地下水位及地层渗透系数对基坑抗浮影响研究

2022-04-06陈昭阳高江林赵一行詹刚毅石钰锋

华东交通大学学报 2022年1期

陈昭阳，李敏，高江林，赵一行，詹刚毅，石钰锋

（1.华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，江西南昌 330013；2. 中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459；3 江西省水利科学院，江西南昌 330029；4. 中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

近年来，由地下水上升引起的基坑上浮事件屡见不鲜[1]，特别是针对超大、深基坑，处理不当将引起重大工程事故。例如：南昌某学校综合楼人防地下室上浮事故[2]；海口商场地下室上浮事故[3]；湖北保健酒基地工程联合车间地下室上浮事件[4]等，造成很大财产损失及不良社会影响，故应对基坑上浮问题给予足够重视。万先逵[5]等依托实际工程，探究基坑支护结构的优化方案。董培鑫[6]等采用抗浮锚杆有效解决某中学操场抗浮问题。张在明[7]对抗浮水位展开系统研究，提出将地下水位预测与孔隙水压力分布用于抗浮水位分析中。曹洪[8]等以本奈特假定为前提，推导出用于临江二元地层渗流分析的简化算法，得到强透水层中水头分布，提出地下结构物底板的水压力实用计算方法。肖立[9]采用Plaxis 3D 软件结合离心机模型试验结果，研究得出储罐侧壁和地连墙受到的摩擦力对结构抗浮有重要的作用。黄俊光等[10]提出主、被动抗浮措施的组合克服了传统抗浮技术的不足。鲁昂[11]针对设计中稳定安全系数、抗力分项系数等规范规定不统一的计算参数予以整理。李国胜[12]认为设计中应根据当地的实际情况确定抗浮水位和不同抗浮水位时的抗浮验算方法。贾朋涛[13]认为场地地下结构抗浮水位取值考虑水的来源和排泄条件及建筑物的施工和使用两个阶段。刘子洁[14]、张竹庭[15]依托多个工程案例研究抗浮水位，认为地下结构抗浮水位由场地的水文条件、项目结构的具体功能要求及其他多种因素决定。张国才[16]依据相关研究得出坡地地下结构的计算方法。王帅[17]提出不同条件下基坑抗浮水头取值的计算公式。熊欢[18]提出位于砂土地层中的地下结构所受水浮力无需折减，而位于黏土地层中的地下结构所受水浮力应进行合理折减。且由相关资料可知，基坑上浮缘于地下水浮力大于其自重、基坑内部荷载及周围阻力总和，与地下水位高低、水位变化及地层渗透系数有关。对于渗透系数较小地层应根据水头损失程度对坑底水压进行折减。

目前工程中常用抗浮措施有自重、加载、锚杆（索）、抗拔桩、排水减压、隔渗帷幕抗浮[19-22]等。本文主要考虑基坑在围护结构自重作用下抗浮效果。采用理论及数值计算手段对某超深圆形基坑自重抗浮进行验算，分析依托工程水位变化后的抗浮稳定性，为抗浮措施决策提供依据。

1 工程概况

某盾构工作井为外径35.9 m 圆形竖井。地面平整高程3.5 m，基坑底高程-63.85 m（不含集水井底坑加深2.5 m），开挖深度为67.35 m。采用地下连续墙+砼内衬墙支护方案。基坑开挖采用地下连续墙垂直支护，盾构井内衬墙采用逆作法施工。其支护结构设计为：地下连续墙厚1.2 m，嵌入井底4 m，逆作法内衬墙厚1.2～1.5 m，分界面于高程-18.25 m 处，采用C30 钢筋混凝土。衬砌后基坑内径分别为31.1 m、30.5m。洞门处设置两道C35 砼环梁，宽×高为2.5 m×1.4 m。如图1 所示。基坑降水井及监测点如图2 所示，其中LG09#-1-LD 表示垂直位移测点；LG09#-1-TP 表示水平与垂直共用测点；LG09#-1-IN 表示围护结构顶部水平位移监测点；LG09#-1-UP 表示地下水压监测点。

图1 圆形基坑剖面图（单位：mm）Fig.1 Profile of circular foundation pit（Unit：mm）

图2 基坑降水井及监测点位布置图（单位：mm）Fig.2 Layout of foundation pit dewatering well and monitoring points（Unit：mm）

该地区地下水丰富，以孔隙性潜水为主，地表水与地下水互为补排。局部丘陵地带以基岩裂隙水为主，大多在强风化泥质粉砂岩底部至弱风化泥质粉砂岩顶部。

施工前期地下水位于地下4 m 处，由于前期基坑施工时降水，引起周围地层沉降，导致建筑物出现较大裂缝。目前，基坑已施工完毕。根据相关要求，现需将水位提升至原水位。水位上升过程中，基坑中隧道开挖工作面出现渗水状况。为保证基坑及周围建筑物安全，需对地下水位上升时基坑抗浮进行验算。

2 数值分析

2.1 模型建立

采用Plaxis 3D 软件对地下水渗流时基坑抗浮建模计算。为消除尺寸效应，取模型尺寸X、Y 方向为基坑半径5.5 倍（即100 m），Z 方向为90 m。土层共8 层，从上往下依次为：人工填土、含淤泥质粉细砂、淤泥质黏土、含有机质粉质黏土、泥质细砂、强风化泥质粉砂岩、弱风化泥质粉砂岩。基坑底部建立降水井。地下连续墙及内衬墙按实际尺寸建立，并进行网格加密处理，模型底部及侧面约束位移，如图3 所示。本模型仅考虑在围护结构自重作用下基坑的抗浮能力，忽略墙体与地层之间的摩擦作用。

图3 有限元计算模型图Fig3 Finite element calculation model diagram

2.2 参数选取

因本模型主要分析基坑抗浮，故模型各土层采用摩尔—库伦材料模型，各结构均采用实体单元模拟。土层及结构参数根据相关地勘资料得出，如表1所示。

表1 计算参数Tab.1 Calculation parameters

2.3 模型正确性验证

基坑开挖通过Plaxis 3D 中对某层土体的停用实现，地下连续墙及内衬墙施工通过启用及改变材料属性实现。以下各步骤均在地下水渗流情况下进行，且除步骤1），步骤5）外，降水井均持续降水。具体计算步骤如下：

1）地应力平衡计算（即软件中重力加载计算）；

2）地下连续墙施工；

3）模拟基坑开挖及施做内衬墙，根据现场实际施工进度，建立施工步骤；

4）模拟基坑底板施工，该步骤完成后执行位移清零；

5）降水井停止降水，地下水位回升至-6 m。

现场对基坑底部设置水压预警值为0.2 MPa，由监测与模型计算数据对比可知，如表2 所示，现场监测数值与模型计算数值吻合，表明该数值模拟合理。

表2 监测及数值计算数据对比值Tab.2 Comparison of monitoring and numerical calculation data

2.4 数值计算结果分析

为研究地下水位于原水位（-4 m）时基坑抗浮能力，将模型水位调整为-4 m。计算得出基坑整体上浮位移为0.251 mm，基坑底部所受水压为0.187 4 MPa，未超预警值。由此可知，该超深圆形基坑在围护结构自重作用下抗浮效果较好。

3 力学计算

由于地下水渗流过程中，不同渗透系数的地层会使地下水产生水头损失，故应按动水压力计算

式中：qfw，k为构筑物基础底面上的浮力标准值，kN/m3；γw为水的重度，kN/m3，可按10 kN/m3采用；hw为地表水或地下水的最高水位至基础底面（不包括垫层）计算部位的距离，m；ηfw为浮力折减系数。

本文通过已验证模型，计算当水位在-6，-7，-8，-9，-10 m 时基坑底部水压值。将数值计算及现场监测所得水压与静水压比值作为该地层地下水浮力折减系数，如表3 所示。由现场监测值计算得折减系数为0.293 8。为满足工程安全储备需求，需选取表3 中折减系数的较大值。

表3 水压折减系数Tab.3 Calculation parameters

取折减系数为

经计算得基坑围护结构自重G自大于地下水浮力Ffw，且基坑以其自重可承受0.366 6 MPa 以内水压。

4 地层渗透系数影响分析

基于上述数值计算模型，分析相同水位下地层渗透系数对超深圆形基坑围护结构的影响。以基坑围护结构底板所在土层为界线（即-50.62 m 处），分别考虑上部土层及下部土层不同渗透系数对围护结构的影响。设置工况如下：

工况一：当界线以下土层渗透系数不变时，上部土层整体增长0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%时对基坑围护结构的影响分析。

工况二：当界线以上土层渗透系数不变时，下部土层整体增长0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%时对基坑围护结构的影响分析。

图4～图6 分别为工况一下基坑围护结构水平位移曲线图，围护结构顶部沉降曲线图及底部水压曲线图。

图4 围护结构水平位移曲线图Fig.4 Horizontal displacement curve of retaining structure

由图4 知：土层渗透系数增大10%时，对围护结构水平位移影响影响较小；增大20%时，围护结构水平位移值在-50.62 m 以上影响较大，平均增长率为7.3%，其中在-48 m 处增长率最大，为9%。-50.62 m 以下位移无变化；增大30%时，与增大20%时影响范围相同。平均增长率为9.5%，其中在-38 m 处增长率最大，为15.5%；增大40%时，影响范围同上，平均增长率为19%，其中在-48 m 处增长率最大，为24%；增长50%、60%时对基坑围护结构影响较小。

由图5，图6 知：土层渗透系数变化对基坑围护结构顶部沉降及底部水压影响较小。

图5 围护结构顶部沉降曲线图Fig.5 Top settlement curve of retaining structure

图6 基坑底部水压曲线图Fig.6 Water pressure curve at the bottom of foundation pit

综上所述，上部土层渗透系数增长对围护结构侧面影响较大，对底部影响较小。

图7，图8 分别为工况二下围护结构顶部沉降曲线图及底部水压曲线图。

据计算结果分析，界线以下土层渗透系数变化对基坑围护结构整体的水平位移无影响。

由图7 可知，界线以下土层渗透系数变化对基坑围护结构顶部沉降值（即基坑上浮量）影响较大。土层渗透系数增大10%时，围护结构上浮量增加4.6%；增大20%时，上浮量增大8.8%；增大30%时，上浮量增大11.5%；增大40%时，上浮量增大13%；增大50%时，上浮量增大14.3%；增大60%时，上浮量增大15.3%。

图7 围护结构顶部沉降曲线图Fig.7 Top settlement curve of retaining structure

由图8 可知，界线以下土层渗透系数变化对基坑围护结构底部水压值影响较大。土层渗透系数增大10%时，基坑底部水压值增加0.96%；增大20%时，水压值增大3.33%；增大30%时，水压值增大5.87%；增大40%时，水压值增大7.17%；增大50%时，水压值增大7.39%；增大60%时，水压值增大7.51%。