地下水位高度对深基坑稳定性的影响规律研究

王传霖

(中铁四局集团有限公司，安徽 合肥　230023)



地下水位高度对深基坑稳定性的影响规律研究

王传霖

(中铁四局集团有限公司，安徽 合肥230023)

摘要：文章针对深基坑，较系统地研究了降水深度对基坑稳定性的影响规律，包括连续墙水平位移、横向支撑压应力和基坑周围土体位移分布，并考虑不同水位条件下土层粘结力、摩擦角、变形模量、泊松比和侧压力系数等力学参数的变化。结果显示，地下水位高度对基坑的稳定性有较大影响，研究结论对类似工程具有一定的参考价值。

关键词：深基坑；地下水位高度；土层力学参数；基坑稳定

随着经济发展,越来越多的城市由于地面空间的发展限制,开始重视地下空间的利用与开发,大量的地下工程,如地铁、地下商场等开始涌现。为了满足地下主体结构的施工空间,基坑的规模越来越大,近年来我国基坑深度已发展至30 m以上[1]。在深基坑的设计与施工中,有效控制地下水对基坑稳定性的影响至关重要,基坑工程事故多数与地下水的作用及对其处理不当有关[1]。

深基坑周围土层中的地下水不仅会对围护结构产生压力,更重要的是改变了土层的力学属性。文献[2]通过试验研究了含水量对粉质黏土摩擦角和粘结力的影响。文献[3]通过理论结合试验的方法,探讨了非饱和土的抗剪强度指标粘结力C和摩擦角φ值随含水量ω变化的一般规律。文献[4]通过土样试验,并结合回归分析得到了非饱和土抗剪强度计算公式中各参数的含水量ω表达式。文献[5]使用HM-1型回弹模量仪对非饱和含黏砂土进行不同含水率的回弹模量试验。

目前,对深基坑的稳定性以及支护结构设计验算多采用传统的解析方法或相关的规范方法,该类方法中一般考虑水土分算,且该方法对较复杂的深基坑往往做简化处理,很难实现将基坑周围土层与支护结构作为一个整体系统计算。数值分析方法由于能考虑土层分层情况和土的性质、支撑系统分布及其性质、土层开挖和支护结构支设的施工过程以及周边建(构)筑物存在的影响等复杂因素,已成为深基坑工程分析的最有效方法[6]。但是,多数数值方法计算中没有考虑含水量对土层力学特性的影响[7-9]。

本文主要针对深基坑,较系统地研究地下水位不同高度对基坑稳定性的影响规律。

1模型及边界条件

本研究假定基坑工程开挖深度为20 m,宽度为20 m,围护结构采用连续墙,入土深度为基坑底部以下20 m。基坑内竖向设4道混凝土支撑,支撑断面尺寸为1 m×1 m,混凝土支撑水平间距取6 m。图1所示为计算模型,模型宽为120 m,高为80 m,模型左右边界固定x方向的位移,模型下边界固定所有位移,且考虑到基坑纵向宽度远大于横向宽度,整个模型忽略y方向的位移，基坑两侧10 m范围内各施加20 kPa的施工荷载。地下水位h为可变量,分别设为20 m、25 m和30 m,即基坑底部以下5 m和10 m。

图1　计算模型图

模拟研究过程包括建模(包括土层及支护结构模型)、计算初始地应力、设定支护结构、基坑开挖(同时监测围护结构变形情况)及整理分析计算结果。

2计算参数设定

2.1土层参数

模型尺寸范围内假定地表以下38 m范围内为粉质黏土层,以下为风化岩层,连续墙深入风化岩层为2 m。地层采用摩尔-库仑模型进行模拟计算。计算中需要设置的参数为土层的粘结力C、摩擦角φ、侧压力系数K、变形模量E和泊松比ν。

依据文献[2],通过直剪实验归纳得到的粉质黏土土层含水量与粘结力和摩擦角的近似关系为

C=-8.960 9ω+222.78

(1)

(2)

其中,ω为含水量(%)。在本模拟研究中,假定地下水位以上土体含水量ω为21%,地下水位以下土体含水量ω为15%,变形模量取23 MPa。

泊松比和侧压力系数[10]近似取值分别为

(3)

(4)

具体土层计算参数见表1所列。

表1　土层计算参数

2.2支撑结构计算参数

连续墙和横向支撑采用各向同性弹性模型进行模拟计算,其弹性模量取值为3.2×107kPa,泊松比为0.2,密度为2 450 kg/m3。

图2所示为不同h值条件下连续墙围护结构的水平位移。由图可见,随着h值增大,基坑底部以下连续墙的水平位移呈递减趋势,h=25 m和h=30 m时的连续墙最大位移相比于h=20 m,分别减小了10%和20%左右,可见地下水位对连续墙围护结构的水平位移及受力情况有较大影响。

图3所示为不同h条件下第4层混凝土支撑最大压应力。由图可见,随着h值加大,压应力呈递减趋势,h=25 m和h=30 m时的支撑压应力相比于h=20 m,分别减小了14.5%和22%。另外,不同降水深度对第1、第2、第3层支撑压应力影响较小。

图2　连续墙水平位移

图3　横向支撑的最大压应力

图4所示为位移值不小于6 mm的基坑周边土层位移分布云图。由图可见,随着h值增大,基坑外侧和坑底下部位移分布范围逐渐减小,最大位移发生在基坑底部。

图4　基坑周边土层位移分布

3结论

(1) 深基坑工程中,粉质黏土地层降水可以提高土层的摩擦角及粘结力,有效降低围护结构受力。

(2) 深基坑工程中,由于土体卸荷,最大位移为基底隆起,提高注浆加固等手段是提高基坑底部一定范围土体的强度,可以有效提高基坑稳定性。

〔参考文献〕

[1]中国土木工程学会土力学及岩土工程分会.深基坑支护技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[2]张存根,张怀静.粉质黏土含水量与抗剪强度参数关系的试验研究[J].华东科技学院学报,2011,8(2):27-29.

[3]陈海明,班凤其,刘小伟.非饱和土抗剪强度指标C、φ值与含水量ω的关系[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2006,29(6):736-738.

[4]边加敏,王保田.含水量对非饱和土抗剪强度参数的影响研究[J].地下空间与工程学报,2011,7(1):17-21.

[5]张磊,苗强强,陈正汉,等.含水率变化对路基回弹模量的影响[J].后勤工程学院学报,2010,26(3):13-16.

[6]王卫东,王浩然,徐中华.基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究[J].岩土力学,2012,33(8):2283-2290.

[7]方诗圣,孙东晨,杨仲杰.土岩结合地区某深基坑变形监测与数值模拟分析[J].工程与建设,2013,27(3):380-382.

[8]潘锋,王国体.柔性支护深基坑工程中土压力的有限元模拟[J].工程与建设,2009,23(5):690-692.

[9]何璠,朱大勇,卢睿,等.地铁车站基坑围护结构变形规律的数值模拟研究[J].工程与建设,2014,28(3):388-391.

[10]刘国彬,王卫东.深基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

收稿日期：2016-03-12；修改日期：2016-03-16

作者简介：王传霖(1964-)，男，安徽淮南人，中铁四局集团有限公司高级工程师．

中图分类号：TU463

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)02-0236-03