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蘭州地鐵濕陷性黃土深基坑在降低水位條件下的滲流穩(wěn)定性分析

2017-04-10 01:10:14王曉莉朱彥鵬
中國鐵道科學 2017年1期
關(guān)鍵詞:樁體軸力滲流

周 勇,王曉莉,朱彥鵬,高 升

(1.蘭州理工大學 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室,甘肅 蘭州 730050;2.蘭州理工大學 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心,甘肅 蘭州 730050;3.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,陜西 西安 710043)

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快與地下空間開發(fā)利用的發(fā)展,基坑工程已經(jīng)成為一個重要的研究課題?;拥拈_挖深度越來越深,遇到的地下水問題也逐漸增多,基坑降低水位引起的地下水滲流對土體受力和變形有著不容忽視的影響,地下水控制已成為巖土工程中的又一大技術(shù)難點與熱點[1]。

近年來,國內(nèi)針對基坑的研究較多[2-9],張勇等[10]利用非穩(wěn)定井流理論和土力學基本原理,探討了基坑降低水位設(shè)計中引起基坑周圍地面沉降的預測方法;周念清等[11]采用三維有限差分法對基坑降低水位進行數(shù)值模擬,同時對基坑降低水位引起的地面沉降進行計算,分析了基坑降低水位施工對周邊環(huán)境的影響;王超等[12]采用線性擬合控制圖法對基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)進行動態(tài)分析并對深基坑樁錨支護體系的穩(wěn)定性作出評價;陳興賢等[13]采用有限元數(shù)值分析方法對深基坑降低水位三維變參數(shù)非穩(wěn)定滲流地面沉降耦合模型進行求解,預測松散沉積層中深基坑降低水位引起地面沉降的變化特征;王建秀等[14]采用頂板逆回彈系數(shù)對由分層總和法計算的地表沉降進行修正;周勇等[15]通過有限元法及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對蘭州地鐵1號線某車站基坑開挖降低水位過程中地下管道的位移進行分析,總結(jié)了管道的變形規(guī)律。前人對基坑降低水位引起地面沉降的預測方法、基本原理、基坑監(jiān)測以及降低水位對地下管道的影響均有一定的研究,研究成果較為豐富,而目前關(guān)于地鐵深基坑樁撐圍護結(jié)構(gòu)的全過程監(jiān)測和降低水位滲流分析的研究較少。

蘭州市地處濕陷性黃土地區(qū),巖土體類型變化范圍較大,水文地質(zhì)條件特殊,該市某地鐵車站的深基坑工程設(shè)計中首次采用樁撐支護體系。因此,本文以該工程為例,實時監(jiān)測并分析濕陷性黃土深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形、坑周地表沉降和降低水位;采用Midas Gts軟件建立車站端頭井的三維滲流應力耦合模型,分析車站深基坑在降低水位條件下的滲流穩(wěn)定性,以及車站深基坑分階段開挖過程中的圍護結(jié)構(gòu)變形、坑周地表沉降,并與實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析,積累蘭州地區(qū)地鐵車站深基坑降低水位、分布開挖、鋼支撐支護的施工經(jīng)驗。

1 工程概況

蘭州某地鐵車站的設(shè)計里程為YCK9+691.338—YCK9+908.080,全長216.742 m,標準段寬21.80 m(加寬段寬22.40 m),總高19.49 m,結(jié)構(gòu)底板埋深22.65 m,擬采用明挖順做法施工。車站結(jié)構(gòu)為地下3層;車站設(shè)置4個出入口,每側(cè)各設(shè)置2個;車站右側(cè)起點和終點處各設(shè)有3個風井。圍護結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁+鋼支撐支護。

1.1 工程地質(zhì)概況

該車站所在區(qū)域的地貌單元為黃河高漫灘,地形較平緩,地面高程約為1 526.26~1 529.39 m。在場地西南部存在水塘,塘底高程約為1 519.5 m,經(jīng)人工改造塘底已填高約10.0 m。在地質(zhì)勘測鉆探深度內(nèi),從上往下地層依次為:人工填土、中砂、卵石1和卵石2。由于雜填土成分復雜,含有卵石、粉土、生活和建筑垃圾等,因此結(jié)構(gòu)松散,工程性能差,滲透系數(shù)大,對基坑坑壁穩(wěn)定和地面建筑地基穩(wěn)定不利。根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果,車站場地地層自上而下劃分為4層,各層的物理力學指標見表1。

表1 車站場地地層的物理力學指標

1.2 水文地質(zhì)概況

該工程所在區(qū)域的氣候?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L氣候,降雨量少,年平均降水量僅為293.5 mm。地下水類型屬斷陷盆地松散巖類孔隙潛水,主要賦存于卵石1和卵石2層中,是蘭州市的主要水源地。區(qū)域內(nèi)有大厚度砂卵礫石構(gòu)成的含水層,最大厚度可達316.77 m。該砂卵礫石層大致可分為2層:上部為疏松的砂礫卵石,厚度約為150 m,含水量較為豐富;下部的砂礫卵石顆粒變細,且較密實。地下水位埋深為4.37~5.51 m,相應的地下水位高程為1 523.485~1 523.980 m。地下水位具有由南西向北東緩慢降低的趨勢。地下水位高低的變化規(guī)律與季節(jié)變化同步,水位變化幅度一般為1.0~1.5 m,高水位期約有3個月(7月—9月),季節(jié)性變化明顯。

1.3 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

對根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[16]和《蘭州地鐵1號線試驗段工程技術(shù)要求》的相關(guān)規(guī)定:基坑安全等級按一級考慮,內(nèi)力計算方法按增量法進行計算,地面超載取20 kPa。主體圍護結(jié)構(gòu)采用φ800@1 400鉆孔灌注樁+鋼支撐支護形式,樁間采用C20鋼筋網(wǎng)噴混凝土,樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁,截面寬×高(b×h)=0.8 m×0.8 m?;迂Q直方向采用3道鋼支撐,第1道與第2道鋼支撐的間距為4~6 m,第2道與第3道鋼支撐的間距為2~3 m。鋼支撐采用φ609鋼管支撐,壁厚δ=16 mm,第1道鋼支撐直接支撐于冠梁預埋件上,第2和第3道鋼支撐支撐在鋼圍檁上。樁身混凝土強度等級為C30,樁護壁混凝土強度等級為C20;受力鋼筋采用HRB400,箍筋采用HPB300。

1.4 降低水位設(shè)計

針對該車站距離黃河較近,施工時又處于夏季,同時考慮蘭州地區(qū)具有的水泵種類等因素,共設(shè)置降水井40眼,直徑均為0.8 m;布設(shè)在主體結(jié)構(gòu)圍護樁的外緣,降水井中心距圍護樁外緣3 m;在車站標準段,降水井的井深為30 m,間距為14~15 m;在車站端頭,降水井的井深為35 m,間距為10~11 m。

基坑周邊設(shè)置排水明溝,從降水井抽出的地下水通過場地兩側(cè)的排水明溝、沉淀池統(tǒng)一排放至場地外側(cè)的排水溝內(nèi),然后再排入市政污水管道內(nèi)。

2 基坑監(jiān)測方案

基坑采用明挖順作法施工,2014年8月3號開始降低水位。8月24日,基坑開挖深度為1.4 m,在ZL07處安裝第1道鋼支撐;9月15日,基坑開挖深度為6.9 m,在ZL07處安裝第2道鋼支撐;9月25日,基坑開挖深度為12.9 m,在ZL07處安裝第3道鋼支撐。基坑開挖深度H較大,周邊環(huán)境復雜,所以從基坑邊緣起至基坑外周圍1.5H范圍內(nèi)為需要保護的環(huán)境。對該范圍內(nèi)的支撐體系、圍護樁和周邊環(huán)境進行監(jiān)測,測點布置如圖1所示,主要監(jiān)測項目見表2。

圖1 基坑監(jiān)測點布置圖

序號監(jiān)測項目監(jiān)測儀表測點位置測點間距測量精度允許值1樁體水平位移經(jīng)緯儀、全站儀沿基坑長邊設(shè)3~4個主測面(在圍護樁上布設(shè)測點),在基坑長短邊的中點、基坑陽角(基坑突出來的部位)處增設(shè)測點基坑每邊不少于3個10mm≤040%H或≤50mm2樁頂垂直位移水準儀同上同上10mm≤10mm3地下水位PVC管、電測水位計在基坑的四角及基坑的長短邊中點處均增設(shè)測點間距20~40m,距圍護結(jié)構(gòu)外15~20m50mm4坑周地表沉降水準儀基坑四周距坑邊10m范圍內(nèi)設(shè)2排,在工法變化部位增設(shè)測點排距30~50m點距5~10m10mm≤030%H5基坑底部隆起水準儀根據(jù)基坑長度在基坑中線處布設(shè)2~3個測點10mm50mm6支撐軸力軸力計、應變計在基坑內(nèi)鋼支撐端部布設(shè),沿主體基坑長邊支撐體系每1774m布設(shè)1個測點10~15m015%Fs(儀器測量的相對誤差是滿量程的015%)

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

限于篇幅,在此僅選擇樁體水平位移、坑周地表沉降、支撐軸力和地下水位的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

3.1 樁體水平位移

選取車站東側(cè)端頭井CX07,CX08和CX09這3根樁的樁體水平位移進行分析。樁體水平位移曲線如圖2所示,其中正值表示樁體向外位移,負值表示樁體向內(nèi)位移。由圖2可知:樁體水平位移均呈現(xiàn)中間增幅大、兩端增幅小的特征;在開挖過程中,圍護樁呈現(xiàn)向坑內(nèi)變形的弓形位移曲線;隨著深基坑的開挖和鋼支撐的施加,最大樁體水平位移發(fā)生的部位隨之下移;在施加鋼支撐后,樁體水平位移增加的速度有所減慢,說明鋼支撐在一定程度上可以限制樁體的水平位移。

CX09樁,樁體呈前傾型變形,樁頂水平位移最大,并且隨著深基坑開挖的深度增加,開挖面的暴露時間過長,樁體在3~16 m埋深范圍內(nèi)水平位移有顯著的增加; 9月6日,樁體最大水平位移為14.07 mm,發(fā)生在深度10 m左右;9月16日,樁體最大水平位移增大到16.02 mm,發(fā)生部位下移至深度11 m左右;10月26日,樁體最大水平位移增加至28.09 mm,發(fā)生位置進一步下移到深度12 m附近;在此過程中,樁頂水平位移從0.09 mm增加到13.30 mm,深基坑底部處的樁體水平位移始終很小,說明圍護樁5 m的嵌固深度滿足要求。

3.2 坑周地表沉降

受到場地觀測條件的限制,未能在坑周連續(xù)布點,只布設(shè)了3個地表沉降測點。DB15—DB17測點處坑周地表沉降隨測量日期的變化曲線如圖3所示,圖中負值表示沉降。由圖3可知:3個測點處的坑周地表沉降均不大,這是由于樁體與土體之間的相互作用控制了土體的變形;從深基坑開挖初始,地表則開始發(fā)生沉降,但量值非常小,僅為0.7 mm;隨著深基坑開挖深度的增加,到9月30日基坑開挖至設(shè)計標高處時,DB15測點的坑周地表沉降增至17.9 mm,在此之后3個測點處的坑周地表沉降趨于穩(wěn)定;最大坑周地表沉降發(fā)生在基坑邊緣,在遠離深基坑坑壁延伸方向,坑周地表沉降逐漸變??;總體坑周地表沉降小于地面最大沉降限值。

圖2CX07,CX08和CX09樁在不同日期時樁體水平位移的變化曲線

圖3 坑周地表沉降變化曲線

3.3 支撐軸力

選取ZL17處上、中、下3道支撐典型測點處的鋼支撐軸力進行分析,其鋼支撐軸力隨測量日期的變化曲線如圖4所示。由圖4可知:8月24日第1道鋼支撐軸力的初始值為470 kN,隨著深基坑開挖,9月15日時鋼支撐軸力增大到819 kN,這是由于深基坑開挖引起迎土側(cè)土壓力增大,而土體卸載,被動土壓力減小,樁體產(chǎn)生向基坑內(nèi)的變形,引起鋼支撐軸力增大;9月13日到9月17日,第1道鋼支撐軸力從741 kN下降到611 kN,這是由于第2道鋼支撐分擔了第1道鋼支撐承受的側(cè)壓力;自9月25日起,隨著第3道鋼支撐的安裝,第1和2道鋼支撐的軸力趨于穩(wěn)定并且保持在620 kN左右,期間軸力上下波動,可能是由于機械施工的停歇、溫度的變化和土方開挖深度不一致等因素的影響;自10月23日第3道鋼支撐拆除以后,第2道鋼支撐軸力呈現(xiàn)明顯增大的趨勢,第1道鋼支撐軸力緩慢減小,可能是因為深基坑開挖至設(shè)計標高,被動土壓力較小,樁體底部位移向深基坑內(nèi)側(cè)發(fā)展,上部樁體產(chǎn)生向外側(cè)的位移。

圖4 支撐軸力變化曲線

3.4 深基坑開挖期間水位變化監(jiān)測

選取SW07,SW08,SW09,SW10,SW11和SW12這6個典型水位監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行分析,其水位變化量(水位變化量=本次水位-初始水位,“-”值代表水位降低)隨時間的變化曲線如圖5所示。由圖5可知:深基坑在開挖前20天開始降低水位,即從8月3日深基坑開始降低水位到8月23日深基坑開挖時為止,地下水位降低了5 m左右;整個深基坑開挖期間,其中在8月23日至10月15日,水位下降趨勢明顯并保持在深基坑開挖面以下;以后水位降低趨于穩(wěn)定并且保持在20 m左右;深基坑開挖期間地下水位波動較大,這是因為7月至9月是本地區(qū)的高水位期且恰逢雨季。因此,為保證深基坑的安全施工,又不至于過度降低水位造成地表沉降,故根據(jù)監(jiān)測值有效控制水位降低是十分重要的。

圖5 監(jiān)測點水位變化量隨時間的變化曲線

4 基坑開挖滲流模擬與分析

4.1 數(shù)值模型

對車站端頭井建立三維滲流應力耦合的數(shù)值模型。在數(shù)值模型中,設(shè)置降低水位在深基坑開挖前20 d開始,在模型兩側(cè)施加初始水頭邊界(水頭值28.0 m),對于降水井采用節(jié)點總水頭隨時間變化的函數(shù)進行模擬。井中水頭隨時間變化的規(guī)律為:第0~20 d,水頭從28 m降到20 m;第20~25 d,水頭從20 m降到17 m;第25~30 d,水頭從17 m降到14 m;第30~40 d,水頭從14 m降到11 m;其后水頭一直保持在井底;這與實際降低水位過程中使泵位始終保持在一定高度是一個道理。

在數(shù)值模型中,通過激活、鈍化網(wǎng)格組實現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)置和深基坑開挖的過程。土體采用實體單元,圍護樁、鋼支撐、混凝土冠梁及腰梁等采用梁單元進行模擬,土體選用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則,圍護樁和內(nèi)撐采用線彈性本構(gòu)模型進行模擬。模型四周設(shè)置法向約束,底面固定,表面為自由邊界,無約束。由于深基坑周圍施工器械和車輛作用荷載不確定,故根據(jù)工程經(jīng)驗,擬采用20 kPa作為深基坑四周的荷載。由此建立的有限元計算模型如圖6所示,圍護結(jié)構(gòu)單元如圖7所示。

圖6 有限元計算模型

4.2 模擬工況

先計算深基坑開挖之前土體的初始滲流場和在自重作用下的初始地應力場,由于在深基坑開挖前地基變形已經(jīng)穩(wěn)定,因此將其位移清零,即將其在自重作用下的變形清除;再設(shè)置打入樁,施工過程中圍護樁的變形不計入基坑開挖引起的深基坑變形。具體施工步驟見表3。

圖7 圍護結(jié)構(gòu)單元

表3 深基坑開挖以及支撐支護步驟

4.3 降低水位滲流分析

選取第2步和第3步中的總水頭和孔隙水壓進行分析??偹^和孔隙水壓如圖8所示。

由圖8可知:深基坑未開挖時,深基坑內(nèi)外不存在水頭差,壓力水頭是由外界的滲流壓力產(chǎn)生的,水流保持平衡,孔隙水壓力呈現(xiàn)水平分布,內(nèi)外土體處于相對靜止狀態(tài);隨著深基坑的開挖,水平向孔隙水壓力失衡,深基坑內(nèi)外產(chǎn)生了水頭差,導致深基坑發(fā)生滲流作用;在深基坑底部接近圍護樁處,孔隙水壓力由深基坑外側(cè)到內(nèi)側(cè),這是由于滲流作用使孔隙水壓力逐漸變小;隨著深基坑開挖深度的增加,深基坑內(nèi)外水壓力差增大,引起坑外向坑內(nèi)的滲流。

在坑外降低地下水位,引起有效應力增加,進而加大了坑周地表的沉降。因此,降低水位過程中應密切關(guān)注坑周地表的沉降情況,避免深基坑事故的發(fā)生。

4.4 模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的對比分析

分別對考慮流固耦合、不考慮流固耦合進行數(shù)值模擬,并與實測結(jié)果進行對比分析。

1)樁體水平位移

模擬結(jié)果選取CX09樁第4施工步中的樁體水平位移,實測值選取10月26日(深基坑開挖至設(shè)計標高,此時樁體水平位移最大)CX09樁處的樁體水平位移,三者的對比曲線如圖9所示。

圖8 總水頭和孔隙水壓的云圖

由圖9可知:有、無考慮降低水位的樁體水平位移變化趨勢較為相似,總體上,考慮降低水位作用時的樁體水平位移明顯大于忽略地下水作用的情況,并且比監(jiān)測值大,有、無考慮水位降低條件的模擬值最大相差33%,這是因為深基坑降低水位時,水流對土骨架產(chǎn)生影響,導致樁體水平位移增大;實測的最大位移位于二者之間,說明考慮滲流的模擬結(jié)果可較好地反映深基坑四周土體的變形情況,不考慮滲流作用的模擬值偏于不安全,與馮懷平等[17]所得不考慮水位降低情況下滲流作用的結(jié)果遠小于實測值的結(jié)論相吻合;模擬位移曲線與實測位移曲線的變化不完全一致,這是由于施工過程中基坑周圍環(huán)境復雜,加之可變荷載、工程機械和時間效應等的影響,而現(xiàn)有的數(shù)值模擬方法又不能考慮周全而導致的。

圖9 樁體水平位移模擬結(jié)果與實測值的對比分析

2)坑周地表沉降

實測值取僅有的3個觀測點的坑周地表沉降的平均值,考慮流固耦合和不考慮流固耦合的模擬結(jié)果均取距深基坑邊不同距離處的坑周地表沉降值,三者對比曲線如圖10所示。由圖10可知:實測值與模擬結(jié)果較為相近,考慮地下水影響的結(jié)果與實測值更為接近,二者最大誤差為6%;考慮地下水影響的結(jié)果比不考慮時增大28%,最大沉降量為19.6 mm,與梅源等[18]統(tǒng)計的濕陷性黃土深基坑地表最大豎向變形主要集中在0.65~2倍的圍護樁最大側(cè)向變形范圍內(nèi)吻合,這是因為工程降低水位使土體的孔隙水壓力降低,土體固結(jié),產(chǎn)生沉降;由于地下水的抽取形成抽水漏斗,其地下水源的補給,使坑周地表沉降整體呈現(xiàn)拋物線形;距離深基坑邊緣50 m以外依然有沉降發(fā)生,最大沉降范圍在距樁體20 m以內(nèi)。

圖10 基坑坑周地表沉降

3)深基坑底部隆起

數(shù)值模擬的深基坑底部隆起量曲線圖如圖11所示。由圖11可知:無論是否考慮地下水的影響,深基坑底部隆起曲線均呈現(xiàn)相似的變形規(guī)律,即在深基坑對稱面上坑底隆起最大,在深基坑坑底圍護樁附近坑底兩側(cè)底部隆起最小,且沿坑底兩側(cè)向中心增大,此處曲率最大。這是因為坑底隆起是由深基坑開挖卸載回彈引起的,而圍護樁與土體作用產(chǎn)生的摩阻力又減小了圍護樁附近的坑底隆起。

圖11 深基坑底部隆起曲線

5 結(jié) 論

(1)在考慮水位降低條件下進行深基坑開挖,樁體變形表現(xiàn)出中間增幅大,兩端增幅小的特征,

最大水平位移點在開挖面附近。隨著開挖深度的增加,樁體受到的主動土壓力增加,被動土壓力減小,并且開挖的深度越大,樁體水平位移越大,最大值出現(xiàn)在深基坑開挖深度的1/2至2/3處。

(2)監(jiān)測結(jié)果表明,鋼支撐的拆除對相鄰鋼支撐的軸力有較大影響。因此為防止由于支撐軸力的突然增大而引發(fā)深基坑破壞,應合理設(shè)計拆除方案,時刻關(guān)注支撐拆除對鄰近支撐軸力的影響,降低由此引發(fā)的危險。

(3)孔隙水壓力在深基坑底部圍護樁附近呈現(xiàn)由坑內(nèi)向坑外增大趨勢。在深基坑內(nèi)側(cè)降低水位可減小滲透水壓力對圍護結(jié)構(gòu)的影響,增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;在深基坑外側(cè)降低水位則會導致有效應力增加,加大地面沉降。

(4)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果較為接近,有、無考慮水位降低條件的坑周地表沉降和坑底隆起曲線大致相同,但考慮水位降低條件下的樁體水平位移模擬結(jié)果較大;說明考慮深基坑降低水位作用使模擬結(jié)果偏于安全。

(5)采用鉆孔灌注樁加鋼支撐這種支護方案可有效地控制樁體水平位移及坑周地表沉降,實測的最大樁體水平位移在25~33 mm之間,小于50 mm的允許值,此支護類型適用于蘭州這樣地處濕陷性黃土地區(qū)的類似地鐵深基坑工程的施工。

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