砂土场地排桩围护挡墙渗漏水对基坑变形规律的影响

2021-01-29邱明明杨果林段君义张沛然

水资源与水工程学报 2020年6期

邱明明，杨果林，段君义，张沛然

(1.延安大学建筑工程学院，陕西延安 716000；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

1 研究背景

随着城市地下空间开发利用的大规模发展，城市建筑物密集或地下环境复杂区“深、大、长、近”的深基坑工程不断涌现，基坑工程灾害问题[1-5]越来越突出，尤其是富水地层深基坑。工程实践表明，大多数地下工程灾害是由于地下水渗流引起水土流失诱发的，例如基坑围护结构接缝或质量缺陷引起的渗漏水，造成基坑周围土体内部产生空洞，并导致地面突发塌陷、结构大变形或开裂，甚至是整体失稳等工程灾害。因此有必要对富水地层基坑渗漏条件下围护结构变形及土体运移规律进行深入研究，以全面地掌握渗漏灾害发展过程中的基坑变形特性，并保证基坑和周围环境安全。

国内外学者[6-9]针对基坑施工变形特性已进行了大量的研究工作，也取得了较多有益的研究成果。俞建霖等[10]对砂土基坑施工引起的围护结构及周围土体变形进行数值模拟，并结合实测数据进行了对比分析。陈阳等[11]基于现场测试结果对砂土地层深基坑施工变形及力学效应进行了分析。冯春蕾等[12]结合大量的地铁车站深基坑实测数据，对砂卵石地层长条形基坑整体变形规律和模式进行了分析。王明年等[13]借助PFC软件建立了卵石层深基坑数值模型，分析了基坑地面沉降和支护变形规律。TAN等[14]对上海地铁深基坑开挖期间渗漏原因进行了分析，研究了漏水漏砂引起的地表竖向位移和围护墙水平位移变化规律。JO等[15]通过现场调查对深基坑开挖过程中渗漏引起的地面下沉发展规律及关联性进行了分析。郑刚等[16]、戴轩等[17]对地下工程渗漏灾害发展过程及演变规律进行了试验研究，并结合DEM-CFD耦合方法对基坑漏水漏砂引起的地层运移规律进行了分析。Koltuk等[18]、黄戡等[19]借助数值模拟方法对深基坑开挖降水过程进行了渗流与变形分析，研究了渗流作用下基坑施工变形规律。

综上所述，基坑渗漏改变了基坑渗流场和应力场，对基坑变形及稳定性具有重要影响，而针对该问题的工程实践资料和理论研究则少有报道。鉴于此，本文以某砂土场地渗漏水深基坑为研究对象，建立考虑渗流作用的深基坑土-止水帷幕-排桩围护结构相互作用的数值计算模型，研究止水帷幕局部渗漏水条件下基坑排桩挡墙侧向位移、墙后地表沉降及围护桩墙内力变化规律，并结合现场实测数据进行对比分析，为砂土地层深基坑施工安全与变形控制提供参考。

2 工程背景

某地铁车站长条形深基坑工程，车站长×宽×深为470.0 m×23.1 m×18.0 m，上覆土层厚度约2.50 m，车站采用明挖顺筑法施工。基坑标准段深度为15.50～16.41 m，南北端头深度为16.73～17.87 m，采用钢筋混凝土钻孔灌注桩(φ1000 mm@1200 mm，桩长23.00 m)作为基坑围护结构，桩墙外侧0.2 m施作水泥土三轴搅拌桩(φ850 mm@600 mm，桩长19.6 m)隔水帷幕，帷幕与挡墙间充填双液注浆以保证隔水效果。基坑标准段设置3道内支撑，南北端头设置4道内支撑，其中第1道为钢筋混凝土支撑，第2、3、4道采用钢支撑。拟建场地开挖深度范围主要为砂性土层，各土层基本物理力学参数见表1。场地地下水埋深约4.10～6.50 m，主要受大气降雨和临近江水影响。在基坑端头井段开挖至坑底(15.0～17.9 m)时，围护桩间发生局部渗漏水现象，呈现渗漏速度快、流量大的特点，并在渗漏点对应断面发生“锅底”形地表塌陷。基坑各土层土质及端头井段基坑局部渗漏位置剖面图见图1。

图1 基坑各土层土质及止水帷幕局部渗漏位置剖面图(单位：m) 图2 基坑数值计算模型(单位：m)

表1 基坑各土层基本物理力学性质参数

3 基坑渗漏水有限元模型

3.1 数值计算模型的建立

上述深基坑实例表明，基坑施工过程中发生渗漏灾害的主要原因是基坑围护结构隔水功能失效，特别是止水结构的防渗效果对控制基坑施工变形和渗流稳定性具有重要影响。为此，本文借助有限元软件建立考虑渗流作用的深基坑土-止水帷幕-排桩围护结构相互作用数值计算模型，模拟分析基坑降水开挖和围护结构渗漏条件下引起的基坑变形规律。结合本工程端头井段具体情况，取基坑开挖尺寸深×宽为17.9 m×23.0 m，考虑数值模型的对称性取其一半进行计算分析，建立的有限元计算模型如图2所示。模型共划分1 789个单元，14 503个节点，其边界为位移边界条件。

在数值模拟计算中，岩土体和止水帷幕采用实体单元模拟，采用能较好描述土体破坏应力状态的Mohr-Coulomb屈服准则[20]弹塑性本构模型。其中，止水帷幕重度为20.0 kN/m3，黏聚力为120.0 kPa，内摩擦角为40.0°，弹性模量取0.4 GPa，泊松比为0.25，各土层物理力学参数取值见表1。基坑支护结构采用结构单元模拟的线弹性本构模型。其中，排桩挡墙重度为25.0 kN/m3，弹性模量取31.5 GPa，泊松比为0.2；混凝土支撑重度为25.0 kN/m3，弹性模量取30.0 GPa，泊松比为0.2；型钢支撑重度为78.0 kN/m3，弹性模量取210.0 GPa，泊松比为0.3。

3.2 降水开挖及渗漏水模拟

考虑基坑开挖过程中降水渗流与渗漏作用对围护结构及周围环境变形的影响，基坑采用分层降水分步开挖方式模拟，且先施作支护结构再进行坑内土体开挖。具体模拟步骤如下：

(1)施作排桩挡墙与止水帷幕结构，初始地应力平衡。

(2)开挖第1层土至-2.0 m，并施作第1道混凝土支撑。

(3)降水至-8.0 m，开挖第2层土至-7.5 m，并施作第2道型钢支撑。

(4)降水至-11.5 m，开挖第3层土至-11.0 m，并施作第3道型钢支撑。

(5)降水至-15.5 m，开挖第4层土至-15.0 m，并施作第4道型钢支撑。

(6)降水至-18.40 m，开挖第5层土至坑底-17.9 m。

(7)距坑底0.9 m处止水帷幕发生局部渗漏，渗漏孔尺寸为0.2 m×0.2 m。

图3为止水帷幕局部渗漏前后基坑渗流速度场分布对比。由图3可知，降水开挖引起坑内外地下水水头差发生变化，坑外地下水通过止水帷幕底部透水土层发生绕流，在止水帷幕底部周围土体“渗流集中”现象显著，且土体中以水平向渗流为主；砂性土层中的渗流速度明显高于上部粉土层和底部泥质粉砂岩层；止水帷幕的隔水作用改变了基坑渗流路径，显著影响基坑渗流场分布，且渗漏条件下基坑渗流作用明显增强。

图3 止水帷幕局部渗漏前后基坑渗流速度场分布对比

4 计算结果对比与分析

4.1 墙后土体侧向位移分布

图4为止水帷幕局部渗漏前后墙后土体侧向位移分布云图，图5帷幕局部漏水前后墙后不同水平距离深层土体侧向位移随深度变化曲线对比。由图4、5可看出，基坑开挖诱发的墙后土体侧向位移宽度影响区域约为(2.0～3.0)He(He为开挖深度)，深度影响区域约为1.2He，10.0～15.0 m深度范围土体侧向位移最为明显，且止水帷幕局部渗漏对桩墙后土体侧向位移影响显著；距基坑边沿水平距离Lp越小(近)，周围土体侧向位移越大，反之越小；墙后深层土体侧向位移曲线随水平距离Lp增大由非线性“鼓肚”形分布转变为线性分布；距基坑边沿水平距离Lp=40 m处，止水帷幕局部渗漏前后地表最大侧向位移分别为1.10、5.60 mm，即止水帷幕局部渗漏条件下墙后土体侧向位移影响范围增大。

图4 止水帷幕局部渗漏前后墙后土体侧向位移分布云图

图5 帷幕局部漏水前后墙后不同水平距离深层土体侧向位移随深度变化曲线对比

图6为止水帷幕局部渗漏对围护桩墙侧向位移的影响。由图6可看出，围护结构侧向位移曲线随开挖深度的增加由“斜线”形向“鼓肚”形分布演变，侧向位移量增大，且位移最大值位置逐渐下移(图6(a))；各开挖工况对应的最大侧向位移Ux,max分别为1.40、7.08、9.35、13.63、15.70 mm，其对应深度Hx,max位置为(0.58～1.27)He；漏水前围护桩侧向位移曲线数值计算结果与现场实测变化趋势基本一致，其围护桩最大侧向位移Ux,max计算值、实测值分别为15.70、14.70 mm，漏水前计算值为实测值的1.07倍，主要原因是数值模拟分析采用平面应变计算模型，未能反映端头井段的空间效应，故数值计算结果与现场实测值略有差异；漏水后围护桩最大侧向位移Ux,max计算值为10.05 mm，约为漏水前的64%，主要原因是帷幕局部发生漏水后围护结构承受的侧向水土压力降低，使围护桩侧向位移减小(图6(b))。

图6 止水帷幕局部渗漏对围护桩墙侧向位移的影响

4.2 墙后地表沉降分布

图7为止水帷幕局部渗漏前后墙后土体竖向位移分布云图，图8为止水帷幕局部渗漏对墙后地表沉降的影响。由图7、8可得，止水帷幕渗漏使墙后土体竖向位移增加，且影响范围扩大；地表沉降曲线分布沿横向水平距离呈“凹槽”形，随基坑开挖深度增加沉降槽加深变宽；漏水前墙后地表沉降曲线数值计算结果与现场实测变化趋势基本一致，漏水前后墙后最大地表沉降Uz,max计算值分别为4.15、18.40 mm，漏水后最大地表沉降Uz,max为漏水前的4.4倍，原因是止水帷幕局部渗漏条件下基坑渗流作用加剧，引起坑外地下水位下降，并造成基坑周围土体沉降变形增大；根据地表沉降曲线分布特征，基坑开挖诱发的地表沉降显著影响区约为(1.0～1.5)He，漏水后地表沉降显著影响区为漏水前的2～3倍。

图7 止水帷幕局部渗漏前后墙后土体竖向位移分布云图

图8 止水帷幕局部渗漏对墙后地表沉降的影响

4.3 围护桩墙内力分布

图9为不同开挖工况条件下围护桩墙剪力与弯矩分布，图10为止水帷幕局部渗漏前后围护桩墙剪力与弯矩分布。由图9、10可得，桩身内力随基坑开挖是一个动态发展平衡的过程，内支撑的施作及约束作用改变了桩体受力状态，改善了围护桩的承载和抗变形能力；随着基坑开挖深度增加桩身内力逐渐增大，基坑开挖完成后桩身最大剪力和弯矩分别为508.59 kN、1 219.65 kN·m；基坑围护结构发生渗漏后，桩身最大剪力和弯矩分别为483.67 kN、953.62 kN·m，与渗漏前相比桩身最大剪力和弯矩分别为减小了约5%、22%，主要原因与引起围护桩侧向位移减小的原因相同。

图9 不同开挖工况条件下围护桩墙剪力与弯矩分布

图10 止水帷幕局部渗漏前后围护桩墙剪力与弯矩分布

5 讨论

结合现场调查和上述计算分析可知，本基坑发生渗漏水灾害的可能原因有：基坑开挖深度范围内存在厚度较大且松散的富水砂层；场地地下水位埋藏较浅，与近接江河连通，且水位变化易受大气降雨影响，在基坑发生渗漏前出现间歇性持续降雨天气；水泥土帷幕桩现场钻芯取样发现，桩体局部存在微裂隙，且有夹裹泥砂现象，即帷幕存在施工质量缺陷的可能性较大；基坑开挖引起刚度相对较小的水泥土帷幕结构大变形，局部因张裂而出现渗漏水，在高水土压力环境下水力损伤效应加剧，进而导致隔水作用失效。

本基坑发生渗漏水险情后，立即停止施工并启动现场应急管理预案，抢险处治措施具体为：首先，采用棉絮、钢筋网、导流管等材料封堵渗漏孔，其外堆放砂袋反压，并回填砂土至渗漏孔上部内支撑位置。其次，在渗漏点对应断面采用注浆管进行深层注浆加固增强堵水效果，并紧邻围护桩外侧施作一排高压旋喷桩加强隔水作用，加固范围不小于地表塌陷宽度。最后，在坑内渗漏点周围分层分段施作挂网锚喷混凝土结构面层，并用注浆管对桩间隙隐蔽部位进行注浆加固处理。通过采取上述加固处治措施，基坑施工得以顺利进行，说明该方案是合理可行的。

综上所述，基坑渗漏灾害发展过程伴随着复杂的水力耦合作用，且具有一定的隐蔽性和突发性。因此，避免基坑遭受水力附加作用是防控基坑发生渗漏灾害的关键因素，且抑制渗漏通道扩展和阻止水土流失加剧是控制基坑渗漏灾害发展切实可行的途径。