地下連續(xù)墻在含水地層基坑開挖中的應(yīng)用研究

汪 洵

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局三一三地質(zhì)隊(duì)，安徽 六安 237000)

0 前言

地下水水位較淺時，基坑開挖施工危險性較大，常遇到基底突水，開挖墻體突水突泥，給基坑開挖施工的安全性帶來極大影響，為此，水位較淺環(huán)境的基坑開挖施工需要進(jìn)行特別加固措施處理，而地下連續(xù)墻尤其是混凝土地下連續(xù)墻在基坑開挖施工中的應(yīng)用極為廣泛，由地下連續(xù)墻支撐條件下的基坑開挖能夠在長期有水環(huán)境下穩(wěn)定存在。針對混凝土地下連續(xù)墻的基坑加固支護(hù)方式，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了廣泛研究。黃茂松等[1]對成槽的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：三維楔形體模式的驗(yàn)算方法在飽和黏土中存在一定的不足，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。張思源等[2]對不同接頭型式的地下連續(xù)墻在基坑開挖工程中對地下連續(xù)墻位移和受力特征的影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：剛性接頭較柔性接頭而言，在增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向變形抵抗能力，降低整體結(jié)構(gòu)內(nèi)部支護(hù)受力上具有顯著優(yōu)勢，整體性更好。黃阜等[3]研究了槽壁坍塌問題，研究結(jié)果表明：地連墻槽壁的安全性，主要受到土體自身的物理力學(xué)特征的影響，以及成槽中用于護(hù)壁的泥漿的黏聚力、高度、重度的影響，且與不同的特征間有著不同的變化趨勢。李鏡培等[4]通過廣泛應(yīng)用的半無限土體中樁基影響土體受力和變形的圓孔擴(kuò)張理論解答為基礎(chǔ)，對與基坑地下連續(xù)墻相鄰近的靜壓沉樁施工影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：地下連續(xù)墻附近的靜壓沉樁施工將會極大影響基坑地下連續(xù)墻的穩(wěn)定性，特別是地下連續(xù)墻的側(cè)向位移，規(guī)律為隨著沉樁深度的增加地下連續(xù)墻產(chǎn)生的側(cè)向水平位移也不斷增大。徐中華等[5]研究了緊鄰超深基坑的管線和建筑物受基坑開挖的影響。研究結(jié)果表明：為了不使周邊環(huán)境受基坑開挖的影響，施工措施諸如分坑順作方法的應(yīng)用、兩墻合一式地下連續(xù)墻的修筑能夠有效降低基坑開挖對周邊建筑物的影響。樓愷俊等[6]應(yīng)用PLAXIS3D軟件，對基坑施工過程進(jìn)行了模擬研究，研究結(jié)果表明：對于杭州典型黏土地區(qū)，墻深決定了基坑的抗隆起效用，而就基坑抗傾覆能力而言，墻深和加固土深度對其影響作用大致相同。蔡子勇等[7]研究了基坑開挖工程中支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對基坑的穩(wěn)定性影響，研究結(jié)果表明：基坑經(jīng)過優(yōu)化后，不但可以節(jié)約成本，且對基坑變形有明顯改善，優(yōu)化方法實(shí)際可行。姚志安等[8]對我國南部的深中通道工程中的一大橋錨碇基坑施工進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：通過‘筑島+地下連續(xù)墻’的施工方法，能夠有效解決此類地質(zhì)條件下的基坑開挖施工穩(wěn)定性問題。王建寧等[9]研究了地下連續(xù)墻施工方法構(gòu)建的地鐵車站的結(jié)構(gòu)整體抗震性能，研究結(jié)果表明：地震強(qiáng)度較小時，施工過程中構(gòu)建的地下連續(xù)墻確實(shí)能夠起到顯著提高車站主體結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性，隨著地震強(qiáng)度不斷增大，這種提高作用逐漸降低。楊毅秋等[10]對傳統(tǒng)的現(xiàn)澆地下連續(xù)墻施工方法進(jìn)行了缺陷分析，分析結(jié)果表明：裝配式地下連續(xù)墻能夠大大降低工程施工的安全風(fēng)險，同時能夠提高基坑工程的施工速度，克服了諸多施工問題，極大的便利了施工過程，對深基坑工程施工具有重要意義。Zhuang Haiyang等[11]對不同連接形式的地下連續(xù)墻對提高地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震性能的作用進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：地下連續(xù)墻的存在將加強(qiáng)地下車站的側(cè)向剛度，減少側(cè)向變形。

但是，針對地下連續(xù)墻施工方法在水位較淺地區(qū)基坑工程施工中所發(fā)揮的作用學(xué)者們較少關(guān)注，本文依托基坑開挖施工工程，開展了淺水位條件下基坑開挖過程中地下連續(xù)墻發(fā)揮的作用研究，主要通過FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算建模分析。

1 工程概況

該實(shí)體基坑工程基坑剖面如圖1所示，構(gòu)成基坑的周邊土體材料物理力學(xué)參數(shù)和地下連續(xù)墻的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，周邊土體材料主要由軟粘土夾砂土層組成，由于地下水水位較淺，軟粘土極易發(fā)生蠕變的流變類變形，而飽和砂土層也極易形成流砂災(zāi)害，構(gòu)成地下連續(xù)墻的混凝土為C50標(biāo)號，結(jié)構(gòu)剛度大，有良好的抗?jié)B透性，基坑開挖深度為25 m，開挖寬度和長度均為40 m。基坑開挖采用分層開挖，每層開挖深度為2.5 m。開挖過程中同步進(jìn)行降水作業(yè)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 基坑三維視圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

在FLAC3D軟件中進(jìn)行模型構(gòu)建，根據(jù)實(shí)際基坑開挖深度和尺寸，以及地下連續(xù)墻的尺寸構(gòu)建用于數(shù)值計(jì)算的模型如圖2所示，軟粘土材料模型采用摩爾庫倫模型，其相應(yīng)的材料參數(shù)按照表1中給出的材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，地下連續(xù)墻的材料參數(shù)也根據(jù)上述表1中特征參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。模擬中基坑開挖采用分層開挖，每層開挖2.5 m，分10層開挖。每層開挖完成后，進(jìn)行降水模擬。模型整體長和寬為120 m，模型深度為60 m。

圖2 基坑數(shù)值計(jì)算模型

2.2 基坑變形

通過計(jì)算，最后獲得的計(jì)算結(jié)果位移云圖如圖3所示，為了能夠清晰呈現(xiàn)土體內(nèi)部的位移變化，特別導(dǎo)出了切片云圖，如圖4所示?；娱_挖過程中，周邊土體中的孔隙水壓力變化云圖如圖5所示，同樣為了能夠清晰呈現(xiàn)剖面上的孔隙水壓力變化特點(diǎn)，特別導(dǎo)出了孔壓切片云圖，如圖6所示。

圖3 基坑位移云圖

圖4 基坑位移切片云圖

由圖3所示的位移變化云圖可知，基坑開挖中，基坑正中底部上拱位移最大，最大上拱位移為3.28e-2m，由中間向基坑底部邊緣部位，最大上拱位移逐漸變小，邊緣上拱位移為1.25e-2m，呈現(xiàn)由中心向四周的圓形發(fā)散變形減小特征，同時，基坑變形在三維上呈現(xiàn)出，由基坑中心向周圍的球型減小變化特征，但是，最大上拱位移較小，說明地下連續(xù)墻起到了很好的加固基坑作用，有效控制了基坑底鼓變形。

圖4所示為靠近基坑底部邊緣部位的剖切面的位移云圖，由圖中可知，其最大上拱位移位于底部邊緣的中間部位，最大上拱位移為2.97e-2m，小于上述基坑底部中心部位的最大上拱位移，同時，由切片位移云圖也可以看出，基坑底部上拱位移呈現(xiàn)出由底部中心位置向周圍呈圓形減小的變化趨勢。基坑底部邊緣最大上拱位移為1.25e-2m。

由上述基坑底部及周邊土體中的位移變化特點(diǎn)分析可知，地下連續(xù)墻在富水地層中的基坑開挖施工中可以起到很好的降低基坑底部上拱位移的作用，可在富水粘土地層的基坑開挖施工中進(jìn)行合理高效應(yīng)用。

圖5 孔隙水壓力變化云圖

圖6 孔隙水壓力切片云圖

由圖5所示的孔隙水壓力變化云圖可知，基坑開挖中，從基坑底部豎直向下孔隙水壓力逐漸增大，在Z坐標(biāo)為35 m的位置處，基坑底部的土體中的孔隙水壓力為4e4Pa，與周圍土體的孔隙水壓力相當(dāng)，而基底處孔隙水壓力對基坑幾乎沒有影響，說明地下連續(xù)墻的存在有效阻隔了水流向基坑的運(yùn)動，表明地下連續(xù)墻在該類地層的開挖施工中起到了很好的隔水作用，由基坑底部向下水壓變化較快，水壓梯度較大，由0Pa迅速增大至4e4Pa，最后在地連墻下部位置變化到與周圍土體相當(dāng)?shù)目紫端畨毫χ?，約為4e4Pa。由基坑周圍土體向基坑部位呈現(xiàn)略微的弧形變化特征。在基坑部位趨于平緩。

圖6所示的孔壓切片云圖可以看出孔隙水壓力變化整體規(guī)律同樣顯示相同的變化特征，在Z坐標(biāo)為31 m的位置處，基坑底部的土體中的孔隙水壓力為5e4Pa，從切片云圖可以看出，基坑底處孔隙水壓力對基坑幾乎沒有影響，說明地下連續(xù)墻起到了很好的隔水作用，在富水地層中的基坑開挖施工應(yīng)用效果顯著，地下連續(xù)墻部位的孔隙水壓力變化顯著，梯度較大，由0Pa迅速增大至5e4Pa，說明周邊水體對地下連續(xù)墻有很強(qiáng)的靜水壓力作用，間接證明了地下連續(xù)墻發(fā)揮了很好的隔水作用。

由上述基坑底部及周邊土體中的孔隙水壓力變化特點(diǎn)分析可知，地下連續(xù)墻在富水地層中的基坑開挖施工中可以起到很好的隔水作用，可在富水粘土地層的基坑開挖施工中應(yīng)用。

3 結(jié)語

(1)地下連續(xù)墻施工方法的基坑工程，基坑底部位移變形呈現(xiàn)由基坑底部中心部位向四周邊緣位置的圓形發(fā)散變形減小特征，中心位置最大上拱位移為2.97e-2m，邊緣最大上拱位移為1.25e-2m。

(2)經(jīng)過采用地下連續(xù)墻支護(hù)加固的基坑開挖工程，基坑變形在三維上呈現(xiàn)出，由基坑中心向周圍的球型減小變化特征，中心最大上拱位移為3.28e-2m，邊緣上拱位移為1.25e-2m。

(3)地下連續(xù)墻的存在有效阻隔了水流向基坑的運(yùn)動，在富水軟粘土地層的基坑開挖施工中起到了很好的隔水作用。