yù)降水引起的地下連續(xù)墻側(cè)移根據(jù)有無(wú)水平支撐分為懸臂式和鼓形，無(wú)水平支撐條件下地下連續(xù)墻最大側(cè)移發(fā)生在墻頂位置，有水平支撐條件下地下連續(xù)墻最大側(cè)移位置在地下連續(xù)墻中部且小于無(wú)支撐狀況。

④ 止水帷幕存在滲漏缺陷情況下基坑預(yù)降水引起的地下連續(xù)墻側(cè)移稍小于無(wú)滲漏情況，這是因?yàn)橹顾∧粷B漏缺陷的存在會(huì)引起坑外地下水位降低，使得基坑外部孔隙水壓力降低，而地下連續(xù)墻外側(cè)墻土界面處水平有效應(yīng)力的增大小于孔隙水壓力的減小，從而導(dǎo)致墻土界面處總壓力減小，故地下連續(xù)墻側(cè)移減小。

⑤ 由于本文所做的研究建立在廣西南寧市地鐵5號(hào)線廣西大學(xué)站基坑工程基礎(chǔ)之上，止水帷幕類型為落底式止水帷幕，故本文得到的止水帷幕存在滲漏缺陷條件下降水引發(fā)的基坑變形規(guī)律并不適用于采用懸掛式止水帷幕的基坑工程。針對(duì)懸掛式止水帷幕滲漏缺陷對(duì)基坑預(yù)降水過(guò)程的影響需要進(jìn)行另外研究。