飽和細(xì)砂地層基坑開挖水土壓力分布特征及水土分合算比較

商兆濤,汪文達(dá),周 剛,汪鵬程

(1.蕪湖市軌道(隧道)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站,安徽 蕪湖 241000; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

水土壓力是基坑工程的主要荷載,基坑支護(hù)合理設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一是準(zhǔn)確確定作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)面的水土壓力,水土壓力機(jī)理和計(jì)算方法等相關(guān)研究一直是巖土界追蹤的熱點(diǎn)[1-14]?；釉O(shè)計(jì)規(guī)程中規(guī)定計(jì)算土壓力有水土合算和水土分算2種模式。水土合算是在計(jì)算擋土結(jié)構(gòu)側(cè)的水土總壓力時(shí)將水和土的作用不加以區(qū)分,視為水土混合物的單一作用;而水土分算則是將水土壓力看成水壓力和土壓力分別作用的累加。水土合算和水土分算具有一定的適用范圍,不能一概而論。一般來說,在砂土、粉土等透水性良好的土層中適合用水土分算,而在黏土或粉質(zhì)黏土等透水性較弱的土層中一般多采用水土合算。在基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，如果土壓力計(jì)算方法不當(dāng),那么會(huì)造成較大的計(jì)算誤差,甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故。

本文以某深基坑工程為背景,以FLAC3D有限差分程序?yàn)橹饕治龉ぞ?結(jié)合背景工程實(shí)際工況,分析基坑開挖和支護(hù)施工效應(yīng),著重考察墻背水土壓力分布和變化特征,并對(duì)比研究水土分算和水土合算2種模式的差異。研究結(jié)果對(duì)加深土壓力理解和對(duì)基坑其他地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 總體概況

背景工程為某盾構(gòu)隧道的工作井基坑,該工作井基坑長度為23.1 m,寬度為43.4 m,基坑開挖深度為27.2 m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1.2 m地下連續(xù)墻加4道鋼筋混凝土撐和1道鋼管支撐,支撐豎向間距為6 m。連續(xù)墻長度50 m,嵌入中風(fēng)化粉砂巖約1 m?；訄龅氐孛矊匍L江中下游沖擊平原,基坑工程范圍場地現(xiàn)狀為農(nóng)田、蔬菜大棚、溝塘,周邊有少量1～2層磚瓦結(jié)構(gòu)民房。

1.2 工程地質(zhì)和水文情況

場區(qū)覆蓋層主要以第四系全新統(tǒng)長江沖(洪)積層為主,厚度為49～55 m,巖性呈較為典型的二元結(jié)構(gòu),以流塑狀淤泥質(zhì)土、稍密-中密狀粉、細(xì)砂為主,底部為基巖。地層從上往下依次為:地層0,素填土,松散,濕;地層1-1,淤泥,灰色,流塑,有臭味,含粉砂;地層1-2,粉質(zhì)黏土,灰黃色,軟塑-可塑,含少量鐵錳結(jié)核和粉粒;地層2-1,淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,灰色,流塑,含少量有機(jī)質(zhì),韌性低,干強(qiáng)度低;地層2-2,粉質(zhì)黏土,灰色,軟塑,夾少量粉砂薄層,韌性低,干強(qiáng)度低;地層3,粉土,灰色,稍密,飽和,含少量粉砂及粉質(zhì)黏土;地層5-1,粉砂,灰色-青灰色,飽和,松散,見云母碎片,局部夾粉土薄層,層厚2.0～6.4 m,標(biāo)貫擊數(shù)8;地層5-2,粉砂,灰色-青灰色,飽和,中密,見云母碎片,標(biāo)貫擊數(shù)12;地層5-3,粉砂,灰色-青灰色,飽和,中密,見云母碎片,標(biāo)貫擊數(shù)21;地層6,細(xì)砂,灰色,密實(shí),飽和,含少量云母碎片,標(biāo)貫擊數(shù)36;地層7-1-2,粉砂巖,紫紅色,強(qiáng)風(fēng)化,裂隙發(fā)育,巖芯多呈碎塊狀;地層7-1-3,粉砂巖,紫紅色,中風(fēng)化,粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu),鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié),薄層狀構(gòu)造,裂隙發(fā)育。

本場地地下水類型為松散巖類孔隙潛水。淺部的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土中孔隙潛水主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給；中部的粉細(xì)砂層中孔隙潛水補(bǔ)給來源以江水入滲為主；上部潛水入滲次之。

2 基坑數(shù)值分析模型及模擬方法

數(shù)值模型長度和寬度方向均取至連續(xù)墻以外100 m,深度取至自地表下65 m的范圍。模型頂面為自由邊界條件,四周為水平位移約束,底部采區(qū)水平和豎向位移約束。本研究中的所有圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用結(jié)構(gòu)單元,即地下連續(xù)墻采用襯砌單元,冠梁、角撐、對(duì)撐和圍檁均采用梁單元模擬?；油馏w采用分層開挖方法,每層土開挖至下一道支撐下2.0 m時(shí)設(shè)置支撐,支撐架設(shè)置完成后開挖下一層土方,如此往復(fù)直至開挖至設(shè)計(jì)基坑底標(biāo)高。各道支撐間距分別為0.5、6.0、6.0、6.0、6.0 m。建立數(shù)值分析模型如圖1所示,土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1所列。

圖1 盾構(gòu)井基坑數(shù)值分析模型

表1 主要巖土層物理力學(xué)指標(biāo)

為了探究基坑開挖過程中水土壓力分布變化特征及水土分合算的影響,本文在模擬時(shí)采用水土混合一體和水土分開處理2種模式,稱之為水土合算和水土分算。水土合算是在數(shù)值模擬過程中,水和土為均質(zhì)混合理想彈塑性材料,采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型,水土混合體材料重度取土體天然重度,強(qiáng)度指標(biāo)取總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo);水土分算時(shí)土體仍采用摩爾-庫倫理想彈塑性本構(gòu)模型,但地下水位以下土體重度取有效重度,強(qiáng)度指標(biāo)取有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。

本文模擬的重點(diǎn)是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)。眾所周知,飽和砂類土中孔隙水壓力對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)是百分之百傳遞的,相關(guān)基坑設(shè)計(jì)規(guī)程中對(duì)砂類土也建議采用水土分算法計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)水土壓力,因此以下數(shù)值模擬中水土分算結(jié)果為應(yīng)有結(jié)果,而水土合算結(jié)果為對(duì)照結(jié)果。

3 墻背水土壓力分析

3.1 沿深度分布特性

本文中水土壓力是FLAC3D有限差分程序模擬基坑開挖過程中和開挖結(jié)束后土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻的側(cè)壓力,是通過編制FISH程序提取獲得的。水土合算和水土分算模式下壓力-深度曲線如圖2所示。

圖2 合算和分算模式下水土壓力-深度曲線

從圖2可以看出,水土分算的總水土壓力在基坑開挖深度范圍內(nèi)總體接近直線型分布,而水土合算模式下水土壓力的分布型式大致分成3段,即淺部(大約5 m以內(nèi))直線段、中部(5～24 m)緩變段、深部直線段,其中，淺部的直線段和深部的直線段與水土分算的總水土壓力曲線很接近,數(shù)值偏大1.60～16.29 kPa;而中部的緩變段與水土分算的總水土壓力曲線差距較大,數(shù)值偏小24.30～100.80 kPa,最大偏差比率為38.2%。

土體不同深度處水土壓力構(gòu)成比例如圖3所示,從圖2、圖3可以看出,水土分算模式中,除了淺部以外,有效土壓力在總水土壓力中占比均小于水壓力;中部有效土壓力在總水土壓力中占比隨深度增加逐漸減小,靜水壓力占比隨深度增加而逐漸增大,深度超過24 m以下則有效土壓力在總水土壓力中占比隨深度增加而逐漸增大,同時(shí)靜水壓力占比隨深度增加而逐漸減小。

圖3 土體不同深度處水土壓力構(gòu)成比例

3.2 沿基坑長邊變化特征

基坑圍護(hù)墻后水土壓力沿圍護(hù)墻縱向的變化關(guān)系到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)沿縱向受力狀態(tài)和橫向支撐間距的合理設(shè)計(jì)，因此受到學(xué)者們的關(guān)注。水土合算和水土分算模式下不同標(biāo)高處水土壓力沿縱向的分布如圖4所示。

從圖4可以看出,沿基坑長邊同一深度總水土壓力并非完全相同,從長邊一個(gè)端點(diǎn)向另一個(gè)端點(diǎn)呈現(xiàn)出以長邊中截面對(duì)稱的先急速升高—緩慢減小—緩慢增加—急速減小的W形分布,以合算模式下深度16 m為例,總水土壓力從左端點(diǎn)的-102.42 kPa增加到離左端點(diǎn)3 m處的-161.29 kPa,增加57.48%,之后逐漸減小,到基坑長邊中點(diǎn)減小到最小值-123.33 kPa,減小23.53%。同樣以分算模式下深度24 m為例,總水土壓力從左端點(diǎn)的-180.74 kPa增加到離左端點(diǎn)6 m處的-216.83 kPa,增加19.97%,之后逐漸減小,到基坑長邊中點(diǎn)處減小到192.12 kPa,減小11.39%。到基坑端點(diǎn)部位水土壓力反而減小與基坑的幾何空間效應(yīng)有關(guān),由于空間效應(yīng)的作用,基坑的拐角部位位移一般小于基坑中間和其他部位,基坑拐角部位的應(yīng)力狀態(tài)也與其他部位有較大區(qū)別,拐角部位土體有一定的自平衡性,這種自平衡性導(dǎo)致該處土作用于連續(xù)墻墻背的土壓力減小。

圖4 水土合算和分算模式下水土壓力沿基坑長邊的變化

3.3 開挖工況對(duì)水土壓力的影響

各個(gè)開挖工況下地下連續(xù)墻墻背所受的水土壓力如圖5所示,圖5中,工況1～工況6分別為未開挖、開挖至第1層支撐下1.0 m、開挖至第2層支撐下1.0 m、開挖第3層支撐下1.0 m、開挖第4層支撐下1.0 m、開挖至坑底。

從圖5可以看出,總水土壓力隨著基坑開挖工況進(jìn)展而逐漸減小,淺部減小速率較小,而深部減小速率大于淺部,前5個(gè)工況減小速率相對(duì)比較均勻,而從工況5到工況6總水土壓力減小幅度相對(duì)較大,減小幅度最大區(qū)域位于深度為20～30 m,即從基坑坑底以上8 m到坑底以下2 m左右。圖5中顯示的連續(xù)墻背后總水土壓力隨開挖土體向下開挖而逐漸減小,這是由于隨著基坑內(nèi)的土體被逐漸挖除,圍護(hù)墻在墻后水土壓力作用下向基坑內(nèi)方向(即朝遠(yuǎn)離土體方向)偏移,墻后土體受連續(xù)墻的支承力減小,土體抗剪強(qiáng)度逐漸得到發(fā)揮,表現(xiàn)出土體作用于連續(xù)墻背的水土壓力減小。實(shí)際上連續(xù)墻背水土壓力隨土方開挖而逐漸減小的過程,就是其水土壓力由靜止土壓力向主動(dòng)土壓力過渡演變的過程,這與土力學(xué)中土壓力的基本原理相符合。

圖5 不同開挖工況下的水土壓力

4 地下連續(xù)墻變形分析

由于篇幅限制,本文只展示基坑開挖至坑底時(shí)的地下連續(xù)墻在長邊中截面、距中截面6、12、18 m的水平位移隨深度的分布情況。水土合算和水土分算模式下的連續(xù)墻水平位移曲線如圖6所示。

從圖6可以看出,水土合算和水土分算2種模式得到的連續(xù)墻水平位移沿豎向分布規(guī)律相同,連續(xù)墻墻體水平位移從淺部往深部,隨深度增加而增大,增長速率隨深度遞增,到接近坑底附近增長速率放緩。墻體水平位移最大值出現(xiàn)在坑底附近處。

從圖6還可以看出,水土分算模式下墻體最大位移值為5.71 cm,而水土合算模式下墻體最大位移值為3.68 cm,比水土分算模式小35.5%。

圖6 地下連續(xù)墻不同截面處的水平位移

5 地下連續(xù)墻應(yīng)力分析

地下連續(xù)墻是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要部分,其應(yīng)力狀態(tài)是基坑支護(hù)工作性態(tài)和基坑安全狀態(tài)的重要體現(xiàn)。本文采用FLAC3D模擬時(shí)地下連續(xù)墻用liner結(jié)構(gòu)單元模擬,除了能很好地模擬連續(xù)墻的膜應(yīng)力效果和彎曲應(yīng)力效果外,還能客觀地表現(xiàn)連續(xù)墻與土體雙面接觸的特性?？紤]到篇幅有限,本文僅展示受力最不利部位即連續(xù)墻長邊中點(diǎn)處的內(nèi)、外側(cè)表面最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力,如圖7所示。

從圖7可以看出,水土合算模式計(jì)算的連續(xù)墻主應(yīng)力均小于水土分算,其中內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力值最大點(diǎn)偏小39.7%,最小主應(yīng)力值最大點(diǎn)偏小20.4%,外側(cè)最大主應(yīng)力最大點(diǎn)偏小21.9%,最小主應(yīng)力值最大點(diǎn)偏小23.0%。另外,從圖7還可以看出,連續(xù)墻內(nèi)側(cè)主應(yīng)力分布規(guī)律為深度10 m以下、20 m以上的中部部位呈現(xiàn)較大的最小主應(yīng)力,20～35 m深部呈現(xiàn)較高的最大主應(yīng)力;連續(xù)墻外側(cè)主應(yīng)力分布規(guī)律為深度10 m以下、20 m以上的中部部位呈現(xiàn)較大的最大主應(yīng)力,20～35 m深部呈現(xiàn)較高的最小主應(yīng)力。

圖7 連續(xù)墻中截面內(nèi)側(cè)和外側(cè)主應(yīng)力沿深度的分布

6 結(jié) 論

本文以某基坑工程為基礎(chǔ),建立細(xì)砂地層中基坑開挖和支護(hù)FLAC3D數(shù)值分析模型,并施行額外施加水壓和不額外施加水壓2種方式下分別模擬水土分算和水土合算,著重研究連續(xù)墻背水土壓力分布特征和連續(xù)墻應(yīng)力、變形性態(tài),并進(jìn)行水土合算和水土分算結(jié)果對(duì)比,得出如下結(jié)論:

(1) 飽和砂類土基坑地連墻墻背總水土壓力在開挖深度以上近似成直線分布,即水土壓力隨深度增加近似線性增加;若按水土合算方法，則實(shí)際上低估了作用于墻背的水土壓力。

(2) 連續(xù)墻中深部其有效土壓力在總水土壓力中占比隨深度增加逐漸減小,而靜水壓力占比隨深度增加而逐漸增大。24 m以下則有效土壓力占比隨深度增加而增大,靜水壓力占比隨深度增加而減小。

(3) 隨著基坑向下開挖,連續(xù)墻墻背水土壓力有緩慢減小趨勢,水土合算模式減小更明顯;從基坑端點(diǎn)向中間同一深度墻背總水土壓力緩慢減小,到基坑邊中間達(dá)到最小。

(4) 連續(xù)墻墻體水平位移從淺部往深部隨深度增加而增大,增長速率也隨深度遞增,到接近坑底附近增長速率放緩,墻體水平位移最大值出現(xiàn)在坑底附近處,水土合算模式計(jì)算連續(xù)墻變形值小于水土分算。

(5) 連續(xù)墻內(nèi)側(cè)最小主應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)分布在深度為10～20 m的中深部,最大主應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在20～35 m的深部;連續(xù)墻外側(cè)最小主應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在20～35 m深部,最大主應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)分布在深度10 m以下、20 m以上的中部部位。