排水边界条件影响下闸室基坑开挖支护算例分析

(河南省水利水电学校，河南 郑州 466001)

排水边界条件影响下闸室基坑开挖支护算例分析

李文奇陈法兴

(河南省水利水电学校，河南 郑州 466001)

本文在总结概括国内外基坑开挖支护方法及数值模拟分析应用现状的基础上，探讨了不同本构模型、不同方向开挖释放荷载及排水边界条件对基坑开挖的影响，进而结合水闸基坑实际情况，开展连续防渗墙支护基坑情况下渗流-应力耦合数值模拟分析。

基坑开挖；本构模型；支护；数值模拟

1 工程概况

河南省淮阳县清水河毛寨节制闸基坑在河道中开挖，由于两侧地下水水位较高，故采用混凝土连续防渗墙作为防渗及支护的结构，如图1所示。防渗墙沿x方向(顺河)连续布置，总跨度118m，y方向(横河)最大跨度61.2m，上下游两侧y方向跨度41.2m。地下防渗墙位于地下1.7m处，深度28m。防渗墙浇筑完成后进行基坑开挖工作。防渗墙x方向包围基坑宽度36m。

基坑开挖共分为四级，分别为3.4m、3m、2.5m和1.5m。基坑开挖边界与防渗墙间距离y方向(横河)平均为10m、x方向(顺河)为3m。基坑开挖过程中采用集水井进行抽排工作降低地下水水位。基坑开挖与防渗墙相对位置如图1所示。该水闸地层岩性主要包括淤泥质黏土、砂壤土、粉质黏土、黏土和少量中细砂，其中前三种厚度不大，分别为4.0m、3m和3.4m，以下土层为黏土、中细砂和粉质黏土的混合结构。

图1 水闸基坑与防渗墙几何模型

2 计算工况与计算模型

考虑计算区域模型x、y、z方向尺寸分别为198m、122m和50m，建立三维计算模型，单元类型为C3D8P，共22815个单元，如图2所示。假定地下水水位主要集中在y方向两侧，且与地表齐平，设置为第一类水力边界条件；四周为法向约束条件，底部为三向约束条件。基坑开挖x、y方向尺寸为30m和42m，分四级开挖。基坑土体分为四层，采用摩尔库伦理想弹塑性本构模型，防渗墙采用理想弹性模型，为C25混凝土，计算参数见表1。

数值模拟计算的步骤：首先进行防渗墙存在情况下包含孔隙水压力的初始地应力场平衡，然后进行四级基坑开挖计算，在此过程中每进行一级开挖，基坑的表面区域均设置为第一类排水边界条件。

图2 有限元网格

表1 三维模型计算参数

3 计算结果分析

从图3和图4可以看出，开挖完成后，以y轴正向为正北方向，基坑底部的南部、东部和西部出现了一定范围的拉应力区，而北部没有出现；基坑的底部中间和中上部约束效应最小，因此应力释放较明显。地下水水位在集水井抽排的作用下有了明显的降低。

从图5可以看出，基坑开挖完成后，x方向基坑的最大位移出现在基坑的东西方向下部，西部的水平位移最大值为4.398cm，东部的水平位移最大值为4.367cm。y方向基坑的最大位移出现在基坑的中下部，由于两侧防渗墙距离基坑不一致，导致最大位移有一定差别，北部的水平位移为5.391cm，南部的水平位移为5.063cm。

图3 基坑开挖完成后最大和最小主应力云图

图4 基坑开挖完成后孔隙水压力云图

图5 基坑开挖完成后x、y方向位移云图

图6 基坑分步开挖完成后z方向位移云图[(a)、(b)、(c)、(d)分别为1、2、3、4开挖步]

从图6可以看出，随着基坑开挖的进行，基坑底部位移逐渐增大，最终达到0.1m的数量级。从基坑中部取两个水平方向(南北向和东西向，以北和东为基准)的位移作为监测点进行位移监测，如图7所示。从图中可以看出，东西向和南北向监测断面的的回弹值均呈现出中间大、两侧小的趋势。开挖的深度越大，位移的增量越大。坑底最终回弹值最大为18.42cm，按照《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497—2009)的要求，该基坑应该按照支护级别最高的要求进行支护。

图7 基坑分步开挖过程中基坑z方向南北向和东西向监测断面位移曲线

图8 防渗墙结构开挖过程中垂直河向位移云图[(a)、(b)、(c)、(d)分别为1、2、3、4开挖步]

图9 防渗墙最终最大主应力和最小主应力云图

从图8可以看出，随着基坑开挖的进行，防渗墙结构垂直河向位移逐渐变大，且逐渐下移，且主要集中在基坑周边区域，最终防渗墙结构的垂直河向位移最大值为4.42cm，位于南部防渗墙中部下方中间位置，属于支护级别最高的要求。从图9可以看出，在基坑开挖完成后防渗墙的顶部附近出现一定的拉应力区，最大值位于墙体转折处，但应力值不大，为0.027MPa，最小主压应力也出现在墙体顶部附近，最大主压应力为0.67MPa，因此可以不用配筋即满足要求。

4 小 结

计算结果表明，随着基坑开挖进行，基坑底部的回弹位移逐渐增大，回弹值均呈现出中间大、两侧小的趋势；防渗墙结构垂直河向位移随着基坑的开挖逐渐向结构下方移动，自身结构应力满足要求。

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Analysisonfoundationpitexcavationsupportundertheinfluenceofdrainageboundaryconditions

LI Wenqi, CHEN Faxing

(HenanWaterConservancyandHydropowerSchool,Zhengzhou466001,China)

In the paper, domestic and foreign foundation pit excavation support methods and numerical simulation analysis application status quo are summarized. On the basis, the influence of different constitutive models, excavation release load at different directions and drainage boundary conditions on foundation pit excavation is discussed. Therefore, the practical condition of water sluice foundation pit is combined for numerical simulation analysis of seepage and stress coupling under continuous diaphragm wall support foundation pit condition.

foundation pit excavation; constitutive model; support; numerical simulation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.011.004

TV662

B

1005-4774(2017)011-0017-06