基于ABAQUS的微承压水引发基坑突涌的模拟分析

蒋邵轩 钱玉林 贵季嵘 曹 炜 许奇新

(扬州大学 岩土工程研究所,扬州 225127)

随着城市化进程的发展,我国的各大城市进入了开发利用地下空间的高速发展期,如今,基坑工程的规模之大、数量之多都是前所未有的.承压水情况的不易确定性导致了近年来深基坑工程中承压透水事故的频发.

承压水对基坑工程的危害,规范中明确规定的只有坑底抗突涌一种.事实上,富水软土地区基坑的开挖深度一般大于潜水水位的埋深,通常均设置有止水、挡土的围护结构,所以,承压水对基坑工程的危害可以具体分为以下3大类:基坑的渗流破坏,一般包括坑底突涌、坑侧渗漏、底侧突涌;坑外地层的沉降,降低承压水头引起坑外地层的沉降是必然的,尤其是对于上覆土层透水性较好、降深较大的工程,承压水降压诱发的沉降问题不容忽视;坑内被动区有效应力的降低.坑底承压含水层未降压时,随着基坑开挖深度的加深,覆土重力逐渐降低,导致上覆总应力下降,在承压水头作用下,会使得有效应力降低.

姜耀东等[1]以峰峰矿区九龙矿深部承压水层中开采工作面底板为研究对象,进行回采过程中顶、底板破断失稳特征的相似模拟试验,得出相应的应力、位移场变化规律.底板岩体受力状态为采前增压,之后卸载,最后恢复,此过程在工作面推进中反复出现,导致底板岩体容易出现剪切而发生破坏.底板随着工作面回采,整体上移,且随着回采距离增大,底鼓量也越大,并在垂直方向表现为明显的“三带”特征.

在动力扰动方面,左宇军等[2]在突变理论的基础上,通过理论分析,得出不同动压会对承压水底板关键层结构产生不同的影响,发生弹性振动、稳定破坏、突然断裂或失稳等多种变形形式的结论.

近年来,许多学者[3-5]针对深基坑工程中的承压水问题,考虑了坑底隔水土层的抗剪强度,提出了各种计算理论以满足工程计算需要.《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)也针对有承压水影响的基坑工程,规定了渗流稳定性验算[6].

2 工程概况

2.1 工程简介及特点

拟建项目包括地下二层停车库、地下通道、箱涵工程,其中,地下二层停车库位于荷花池湖底以下,最大长约168.5m,最大宽约159.6m,平面呈多边形,建筑物的具体形状见基坑平面布置图.基坑面积约1.49万m2,基坑周长约538m,基坑深度10.9m.根据《工程地质手册》,该基坑属于深基坑.基坑三侧环绕驳岸,西侧为开阔的湖面;北侧为公园驳岸,地面标高5.48m～6.61m;东侧为荷花池路路堤挡墙及桥台,路面标高7.22m～7.60m;南侧为荷花池南街路堤挡墙,路面标高约7.38m.荷花池湖平均水位5.02m,历史最高水位5.70m,常年平均水位5.00m.基坑支护结构平面布置图见图1所示.

图1 基坑平面布置图Fig.1 Foundation pit layout

2.2 工程地质条件

根据本工程场地岩土工程勘察报告,在勘察深度范围内场地土层自上而下分可为以下6层,见表1.表中λ为NCL线在v-lnp′平面中的斜率;κ为卸载曲线在v-lnp′平面中的斜率.

表1 土层分布及物理力学参数Table 1 Soil distribution and physical and mechanical parameters

2.3 基坑施工中出现的安全隐患

在基坑工程的施工中,开挖11-M轴局部区域时,出现了涌水现象,表明场地土层中存在承压水,承压水头高于基坑垫层底部,不仅对该区域地下室的正常施工产生较大影响,也对该区域的地基土造成了较大的扰动,见图2所示.

图2 基坑突涌示意图Fig.2 Pit inrush schematic

根据勘察报告提供的地质信息,初步判定为第四层中粉质粘土区域性连续分布,形成相对弱透水层,由于基坑降水产生坑内外水头差,导致下覆含水层表现出一定的承压性;同时,基坑开挖减小了承压水上覆土层的自重,降低了坑底抗突涌稳定性;结合实际施工情况,现场仍留有地质勘察未封堵的探孔,削弱了土层的整体强度,加速了基坑涌水的发生.

依照《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)[6]中对渗流稳定性验算的说明,结合实际工程情况,本基坑属于坑底以下承压含水层水头高于坑底,且止水帷幕未隔断基坑内外水力联系的情况.按下式对坑底土体的突涌稳定性进行验算:

(1)

式中,Kh为突涌稳定安全系数且大于等于1.1;D为承压水含水层顶面至坑底的土层厚度,m;γ为承压水含水层顶面至坑底土层的天然重度,(kN·m-3);hw为承压水含水层顶面的压力水头高度,m;γw为水的重度,(kN·m-3).

经计算Dγ/hwγw=0.876<1.1,表明承压水的顶托力大于上覆土层土体自重,无法满足坑底土体抗突涌的要求.由于坑底土层具有一定抗剪强度,场地内粉质粘土区域性连续分布,且式(1)未考虑基坑平面尺寸对突涌的影响[7],本工程基坑也未出现大面积的坑底突涌现象,仅在土层强度薄弱处(未封堵勘探孔)发生了突涌,这与实际发生的突涌情况是一致的.

3 减压方案设计及数值模型

3.1 减压方案设计

基坑工程中对承压水引起的坑底突涌治理方案,主要分为基坑加固和基坑降水两种,针对本工程施工特点及现场情况,拟采用坑内降压降水的治理方案,即在突涌点附近设置承压水减压降水井,以降低突涌点处的承压水头.

3.2 计算模型概况

图3 模型尺寸示意图Fig.3 Model size schematic

本工程ABAQUS数值计算模型采用轴对称模型,根据经验公式计算降水影响范围,结合实际工程中突涌点与止水帷幕位置关系,计算模型尺寸为80m×50m,模型右边边界约束水平位移,底边边界约束竖向位移.采用“以槽代井”的方式等效模拟降水井,即不设置实际井,只按井的尺寸在土体中开槽,并约束住井壁和井底处土体的位移.模型中尺寸参数见图3所示,其中各土层由颜色区别,从上至下依次为杂填土-粉土-粉砂-粉土-粉砂-粉土-粉砂.

3.3 基坑开挖过程模拟

岩土材料存在较大的塑性变形.沿着不同的应力路径加载或卸载,各个阶段的塑性变形增量不同,累积起来就有不用的应力总变量.反映在实际工程中,基坑开挖的顺序会导致土体不同的变形,所以,在模型中准确地描述基坑开挖过程可以提高数值模型的仿真程度.

本模型依据上述原则,通过分析步的变化模拟基坑降水及开挖过程,具体分析步见表2.

表2 开挖过程分析步Table 2 Excavation process analysis step

4 计算结果分析

伴随着降水过程的基坑开挖,周围土体的性状会产生一定的影响.本工程基坑由于处在微承压水影响范围内,且设置了止水帷幕,周围土体的变形、基坑渗流场的分布与无止水帷幕降水开挖的基坑有很大差别;同时,针对坑底突涌布置了减压降水井,井的类型、井与突涌点的位置关系,对已经趋于稳定的基坑渗流场将造成二次影响.通过对模型计算结果的分析,分析有止水帷幕的基坑降水开挖特征,对比各减压方案的减压效果及周围环境的响应,各减压方案工况描述见表3.

表3 各工况计算方案Table 3 Various scenarios calculations

续表3

4.1 基坑渗流场的特点

对于采用止水帷幕的基坑工程,坑内和坑外的水力联系被止水帷幕隔开或隔断,在止水帷幕底端产生基于坑内外水头差的水力坡度,导致较大的渗流速度.

如图4所示,由于模型地下连续墙底端置于相对弱透水层顶面,在11.8m的水头作用下,地下水的绕流产生了最大0.4 m/d的渗流速度,并在渗透系数相对较大的潜水含水层中快速减小.上覆土层对承压含水层发生少量的越流补给,远离基坑的承压含水层地下水运动主要为水平方向的层流,由于降水形成的基坑内外的水头差,大量地下水绕地下连续墙边界向基坑内渗入,在靠近地下连续墙的基坑内侧渗流速度较快;基坑底部的承压水在承压水头的作用下向坑内运动,在基坑中部表现为竖直向上的垂向补给.

在本模型中,对稳定渗流状态下模型边界节点的入渗和出渗流量(RVF)分析,由于第六层粉土渗透系数为0.21m/d,与上下承压含水层的0.34m/d相差不大,基本没有隔水效果,所以,地下水的补给源主要为第七层的承压水,各层总补给量为210.68m3/d.

图4 渗流速度矢量图(单位:m·d-1)Fig.4 Percolation velocity vector illustration(Unit:m·d-1)

图5 开挖过程中坑底应力与竖向位移变化图Fig.5 Changes of pit bottom stress and vertical displacement during excavation

4.2 坑内土体的位移

基坑降水开挖过程中,坑内土体的位移主要由两部分因素造成:基坑开挖面以下各土层由于上覆土体被开挖,土层应力卸载,坑底隆起,土体产生竖直向上的位移;降水引起土层附加应力增加,土体固结沉降,产生竖直向下的位移.

在降水分析步内,由于降水引起土层附加应力增加,坑底土体平均正应力p逐渐增大,土体沉降;在开挖分析步内,由于上覆土体被开挖,土层应力卸载,p逐渐减小,土体隆起,并且在开挖分析步内的土体竖向位移变化明显大于降水分析步内的位移变化,见图5所示.

地下水在土体中流动时受到土颗粒的阻力而消耗能量,产生水头损失;与此同时,地下水由于渗流运动力图拖拽土颗粒,对土颗粒施加渗流力,渗流力的方向与渗流方向一致,大小与水力梯度成正比[8].在降水分析步内,在降水边界条件和承压水侧向补给作用下,隔水顶板至坑底的水力梯度增加,向上的渗流力增大,但在图4～图5的降水分析步中,土体并没有因为增大的渗流力发生竖直向上的位移.

基坑开挖完成后,坑内土体隆起变形见图6所示.由于在模拟分析中,地下连续墙对墙体附近土体有一定的粘结力,阻碍了墙体附近土体的隆起,坑内土体表现为基坑中心大、基坑边附近小的分布情况,整体呈现拱形,隆起总量最大约为49mm.

图6 基坑土体变形云图(单位:m)Fig.6 Foundation pit deformation

4.3 地下连续墙的位移

基坑降水开挖完成后,地下连续墙没有出现墙顶位移最大、墙底位移最小的类似悬臂梁的变形模式,而是产生了如图7所示的墙底位移最大、墙顶位移最小的变形.在支撑式支挡结构中,“踢脚”变形也是一种水平位移为“上小下大”的墙体变形,表现为墙体水平位移随深度的增加,水平位移变化越慢;然而,模型中墙体水平位移随着深度的增加,水平位移的变化越快,并在墙底处达到最大侧移,这与“踢脚”变形是不相同的.

图7 地下连续墙水平位移图Fig.7 Horizontal displacement of underground continuous wall

图8 地表竖向位移图Fig.8 Surface vertical displacement

坑内土体的隆起变形是地下连续墙出现这种变形的主要原因.根据对坑内土体竖向位移的分析,在开挖和降水的共同作用下,坑内土体隆起变形,由于在模型中设置了地下连续墙两侧与土体的摩擦、墙底与土体的绑定,这种墙体与土体的粘结作用使得坑内土体的隆起带动墙体上移;同时,大量地下水绕地下连续墙边界向基坑内渗入,墙底处土体有向坑内运动的趋势,并带动墙底向坑内移动.

如图8所示,在上述地下连续墙的位移状态下,墙体附近的坑外土体也由于墙体与土的粘结作用而随着墙体向上位移,土体在靠近基坑边的地表处隆起,隆起量约为1mm.在基坑降水条件下,坑外土体固结沉降,所以这种地表隆起仅发生在距离基坑边4m范围内;远离基坑边的土体受墙体上移的影响很小,在距离坑边约25m处土体仅发生固结沉降,呈现地表沉降随坑边距离增加而减小的沉降规律.

当然,地下连续墙的这种变形模式,与基坑开挖深度和墙的嵌固深度有关,并且受墙体与土体摩擦系数的影响.本模型采用的围护结构等效方式,仅能较好地反映渗流场的情况,但并不能完全准确地符合实际工程中的位移场特征.但是,仍能从上述现象中发现,在有止水帷幕的基坑工程中,降水引起的基坑渗流不仅会影响周围土体的性状,而且在止水帷幕底端会产生基于坑内外水头差的渗流力,基坑支护结构容易发生变形、失稳,尤其是存在承压水的基坑工程.

5 结论

本文依托江苏省苏北人民医院节点荷花池地下停车场基坑工程,针对实际工程中出现的微承压水引起的局部区域的坑底突涌,设计了减压降水方案,建立了ABAQUS数值模型,得到以下结论:

(1) 存在止水帷幕的基坑工程中,开挖引起的土层应力卸载和降水引起的土层附加应力增加共同造成基坑底部土体的竖向变形,后者是主要原因.

(2) 存有止水帷幕的基坑工程中,降水引起的基坑渗流不仅会影响周围土体的性状,而且在止水帷幕底端会产生基于坑内外水头差的渗流力,基坑支护结构容易发生变形、失稳,尤其是存在承压水的基坑工程.

(3) 存在止水帷幕的基坑工程中,坑内设置减压降水井,对坑外渗流场的影响很小,孔压分布规律未发生改变.对于坑内渗流场,疏干井对潜水含水层的疏干效果明显,但承压含水层基本保持原来的孔压状态;减压井对潜水含水层孔压影响小,但承压含水层的孔压变化显著,承压水头降低明显,井深越深、井点距离突涌点越近,对突涌点的减压效果越好.

(4) 对于坑外土体,由于止水帷幕的存在,坑内设置减压降水井对坑外地表沉降影响不大;对于坑内土体,井深越深,突涌点的土体沉降越大,但受井点距突涌点径向距离的影响不明显.