临河倾斜互层下深基坑变形及渗流数值分析

2023-06-13梁二雷王冰辉郑功博

工业建筑 2023年3期

梁二雷王冰辉郑功博吴静

(1.中国建筑第四工程局有限公司,西安 710065;2.兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,兰州 730050)

随着我国城市基础建设不断发展,大型深基坑的使用已极为普遍,在复杂地质条件下深基坑降水开挖无疑增大了开挖难度,确保基坑的整体稳定是建设的前提。[1-2]李敬超通过建立有限元模型,分析了基坑渗流场和地表沉降在不同开挖深度下的影响,得出渗流场变化规律。[3]叶帅华等依托兰州市地铁某车站基坑,结合现场监测和数值模拟验证了灌注桩联合钢管内支撑对基坑稳定具有积极作用。[4-5]周勇对兰州市某地铁站深基坑的常规监测发现：随着深度的增加桩体水平位移先快后慢、先陡后缓且最大水平位移出现在距桩顶约2/3处。[6-7]文献[8-9]分别介绍了采用隔、降组合(悬挂式止水帷幕+坑内降水)的地下水控制方案,预测基坑开挖后变形趋势及地下水渗流规律,表明在该方案下止水效果明显,并对基坑周边沉降有积极作用。郑刚等通过有限元软件ABAQUS研究了潜水降水过程地下连续墙侧移机理,得出基坑提前设置第一道水平支撑再根据分层分段降水措施,能合理控制开挖前降水引起的沉降。[10-11]杨清源等提出潜水地层下绕渗区划分计算式,简化了基坑外地表沉降计算方法,并通过试验对简化方法给予了修正,提高了理论计算精度[12]。黄应超等对深基坑降水和回灌过程进行了三维数值模拟,发现回灌量越大,坑外水位提高越明显进而水位恢复越快,且可以有效控制降水引起的地面沉降。[13]常明云等通过研究复杂地质的性质和多种较好的防渗结构,对多层强补水带采取较为合理的堵漏措施,达到了理想的防渗效果。[14]薛丽影等通过室内试验探究完整井条件下的层状含水层渗流,获得了与实际工程相符的渗流流网形态,进而对地下水涌水量和降水引起的地表沉降量的计算提出了修正[15]。

以上均是在水平岩层条件下对深基坑开挖中降水问题的探讨,然而对在黄河水流强补给的倾斜隔、含水互层特殊地质条件下,探究深基坑开挖过程中周边沉降、支护结构变形及地下水渗流的报道较少。为此,以兰州市安宁区改建污水厂深基坑为例,针对强补给地下水和倾斜互层问题,结合现场监测数据和有限元软件模拟对倾斜岩层与水平岩层工况下的情况进行对比,探究特殊地层下基坑降水开挖对周边环境及坑内渗流的影响。

1 工程概况

1.1 工程周边环境

兰州七里河安宁污水处理厂厂区地埋式混凝土箱体埋深为17～20 m,基坑范围约为320 m×300 m。拟建场地地处黄河北岸,原始地貌为黄河高漫滩。局部地形起伏大,人为活动频繁,临河侧有主干道公路,东西侧有建筑物,对工程建设影响较大。

图1 拟建污水处理厂地理位置Fig.1 The geographical location of the proposed the sewage treatment plant

1.2 工程地质概况

根据勘探揭露：该地层主要由填土、卵石、砂岩及风化泥岩等组成。现将各地层由上至下如下：1)层杂填土。该部位填土厚度大多超过10 m,整体填土层厚度为0.7～13.2 m。2)层卵石。在场地内普遍分布,各钻孔中均有揭露,层厚为0.7～11.0 m。3)层砂岩。主要分布于卵石层底面呈倾斜状态,倾斜角度为45°～55°,层厚为0.5～9 m。4)强风化泥岩。呈倾斜状态,倾斜角度为45°～55°,主要隔水层厚度为3.0～5.0 m。5)中风化泥岩。岩体较完整。根据现场勘测,存在明显的倾斜互层分布。工程土体参数见表1。

表1 土层和支护体的基本性能指标Table 1 Basic physical and mechanical property indexes of soil and retaining structures

1.3 水文地质条件

勘察得出拟建场地地下水稳定水位埋深在4.8～8.3 m,地下水位高程介于1 514.16～1 517.74 m。主要赋存于卵石层、倾斜砂岩中,带有微承压水特性,黄河水流向自北西向南东,地下水依据岩土层倾角及走向渗流补给含水层—卵石层、倾斜砂岩,其中强风化泥岩作为天然隔水层,该地层也是此工程的特点。

2 基坑支护设计和监测

2.1 排桩预应力锚索支护结构设计

基坑四周无放坡空间,周边均设置排桩,支护桩桩径为0.8 m。桩顶设置冠梁,冠梁顶标高为自然地面以下0.5 m,桩前土体直立开挖,基坑开挖设计深度为17.7 m,共开挖五步。支护桩桩身混凝土强度等级为C30,桩径为0.8 m,长度为25 m,桩顶通长设置冠梁,截面尺寸900 mm×500 mm;预应力锚索设计,一桩四锚,锚索长分别为21,19,18,15 m,固定段分别为13,13,13,11 m,倾斜角度15°。间距1.8 m,每道锚索施加预应力值分别为260,270,290,235 kN。桩身结构如图2所示。

图2 支护结构示意 mmFig.2 A schematic diagram of supporting structures

2.2 基坑监测

由于主要探讨不同地层下深基坑降水后地表变形及基坑内渗水量,故仅取现场桩顶竖向位移、周边地表沉降及地下水位等监测数据。取研究区域为基坑西南角,该位置地表监测点9个,支护桩监测点6个,地下水监测点4个。基坑总平面图及区域基坑测点平面示意图如图3所示。

a—基坑总平面;b—区域监测点。地表监测点(D); 地下水位监测点(S);—支护桩监测点(W)。图3 基坑示意Fig.3 A schematic diagram of foundation excavation

3 监测结果分析

3.1 桩顶竖向位移

桩顶竖向位移测点取6点进行分析,即基坑南侧监测点W33、W34、W35,由东向西;基坑西侧监测点W36、W37、W38,由南向北。图4给出了各测点桩顶竖向位移变化情况,可见：桩顶竖向位移随着基坑开挖发展,整体呈下降趋势。在5月下旬,随着开挖结束,锚索施工进行,桩顶发生隆起现象,为基坑发生明显的卸荷回弹变形而带动支护桩向上运动。此后6、7月下旬均出现不同程度的隆起,直至9—10月开挖结束。随着时间推移,该沉降量趋于稳定。现场南侧测点W33～W35的沉降均小于西侧测点W36～W38,在10—11月,W38的沉降值稳定在-6.0 mm,对比W33的沉降值(-3.5 mm),增大了71.42%,且基坑西侧W36桩顶沉降量累计最大值达到-10.8 mm。总体而言,在建筑物与倾斜互层作用下,愈靠近基坑角点各测点桩顶竖向沉降愈大,表明基坑所处地层的倾斜互层与建筑物对基坑变性有显著影响,进而影响开挖途中基坑整体稳定性。

图4 桩顶竖向位移变化Fig.4 Vertical displacements of pile tops

3.2 基坑周边沉降

周边地表沉降监测点南侧D1-01～D1-03、D2-01～D2-03六点由近至远(01、02、03表示距离基坑为1、2、3 m,后同),由东向西;基坑西侧监测点D3-01～D3-03,由近至远。图5给出了基坑周边沉降变化情况。可见：因开挖前降水数据不全,故前期降水产生一定沉降,测点沉降值从4～6 mm开始,地表周边沉降随着开挖前降水产生一定变化,因测点距离基坑边最大距离为3 m,沉降槽的位置远大于此,各点沉降区域变化大致一样,最大沉降值达到15.3 mm。基坑开挖在9—10月份结束,随后两个月内,由于基坑内外降水的持续进行,周边沉降还在进一步增大,随着时间的推移,渐趋于稳定,基坑周边沉降值稳定在13～15.5 mm。

图5 地表沉降变化Fig.5 Changes in subsidence at the earth’s surface

3.3 地下水变化

在基坑开挖前须进行降水,在该临河倾斜地层中进行基坑外降水。开挖过程中因排桩之间未做止水措施而出现不断渗水,且在基坑底部水流沿倾斜砂岩层不断向基坑内绕流补给,形成区域性渗水,产生的水位差极易影响基坑整体稳定性。因此取该区域地下水位监测点S1、S2、S18、S19四个监测点。图6为各测点地下水位变化情况,可见：前期在降水井的持续降水中地下水水位控制在地面高程1 506～1 507 m。随着基坑开挖卸载,土体上作用的重力减小,临空面面积增大,在8月期间,因开挖使得倾斜互层逐步裸露,地下水渗流平衡破坏,在倾斜砂岩层中不断由黄河侧向绕流补给,使得测点地下水位波动上涨,无法确保基坑内干作业。随后紧急增加基坑内抽水井数量,加强抽水,控制了基坑内整体水位,得以保证基坑整体稳定性。

图6 地下水位变化Fig.6 Changes in groundwater levels

4 有限元模拟分析

4.1 建立模型

根据以往有限元模拟基坑的要求并结合该项目基坑周边的环境情况,确定了三维有限元基坑模型：临河一侧宽度为100 m、长度为150 m,标高为80 m,有限元模型如图7所示。利用有限元软件Midas GTS建模,围护桩用实体板来模拟,按两者刚度相等原则,通过《基坑工程手册》[16]中桩板等效换算式(式(1)～(2))将排桩直径D换算为厚度h的地下连续墙,桩净距为t。

图7 建模示意Fig.7 A schematic diagram of modeling

(1)

(2)

根据式(1)～(2),将φ800的排桩换算成厚度约为0.52 m的地下连续墙进行建模,因探讨基坑内渗流,故对弹性实体墙设置渗透系数。该模型中土层参数均取现场实际土体参数(表1),由于修正摩尔-库仑模型是摩尔-库仑模型的扩展,有效地将非线弹性与塑性模型相结合[17],涉及开挖卸载回弹等模量[18],更加真实地还原实际基坑开挖引起的支护结构变形和周边地表沉降,故土体均采用该模型。降水井同实际一致设在基坑外1.5 m处,深度为20 m,降水方式采用结点水头为零,过滤段长度为10 m。锚索采用植入式桁架,外荷载依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[19]取值,道路车辆取12 kPa均布荷载,西侧建筑物(两层)取均布荷载30 kPa;水头边界以黄河和基坑实际位置确定,添加稳态水头。

根据现场倾斜岩层倾斜角度及走向,更加真实地还原了现场情况,如图8所示,倾斜角度取50°,走向为NW60°。整体模型共有702 896个单元,515 806个结点。模型临河两侧边界施加X、Y方向位移约束,基坑侧边界根据软件自动添加约束,底部施加X、Y、Z方向位移约束。模型按照现场施工步骤进行,具体流程如表2所示。

表2 基坑开挖全过程施工工况Table 2 Construction steps of whole excavation processes

4.2 模型验证和分析

4.2.1桩顶竖向位移数值模拟验证

取基坑西侧测点W36,进行模拟值与实测值比较分析,由图9可见：该数值模拟以施工步骤还原基坑开挖过程,每步均为最终值,根据现场施工时间在9—10月基坑开挖结束,后期因土体卸荷回弹变形使得坑底土体产生隆起,最终趋于稳定。模拟值在开挖五时累计桩顶竖向沉降值为9.3 mm,较该时间结点实测值小1 mm,由于现场环境复杂以及难以通过数值模拟完全还原现场,从而造成此类误差,但两者基本趋势一致,说明模拟结果可靠。

图9 桩顶竖向位移实测值与模拟值对比Fig.9 Comparisons between measured values and simulated values of vertical displacement of pile tops

4.2.2周边地表沉降数值模拟验证

取D1～D3实测点与模拟结果值进行对比分析,由图10可见：实测值选取9—10月基坑开挖结束后时间段,模拟值为施工步骤开挖五结束后沉降值,看出模拟值与实测值存在部分差异为1～2 mm。由于模拟过程中按施工步骤进行难以精确模拟随时间推移的沉降变化曲线,该模拟最终值与实测值均在9.0～11.5 mm,监测结果与数值计算结果相差不大,总体而言两者呈现出较好的一致性。因此,数值计算结果基本可反映现场开挖实际情况,进一步分析倾斜与水平岩层的差异性。

图10 地表沉降实测值与模拟值对比Fig.10 Comparisons between measured and simulated values of subsidence

4.3 倾斜和水平模型对比分析

4.3.1桩顶竖向位移

施工过程中倾斜与水平两工况下支护结构竖向位移情况如图11所示。取基坑南侧测点W35与基坑西侧测点W38,进行对比分析。可见：倾斜岩层产生的桩顶竖向位移远大于水平岩层,随着基坑开挖,桩顶位移整体趋势呈现下沉,倾斜和水平工况下两者均为靠近基坑角点处沉降量较大,与现场监测结果相一致。倾斜岩层下W35与W38两测点在开挖中沉降最大差值约为1 mm,相比于水平岩层最大差值0.6 mm,增大近40%。W35测点中倾斜岩层的最终沉降值与水平岩层最终值差值为5.5 mm,较水平岩层最终沉降值(4 mm),增加了137.5%。由倾斜互层所致的5.5 mm差值远不能被忽略,总体来看,在倾斜岩层条件下基坑开挖难度较水平岩层更大,易对支护结构造成较大沉降变形。

图11 桩顶竖向位移对比Fig.11 Comparisons between vertical displacements of pile tops

4.3.2周边地表沉降

图12给出了倾斜和水平岩层在基坑开挖结束后周边地表最终沉降曲线。取基坑边测点D1、D2、D3三点位置,分析基坑周边沉降变化情况。可见：随着基坑开挖,倾斜岩层所产生地表周边沉降远大于水平岩层,水平岩层三个测点均在距离基坑约12 m处,沉降值最大约为10 mm。随着离基坑边距离的增大,沉降值缓慢减小。倾斜岩层中,D1与D2两点在基坑南侧,产生沉降变化曲线相似,最大沉降位置产生在距离基坑约12 m处,沉降值约为14.2 mm,位移量增加了42%;而D3在基坑西侧,最大沉降位置产生在距离基坑约25 m位置处,沉降值约为16 mm,较水平岩层增加了近60%。在外荷载(建筑物)一侧,周边沉降值更大,与水平岩层地表相比,增加了6 mm。总体而言,倾斜岩层下降水引发的地表周边沉降更为严重。

图12 周边地表沉降对比Fig.12 Comparisons of subsidence between adjacent ground surfaces

4.3.3地下水变化

地下水渗流随着地层变化呈现出不同形式,图13给出了两种工况下渗流路径的变化情况,可见：在降水井工作过程中地下水渗流路径在两工况下有较大差异。在水平岩层中,降水井开始工作,水流沿着地层选择距离降水井最近路径渗流,随着降水的进行,周边水流均匀向井位置处补给,整体呈现均匀分布;在倾斜岩层中受地层限制,水流只能沿倾斜互层走向方向渗流,降水井工作后,地下水因有天然隔水层的阻隔,使得渗流补给路径局限于倾斜含水层中,这也是两者工况下产生不同渗流路径的根本原因。

a—水平岩层;b—倾斜岩层。图13 渗流路径对比Fig.13 Comparisons of seepage paths

为了呈现两工况降水后的渗流状态,图14给出了两工况下降水井工作后总水位云变化趋势。可见：在降水井工作后,两工况下总水位与渗流路径相对应。在倾斜岩层中,隔水层的存在影响水流渗流路径,水位下降主要集中在倾斜含水互层中,降水后产生不同降水漏斗,使得总水位发生差异,水流向倾斜含水层中补给,水位下降致土体有效应力逐步增大,土层进一步固结沉降。与在多层含水层强水力联系下,最大沉降起初会出现在降水含水层的顶部,但很快会向上移动到地表的现象相似;[20]对于水平岩层中地下水渗流呈现出均匀态,不同深度越流补给现象不明显,降水井工作中总水位均匀下降且降水漏斗常态化。总体来看,在倾斜特殊互层地质条件下基坑降水后引起的沉降规律更加复杂特殊。

a—倾斜岩层;b—水平岩层。图14 降水井工作总水位对比云Fig.14 Comparisons of contours between total working water levels of dewatering wells

基于此,对水位进行了分析。在降水井工作后,在20 m深处沿基坑南侧向外取50 m对比分析倾斜岩层与水平岩层地下水位和有效应力变化情况,结果如图15所示。两工况下降水井均距离基坑边1.5 m,在降水井工作后,水平岩层与倾斜岩层所产生的降水漏斗模式相同,两者均在0～5 m范围内水位快速上升,倾斜岩层水位线斜率相比水平岩层小,并在5.5 m处总水位差值为2 m。随着离基坑边距离的增大,水平岩层总水位均匀缓慢上升;对比倾斜岩层在15,28,41 m位置处水位线斜率的变化,可解释为受倾斜岩层走向及倾角所影响,图中倾斜工况下总水位平缓阶段为含水层作用,该层渗透系数大,水位下降迅速,致使总水位在该范围内变化平缓,中间过渡阶段为隔水层,两者互层渗透系数差异大,使得整个总水位线呈现出阶梯型增长。依据有效应力原理[21]可知：地下水位高低直接影响有效应力的大小,在图15中倾斜岩层中的有效应力曲线同样呈现出阶梯型减小(在距离基坑10 m处,倾斜岩层有效应力为150.3 kN/m2相比水平岩层的138 kN/m2增大了近8.9%)。总体而言,整个范围内倾斜岩层的总水位较水平岩层低2 m,总水位差异直接影响上覆土层有效应力的大小,进而使得基坑周边地表产生差异性不均匀沉降,这是倾斜岩层与水平岩层周边沉降差异之大的原因之一。

图15 总水位和有效应力对比Fig.15 Comparisons of total water levels and effective stress

为体现不同降水漏斗产生不同的周边地表沉降,图16给出了两工况下降水后的沉降变化情况,可见：两种工况模型在降水后产生相似的沉降云,然倾斜岩层产生的沉降云较水平岩层作用范围更深且影响范围广,基坑周边地表最大沉降值达到6.4 mm,相比水平岩层沉降值4.08 mm,变形增大了56.86%,从而直接影响基坑开挖后周边地表的最终沉降。总体来看,随着基坑开挖进行,降水井持续降水,周边地表变形不断增大,两者差值愈来愈大。

a—倾斜岩层;b—水平岩层。图16 降水后地表沉降对比Fig.16 Comparisons of subsidence at the earth’s surface after dewatering

4.3.4基坑底部渗水量

基坑开挖过程中,在基坑角点75 m2范围内取基坑施工步骤开挖四、开挖五工况进行分析,图17给出了倾斜和水平工况下坑内渗出水量变化情况,可见：基坑角点范围内该倾斜岩层的坑内渗水量均大于水平岩层,在基坑开挖过程中,依据开挖深度及岩层分布,该基坑角点范围内在开挖四工况中倾斜互层的坑内涌水量达到18.87 m3/d,相比水平岩层的12.49 m3/d两者相差近50.08%。然而随着开挖深度增大,坑内上覆土量减小,两侧未做合理的止水措施,在开挖五工况结束后基坑临空面处,该范围内倾斜岩层渗水量达到29.65 m3/d,较开挖四工况阶段涌水量增加了57.12%,而相比水平岩层开挖五工况时坑内渗水量16.19 m3/d,两者相差近1.83倍,其根本原因在于随着基坑开挖深度增加,倾斜互层裸露部分增多,且隔水层渗透系数远小于含水层,基坑外单排降水井难以有效控制地下水,使得在倾斜含水层中有大量水流渗出,外加临河条件下水系渗流补给富裕,造成整个基坑内局部区域渗水严重,与现场情况相吻合。总体来看,在基坑开挖过程中倾斜岩层相比水平岩层基坑内涌水更为严重,采取有效方法解决该问题并保证基坑内干作业至关重要。

图17 基坑开挖面渗水量对比Fig.17 Comparisons between seepage volumes from excavation surfaces of the trench

5 分析和讨论

根据现场情况,采用排桩锚索支护不能有效解决此类特殊地层下深基坑开挖途中坑内区域性渗水问题,现场情况如图18所示。在这种复杂的地质条件下,基坑开挖过程中支护结构未做止水措施,加剧了基坑侧壁渗水情况,而开挖面水流主要通过倾斜含水层补给,基坑外侧单排降水井控制坑外水位效率低,不能阻断水流从倾斜层绕流补给坑内,难以保证基坑内干作业,并增加了开挖施工难度。

a—桩间渗水;b—区域渗水。图18 基坑开挖面渗水状况Fig.18 Water seepage conditions of excavation surface of foundation

图19给出了在基坑开挖结束后倾斜岩层与水平岩层的地下水渗流速度变化情况,可见：随着基坑开挖,在倾斜互层中地下水渗流速度分布特征明显,隔含水层渗透系数差异大,进而影响基坑侧壁及坑底临空面处含水层和隔水层渗流速度,在开挖结束后图中红色区域渗流速度为0.4 m/d,明显看出在倾斜岩层下坑内含水层为主要渗流补给,互层走向及倾角均影响地下水渗流路径,这是区别于水平岩层的主要因素。总之,在基坑开挖过程中倾斜岩层下的地下水渗流情况更为复杂特殊。