潮汐作用對(duì)暗埋段道路基坑支護(hù)的影響研究

朱子睿 錢坤林 初相如 姜建雄 范寧

摘 要：潮汐周期性漲落會(huì)影響近岸地下水位，嚴(yán)重威脅濱海城市基坑工程的穩(wěn)定。依托溫州市某暗埋段道路基礎(chǔ)工程項(xiàng)目，綜合考慮復(fù)雜地質(zhì)條件，采用有限元數(shù)值分析方法，對(duì)潮汐作用下基坑周圍孔隙水壓力、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行了深入探討。結(jié)果表明，潮汐作用對(duì)基坑周圍孔壓與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移均有顯著影響，有必要充分考慮潮汐作用對(duì)基坑穩(wěn)定性的不利影響。研究結(jié)果為濱海城市、特別是臨近海（江）水建設(shè)區(qū)域的基坑施工與設(shè)計(jì)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：潮汐作用;基坑;支護(hù);數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU753.8? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）12-0139-03

1引言

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，濱海城市地下道路、高層建筑地下室等地下工程建設(shè)日益增多。然而，濱海城市的地下水位埋深通常較淺[1]，對(duì)于臨近海（江）水的建設(shè)區(qū)域，地下水位受潮汐影響十分顯著，若對(duì)地下水處治不當(dāng)，將引發(fā)基坑失穩(wěn)或預(yù)留風(fēng)險(xiǎn)隱患[2]，甚至威脅人身安全。此外，濱海城市多位于江河入海的沖積平原上，土質(zhì)以淤泥、粉砂、卵石為主，工程性質(zhì)復(fù)雜，加劇了潮汐引發(fā)的基礎(chǔ)失穩(wěn)問題。

潮汐作用下的基坑響應(yīng)研究本質(zhì)上屬于基坑滲流問題。目前，以往學(xué)者的研究主要集中于基坑外水位為常水頭或地下水位穩(wěn)定補(bǔ)給的情況，例如：Bereslavskii等[3]給出了基坑板樁墻周邊穩(wěn)態(tài)滲流的解析解;黃大中等[4]利用 Fourier變換求解了穩(wěn)定滲流條件下基坑周圍的孔壓響應(yīng)半解析解，但對(duì)水位波動(dòng)下的基坑穩(wěn)定性研究相對(duì)較少[5-6]，特別是考慮濱海城市區(qū)域復(fù)雜地質(zhì)情況，潮汐水位波動(dòng)下基坑滲流規(guī)律及其對(duì)基坑性狀的影響有待深入探究。

基于此，本文依托溫州市某暗埋段道路基礎(chǔ)工程，通過現(xiàn)場(chǎng)勘察與數(shù)值模擬手段，對(duì)潮汐作用下濱海城市道路基坑所受影響進(jìn)行研究，為基坑施工安全方案制定提供指導(dǎo)。

2 潮汐作用

本文所探討的潮汐作用主要指規(guī)律性的潮位升降引發(fā)的臨近區(qū)域地下水位波動(dòng)，如圖1所示，潮汐作用的影響范圍通?？筛采w離岸距離90m內(nèi)的大片區(qū)域[7]，該作用在傳遞時(shí)往往會(huì)隨著離岸距離的增加而逐漸減弱[1-8]，且經(jīng)時(shí)間序列分析，受潮汐影響的地下水位變化具有一定滯后性[9]，即地下水位峰值高度出現(xiàn)時(shí)刻會(huì)一定程度滯后于潮汐峰值高度時(shí)刻。

3 工程概況與數(shù)值模型

3.1工程概況

溫州市某臨江地下道路基礎(chǔ)工程項(xiàng)目的施工區(qū)段總長(zhǎng)度為590m（其中暗埋段長(zhǎng)215m，敞開段長(zhǎng)375m），本文聚焦暗埋路段展開研究?；悠拭嫒鐖D2所示，基坑寬度約21.5m，深度10m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐（第一道為砼支撐，第二道和第三道為鋼支撐）的形式，支護(hù)樁外側(cè)采用三軸水泥土攪拌樁做止水帷幕，基坑底采用三軸水泥土攪拌樁加固。

經(jīng)勘察，該工程區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜、土性較差（含深厚軟弱淤泥層），自上向下主要包括5個(gè)地質(zhì)層，依次為：①填土層：主要粒徑在2～35cm，具有中～高壓縮性，深度約1m;②粘土層：多呈高壓縮性，深度約1m;③淤泥層：具有高壓縮性與高靈敏度，深度約24m;④粉質(zhì)粘土層：具有中壓縮性，深度約8m;⑤圓礫層：粒徑在2～110mm且分布不均，具有低壓縮性，深度約4m。此外，區(qū)內(nèi)地下水位埋深約2m，水位變化幅度在1～2m，且工程臨近東海支流甌江，水位受潮汐影響顯著。本文潮汐作用下地下水位波動(dòng)周期取0.5天與0.2天，波動(dòng)幅度取1m與2m。

3.2數(shù)值模型

根據(jù)上述工程概況，采用MIDAS/GTS三維有限元數(shù)值分析軟件進(jìn)行數(shù)值建模。本文數(shù)值模型的剖面尺寸見圖2，長(zhǎng)度取20m;由于基坑尺寸較為規(guī)則，網(wǎng)格劃分以六面體網(wǎng)格為主進(jìn)行映射，劃分結(jié)果如圖3所示，共劃分約1.6萬個(gè)單元，各層土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1;基本邊界條件的設(shè)置采用了MIDAS/GTS的自動(dòng)約束功能，并在左右兩側(cè)設(shè)置了動(dòng)態(tài)水頭邊界，以模擬潮汐作用下的地下水位變化情況;此外，滲流分析從開挖后開始計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1潮汐作用對(duì)基坑周圍孔隙水壓力的影響

為探討潮汐水位變化對(duì)基坑周圍孔壓產(chǎn)生的影響，本文在緊鄰基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)四周取1～7號(hào)共計(jì)7處位置作為研究標(biāo)記點(diǎn)，且孔壓變化ΔP以無量綱化的形式表示，見公式（1）。

（1）

式中：P0為初始水位對(duì)應(yīng)孔壓值，kPa，本文取平均水位（即埋深2m）;Pi為t=i時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的孔壓值，kPa。

水位升降1個(gè)完整周期內(nèi)各標(biāo)記點(diǎn)處的孔壓變化結(jié)果如圖4所示?？梢姡孩僭诔毕簧底兓倪^程中，基坑周圍各標(biāo)記點(diǎn)處的孔隙水壓力也隨之改變，孔壓變化量在水位峰值處（即t=0.25T）達(dá)到最大值，在水位變化1個(gè)周期后（即t=1.00T），孔壓逐漸恢復(fù)至初始孔壓結(jié)果;②孔壓變化量沿著埋深增大而減小，即基坑底部標(biāo)記點(diǎn)3～5的孔壓變化量結(jié)果顯著小于其他標(biāo)記點(diǎn)結(jié)果，且基坑主動(dòng)側(cè)（標(biāo)記點(diǎn)1、2、3）孔壓變化量比被動(dòng)側(cè)（標(biāo)記點(diǎn)5、6、7）大;③相比較而言，當(dāng)水位波動(dòng)幅度相同時(shí)（如：圖4a與圖4b），波動(dòng)周期越短，孔壓變化值越高，而當(dāng)波動(dòng)周期相同時(shí)（如：圖4b與圖4c），波動(dòng)幅度越大，孔壓變化值越高。因此，潮汐作用對(duì)基坑周圍孔壓有顯著影響。

4.2 潮汐作用對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特性的影響

進(jìn)一步，基坑內(nèi)壁四周取8～12號(hào)共計(jì)5處位置作為研究標(biāo)記點(diǎn)，且僅討論支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，見公式（2）。

（2）

式中：L0為初始水位對(duì)應(yīng)的水平位移值，mm;Li為t=i時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的水平位移值，mm。

水平位移變化如圖5所示：①隨著潮汐水位升降變化，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化量逐漸增加，呈現(xiàn)出累積特點(diǎn);②水平位移變化量沿著埋深增加而增大，即基坑底部位移量高于頂部，且基坑主動(dòng)側(cè)（標(biāo)記點(diǎn)8、9）水平位移變化量大于被動(dòng)側(cè)（標(biāo)記點(diǎn)11、12）;③潮汐作用越強(qiáng)（波動(dòng)幅度大、波動(dòng)周期短），對(duì)應(yīng)水平位移變化量越大。因此，潮汐作用對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特性的影響同樣顯著。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于臨近海（江）水的城市道路基坑工程而言，潮汐作用會(huì)使得地下水位周期性波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致基坑周圍孔隙水壓力隨之變化，結(jié)果表明：水位變化至波峰時(shí)出現(xiàn)最大的孔壓變化值，而變化一個(gè)周期后，孔壓恢復(fù)至平穩(wěn)孔壓值;基坑主動(dòng)側(cè)孔壓變化量高于被動(dòng)側(cè);且潮汐作用越強(qiáng)，孔壓變化量比值越大，最高可達(dá)約10%。

（2）潮汐作用對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特性的影響同樣顯著，隨著潮汐水位升降，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移變化量比值逐漸增加，呈現(xiàn)出累積特點(diǎn);此外，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移程度隨著潮汐作用強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，且主動(dòng)側(cè)位移程度高于被動(dòng)側(cè)。

（3）根據(jù)上述潮汐作用影響規(guī)律，在濱海城市道路基坑施工及支護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí)，特別是感潮強(qiáng)烈區(qū)域及月份，有必要充分考慮潮汐作用對(duì)基坑穩(wěn)定性的不利影響。

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