承压水作用下深基坑突涌稳定性及其参数影响分析

张　飞　李镜培　沈广军

(1.盐城工学院土木工程学院,盐城 224051;2.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;

3.同济大学岩土及地下工程教育部重点试验室,上海 200092)



承压水作用下深基坑突涌稳定性及其参数影响分析

张飞1,2,*李镜培2,3沈广军1

(1.盐城工学院土木工程学院,盐城 224051;2.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;

3.同济大学岩土及地下工程教育部重点试验室,上海 200092)

摘要建立了软土深基坑抗突涌判断的弹塑性有限元数值分析模型,分析承压水位作用下的坑底突涌稳定性与基坑变形性状,并将抗突涌稳定性数值计算结果与现有理论分析方法作比较,验证数值计算的合理性。在此基础上,对影响抗突涌稳定性的承压水头、隔水层厚度、土体强度等因素进行参数分析,探讨围护墙水平位移与坑底回弹隆起的变化规律。分析结果表明:数值计算方法可以考虑坑底隔水层实际受力条件与土体强度对突涌稳定性的影响,较传统方法更为合理。随着承压水头的降低、坑底隔水层厚度的增加与土体抗剪强度的增强,基坑围护墙水平位移与坑底的回弹隆起逐渐减小。工程中应综合考虑采用多种措施,提高深基坑的抗突涌稳定性,达到经济合理的安全措施。

关键词深基坑, 黏性土, 突涌稳定性, 参数分析

Htdraulic Heave Stability of Deep Founadtion Pit UnderConfined Water and Its Parameter Analysis

ZHANG Fei1,2,*LI Jingpei2,3SHEN Guangjun1

(1.School of Givil Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng 224051,China; 2.Department of

Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;3.Key Laboratory of Geotechnical

and Underground Engineering of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China)

AbstractNumerical models of a deep braced foundation pit under confined water were established by elastic-plastic finite element method, the hydraulic heave stability and deformation of retaining wall at different excavation depths and confined water levels were investigated. In addition, the computed stabilities were compared with the existing theoretical analysis method. On this basis, the numerical models of different groundwater level, thickness of clay aquiclude, soil strength and other factors were computed to evaluate horizontal displacement of retaining wall and uplift rebound of the pit bottom. The results illustrate that: the actual force situation and cohesive soil strength of excavation bottom clay aquiclude can be well considered by numerical method, and computed results would be consistent with actual foundation pit stability. Retaining wall horizontal displacement and foundation pit bottom rebound decrease with the decline of confined water level, increase of clay aquiclude thickness and enhancement of soil shear strength. Comprehensive measures should be adopted to improve the hydraulic heave stability of the actual deep foundation pit, achieve economical and reasonable foundation pit security measures.

Keywordsdeep foundation pit, cohesive soil, hydraulic heave stability, parametric analysis

1引言

近年来,随着城市高层建筑与地铁交通的不断发展,出现了大量的深大基坑工程,开挖深度己接近或达到承压含水层。深基坑在高承压水头作用下,更容易产生坑底突涌、管涌及土层大量隆起回弹[1]等问题,引起严重的安全事故。一般情况下,基坑抗突涌稳定性分析采用基于极限平衡原理的“压力平衡法”,并且采用管井降水的方法降低压力水头,提高基坑的稳定性。“压力平衡法”[2]的假设是基坑突涌的极限状态,只考虑隔水层和隔水层上部的土层重度抵抗承压水顶托力的作用,但实际工程监测表明,突涌水位时基坑并未产生突涌破坏,计算较为保守。工程中将造成大面积大深度地降低承压水位,影响工程经济性的同时也引起基坑周围地面的沉降[3]。为此,一些学者采用考虑土体强度的方法计算坑底隔水层厚度,如均质连续梁板法[4-5]和均质连续体法[6-7],其考虑隔水层与围护结构的作用力以及隔水层地面的黏聚力等对抗突涌的有利作用,预测的隔水层厚度较符合工程实测的现象。但在承压水作用下基坑底大量隆起回弹与围护结构侧移变形,土体实际状态与理论假设条件存在一定的差异[8],要想详细地分析承压水作用条件对基坑突涌稳定性与变形性状的影响,还需进行现场实测或有限元数值方法[9-10]的系统模拟分析。由于基坑突涌是破坏性试验,基坑开挖现场难以进行破坏性试验,笔者曾设计离心模型试验分析黏性隔水层基坑的突涌稳定性与基坑变形性状[11],本文将针对软土地区的地铁车站基坑实例,建立抗突涌分析模型。探讨承压水作用下的基坑突涌与变形的影响,并对基坑底承压水头、隔水层厚度、土体强度等因素进行参数影响分析,探讨围护结构水平位移与坑底回弹隆起的变化规律。

2深基坑工程背景

上海某紧邻地铁枢纽[12]的深基坑工程,开挖深度19.55 m,已接近承压水层。场地南侧为4号线西风井与世纪大道枢纽站一出入口,北侧为设备区等主要建筑物,距基坑东边约35.0 m的一侧为六层民居及临街商铺,距基坑西边约55.0 m一侧为高层民居,地铁6号线区间隧道从场地中部穿越。该基坑周围环境相当复杂,综合基坑开挖实际情况和周边环境保护的要求,本工程基坑保护等级为一级。

基坑影响深度范围内,地基土层自上而下分布依次为:②褐黄～灰黄色粉质黏土,③、④层灰色淤泥质土,⑤灰色粉质黏土,⑥暗绿～草黄色粉质黏土,⑦1草黄～灰黄色粉砂夹砂质粉土与⑦2灰黄色粉细砂。基坑开挖与场地土层的深度关系如图1所示。

图1　基坑开挖与土层分布关系Fig.1　Correlation of excavation of foundation pit and soil layers

3突涌数值模型的建立

3.1　数值模型与材料参数

根据一般地铁基坑的特点,数值分析的基本模型基坑开挖宽度取22.0 m,开挖深度取20.0 m,坑底隔水层为第⑥层粉质黏土,厚度取4.0 m,沿深度方向设4道钢支撑。地下连续墙厚度为1.0 m,轴向刚度为EA=3.0×107kN/m,抗弯刚度EI=2.5×106kN/m2,支撑轴向刚度

EA=5.96×106kN,围护墙与土体接触面的强度折减系数为Rinter=0.7。建立平面应变模型进行模拟分析,在模型的左右边界约束水平位移,底部约束水平和垂直位移,生成的模型网格如图2所示,模型的左上角坐标为(0,0)。

图2　基坑分析模型有限元网格Fig.2　Finite element mesh of foundation pit model

根据土层性质及厚度分布的特点,为了便于参数影响分析,本模拟对土层进行适当简化,将②～⑤层概化为黏性土层,⑦1和⑦2进行合并,为承压含水层。上覆的第⑥或第⑤层黏性土层,其现场注水试验渗透系数为1×10-7~1×10-5cm/s,合理的坑内降水疏干,可视其为良好的隔水层,基本模型取该层厚度为4.0 m,符合实际基坑[13]的地质和水力条件。土体采用高精度的15结点三角形单元来模拟,数值计算的土体参数如表1所示。

表1突涌数值计算的土体参数

Table 1　Properties of soil layers for the numerical analysis

3.2　开挖与降水模拟方案

基坑开挖第一层土到支撑底位置,然后设置支撑并进行下一层土体的疏干降水,模拟实际基坑的开挖与支护施工过程。第⑦层承压水层初始水位为-10.0 m,经“压力平衡法”初步计算,在开挖深度17.0 m时改变水压分布,模拟承压水位的降低。本文分别建立最终承压水位为hw=-22.0 m,-20.0 m,-18.0 m,-16.0 m,……的数值模型,分析基坑逐步开挖到坑底-20.0 m时的隔水层土体的突涌稳定状态,并对比各水位工况下的基坑变形性状。

4承压水作用下的基坑稳定性

4.1　突涌破坏状态

各级承压水位作用下,基坑底土体剪切应变从围护墙内侧向深度处扩展,在隔水层与承压含水层界面处,体积应变逐渐积聚,基坑内产生大量的隆起回弹。当承压水位施加到-14.0 m,开挖到第四层土体(深度17.0 m)时,坑底隆起回弹数值达91.3 mm,进行开挖到基坑底(深度20.0 m)的计算时,数值计算缓慢,且未达到最大加载步数而土体先破坏,计算中断并在记录信息框提示“未达到预设的最终状态！土体破坏”。此时隔水层底面与承压含水层脱离,基坑底突涌应变状态分布如图3所示。

图3　基坑底突涌应变机制Fig.3　Hydraulic uplift mechanism ofsoft clay foundation pit

从图中可以看出,开挖第5层土体过程中,隔水层土重不足以抵抗下方承压水顶托力,在其与承压含水层界面处产生持续发展的裂缝,并在整个基坑底面贯通发展,使两层土之间脱离,即基坑发生整体顶升破坏。从图3(a)可以看出,剪切应变在基坑围护墙内侧与坑底发展,基坑整个隔水层产生了较大的隆起回弹;从图3(b)可以看出,隔水层体积应变主要集中在隔水层与承压含水层界面处,承压水压力的楔裂作用使坑底顶升回弹,表明承压水压力使隔水层土体呈现悬浮状态。基坑在剪切与楔裂两种作用机制下发生顶升突涌破坏。

4.2　地下连续墙水平位移

为了分析承压水头对围护结构水平位移的影响,将各级承压水位作用下的墙体水平位移与无承压水情况作对比,各情况的地下连续墙水平位移形态如图4所示。

图4　围护墙水平位移Fig.4　Horizontal displacement of retaining wall

从图中可以看出,无承压水头作用时,墙体位移最小,随着承压水头的逐渐升高,围护墙水平位移逐渐增大,当承压水头为-20.0 m与-16.0 m时,墙体水平位移分别增加了12.5%和50.0%。此外,随着承压水头的升高,墙体水平位移最大的点深度也逐渐降低,围护墙水平位移向墙体底端发展,基坑稳定性将降低。实际工程中承压水头有可能使基坑发生类似踢脚模式的破坏,产生严重的后果。

4.3　坑底土体隆起回弹

各水位工况作用下,坑底土体顶面以下0.5 m(标高为-20.5 m)的隆起回弹状态如图5所示。

图5　坑底土体隆起回弹Fig.5　Uplift of foundation pit bottom

从图中可以看出,无承压水作用时,坑底土体隆起回弹最小,随着承压水位的升高,坑底隔水层表现为逐渐增大的回弹变形。在平面上的隆起回弹分布为,基坑中央部位的隆起量最大,围护墙两侧的土体隆起量小。当承压水头增加到临近突涌水位时,坑底回弹变形达225.1 mm,为无承压水头时变形的2.52倍,此时基坑在承压水作用下,坑底回弹隆起与墙体变形均很大,实际土体中将产生层状裂纹,坑内土体渗水突涌破坏。

4.4　抗突涌稳定性

抗突涌分析中,最常见的是压力平衡法,其主要考虑基坑底隔水层及其上土体自重来抵抗承压水压力,达到坑突涌稳定状态。计算公式为

(1)

式中,Fs为基坑底抗突涌安全系数;γ为隔水层及其上覆土体的重度;t为隔水层及其上覆土体的厚度;γw为水的重度;hw为承压含水层的压力水头。

考虑坑底隔水层土体强度的一类抗突涌分析方法,比较典型的是均质连续体法[6-7],其假设承压水突涌沿着坑底四周发生整体顶升破坏,黏性隔水层土体四周的抗剪强度和底部黏聚力来抵抗承压水的顶托力,安全系数计算公式为

(2)

式中,k为基坑底土体侧压力系数,可取静止土压力系数;η为考虑接触面缺陷和裂隙软化等不利因素对黏土隔水层的黏聚力折减系数,由离心模型试验与工程实例统计分析取η=0.3~0.6;hw为承压水头的高度;γm为隔水层及上覆土体的加权平均重度,其他符号含义见文献[7]。

为了验证本数值计算的合理性,将模型参数分别带入式(1)和式(2),计算抗突涌安全系数,取η=0.3。各承压水头作用下基坑的抗突涌稳定安全系数如表2所示。

从表中的计算结果可以看出,本文计算的坑底突涌稳定性与均质连续体法的结果较为接近,较合理地考虑了隔水层侧周土体的抗剪强度和底面黏聚力等对抗突涌稳定性的有利影响。压力平衡法计算考虑的是极限状态,其结果与工程实际突涌发展过程中的观测结果及数值分析有差别,原因也是基坑突涌渐进发展过程中,土体强度参与作用的结果。

表2基坑抗突涌稳定性

Table 2　Hydraulic heave stability of foundation pit

5抗突涌稳定性的参数影响分析

前面分析了黏性土体隔水层的突涌机制,总结了不同水位工况下的围护墙水平位移与坑底隆起回弹分布规律,以下将探讨承压水头、坑底隔水层厚度及土体强度等因素对墙体最大水平位移和坑底中心回弹量的影响。为了便于结果统计与分析对比,采用无量纲化的方法来表征基坑变形量,即采用墙体水平位移与开挖深度的比值(δhm/H)、坑底中心回弹与开挖深度的比值(δum/H)的变化规律来分析各因素对基坑突涌稳定性的影响。

5.1　承压水头的影响

各级承压水位作用下,开挖到第四道支撑底(H=17.0 m)与开挖到坑底(H=20.0 m)的围护墙无量纲化最大水平位移如图6(a)所示,坑底无量纲化最大回弹位移如图6(b)所示。

图6　承压水头对δhm和δum的影响Fig.6　Influence of confined water level on δhm and δum

从图6(a)可以看出,随着承压水位从-22.0 m逐渐升高,围护墙水平位移基本呈线性增大的趋势,且开挖到坑底20.0 m的位移大于第四步开挖步的水平位移;从图6(b)可以看出,坑底中心的无量纲回弹也表现出相似的变化规律。承压水头越高,围护墙水平位移和坑底回弹的位移越大,抗突涌稳定性越来越低;同时,较高的承压水头使相同开挖步下的变形增量加大,基坑更容易产生稳定与突涌事故。

5.2　坑底隔水层厚度的影响

为研究隔水层厚度对突涌稳定性的影响,将计算模型的黏性土层作一定的修改,设置承压含水层顶面标高分别为-24.0 m,-25.0 m,…,-30.0 m,即隔水层厚度分别为4.0 m,5.0 m,……进行计算。承压水头为-20.0 m与-16.0 m时,各土层条件下的围护墙水平位移和坑底中心回弹变化规律如图7所示。

图7　隔水层厚度对δhm和δum的影响Fig.7　Influence of aquiclude thickness on δhm and δum

从图7中可以看出,围护墙水平位移和坑底中心回弹与坑底隔水层厚度呈反比关系,即坑底隔水层越薄,围护墙水平位移越大,坑底隔水层的隆起回弹越高;相反,坑底隔水层越厚,承压水对突涌稳定性的影响越弱,墙体水平位移和坑底隆起回弹的变形量越小,基坑开挖越安全。因此,对于承压水头比较高的基坑,设计开挖深度宜尽量减小,从而相应增大坑底隔水层的厚度,确保基坑底的抗突涌稳定性。

5.3　隔水层土体抗剪强度的影响

1) 黏聚力的影响

基坑底黏性土体隔水层的抗剪强度对抗突涌稳定性发挥重要的作用[11,14]。工程上,处理承压水突涌的一种有效措施就是采用深层搅拌或注浆等措施加固坑内土体形成水泥土,使其黏聚力和模量有较大增长,提高基坑抗突涌稳定性。本数值计算为了研究隔水层土体黏聚力c对抗突涌稳定性的影响,建立的基坑模型参数为:土体内摩擦角φ=20.0°,隔水层厚度为4.0 m,承压水头为-20.0 m和-16.0 m。不同黏聚力条件下,墙体无量纲化最大水平位移的变化规律如图8(a)所示,坑底中心无量纲化最大回弹位移变化规律如图8(b)所示。

从图中可以看出,随着隔水层土体黏聚力的逐渐增大,墙体水平位移和坑底中心回弹近似非线性地降低,黏聚力越大,坑底中心的隆起回弹越小,基坑抗突涌稳定性也越高。承压水头越高,坑底隔水层强度降低墙体水平位移的趋势越显著。由此可见,采用坑底加固措施改善土体的抗剪强度特性,可以有效地提高基坑的抗突涌稳定性,降低围护墙的水平位移,减少基坑开挖对周围环境的影响。

2)摩擦角的影响

为分析隔水层土体内摩擦角φ对突涌稳定性的影响,建立坑底隔水层厚度为4.0 m,黏聚力c=20.0 kPa,承压水头分别为-20.0 m和-16.0 m的计算模型,不同内摩擦角条件下的围护墙无量纲化最大水平位移和坑底中心无量纲化最大回弹位移变化规律如图9所示。

图8　隔水层土体黏聚力对δhm和δum的影响Fig.8　Influence of soil cohesion on δhm and δum

图9　隔水层土体内摩擦角对δhm和δum的影响Fig.9　Influence of soil internal friction angle on δhm and δum

从图中可以看出,内摩擦角较小时,墙体水平位移与坑底隆起回弹均较大,坑底为饱和软黏土(φ=0)时,基坑变形较大而稳定性较低,容易产生破坏事故。随着隔水层土体内摩擦角的增大,墙体水平位移和坑底中心隆起回弹呈非线性的降低;并且,相对于土体黏聚力c,内摩擦角φ对突涌变形状态的影响更为显著,即较小的内摩擦角增量将引起较大的墙体水平位移和坑底中心回弹的降低。但当土体内摩擦角φ>30°时,其对基坑变形和突涌稳定性的增长作用趋势变缓。

6结论

(1) 承压水作用下,黏性隔水层基坑突涌变化过程为,随着承压水头的升高,围护墙水平位移与坑底土体隆起变形逐渐增大,隔水层与承压含水层界面处应变逐渐发展,基坑底面在剪切与楔裂机制作用下发生整体顶升破坏。

(2) 影响基坑突涌稳定性与变形状态的因素有:承压水头、隔水层厚度、隔水层土体抗剪强度等,工程中可以采用降低承压水位、增加隔水层厚度以及坑内土体加固等措施来提高基坑的抗突涌稳定性,减少围护墙变形及其对周围环境的影响。

(3) 基于塑性破坏的抗突涌数值分析法,可以较直观地分析承压水基坑的开挖、降水施工稳定性形状,讨论承压水头和开挖支护参数等对抗突涌稳定性与墙体变形的影响,为承压水作用下复杂深基坑抗突涌稳定性分析、制定开挖、降水与土体加固方案等措施论证提供了较好的分析手段。

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基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(41402270);江苏省科技计划前瞻性联合研究项目(BY2014108-26)

收稿日期：2015-07-03

*联系作者， E-mail:zhangfeitj@foxmail.com