某臨海工程基底涌水涌砂影響因素分析
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曲成平，仇仲穎，夏 文，李 磊
（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）
[摘要]青島為沿海城市，地下水水位高，給深基坑施工帶來了許多困難。本文通過典型的臨海工程實(shí)例，分析了影響基底涌水、涌砂的影響因素，利用有限元軟件SEEP/W進(jìn)行定量分析，計(jì)算得到各工況下發(fā)生涌水、涌砂臨界厚度的數(shù)值，并提出有效建議。
[關(guān)鍵詞]臨�；樱挥克�；涌砂；臨界厚度；有限元
[中圖分類號(hào)] TU753.1[文章編號(hào)]1002-8498(2016)10-0113-03
隨著沿海城市建設(shè)的發(fā)展，超深開挖的基坑不斷呈現(xiàn)，伴隨而來的是更加復(fù)雜的地下水問題。地下水的存在對(duì)基坑安全產(chǎn)生了較大的影響。青島某工程基坑位于臨海附近區(qū)域，地下水資源豐富。本文主要針對(duì)臨�；踊装l(fā)生涌水、涌砂問題的影響因素展開關(guān)于基底臨界厚度的分析研究。
1 工程概況
青島某工程地下2層，地上主樓15層，裙房4層，建筑總高度59. 50m�；A(chǔ)類型為筏板基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)類型為框剪結(jié)構(gòu)�；娱_挖尺寸為93. 82m×114. 64m，開挖深度為12m左右，工程距離海岸線最近距離約為10km�；组_挖到的土層為細(xì)粒土質(zhì)中、粗砂�；舆叢捎酶邏盒龂姌稙橹顾∧�，灌注樁與預(yù)應(yīng)力錨桿鎖定的支護(hù)方式�；娱_挖及支護(hù)平面如圖1所示。
根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場(chǎng)區(qū)勘察深度范圍內(nèi)的地層主要由第四系松散堆積層和白堊系王氏群膠州組泥巖組成。地面標(biāo)高7. 540~10. 580（根據(jù)孔口高程統(tǒng)計(jì)），最大高差為3. 04m。其各土層的平均分布與厚度情況及其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。
本工程地下水類型以第四系微承壓水和基巖裂縫水為主，主要含水層為第⑤層細(xì)粒土質(zhì)粗砂和第⑨層細(xì)粒土質(zhì)礫砂，地下水穩(wěn)定水位埋深0. 80~3. 80m，水位標(biāo)高6.550~7.030m，地下水水位高出基底平面8m左右。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，該工程地下水位年變化幅度約1. 00m。基巖裂縫水，主要賦存于泥巖強(qiáng)風(fēng)化裂縫中，富水性差，地下水非常豐富。
2 涌水、涌砂問題概述
當(dāng)基坑開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，未出現(xiàn)基坑底部的突涌現(xiàn)象�；卒佋O(shè)墊層、防水層、澆灌混凝土基礎(chǔ)等施工過程是從基坑的一側(cè)開始，向基坑的另一側(cè)進(jìn)行。基坑底部的土為含水性強(qiáng)的粉質(zhì)黏土等富水性較大土層，當(dāng)基坑一端在澆筑混凝土底板時(shí)，未進(jìn)行混凝土底板澆灌工作的基坑另一端發(fā)生了涌水現(xiàn)象。
3 涌水、涌砂問題特點(diǎn)分析
1)鋪設(shè)墊層、澆筑混凝土等施工是從一側(cè)開始進(jìn)行。在施工的過程中，澆筑的混凝土將原來的盲溝與集水井封閉，減少了地下水的出水面積從而影響了地下水的正常排出。澆筑的混凝土所受重力作用在基坑底部對(duì)土體存在一定程度的擠壓，也在一定程度上促使了涌水現(xiàn)象的發(fā)生。
2)集水井的平面布置大多圍繞在基坑四周，而基坑中心未設(shè)置集水井進(jìn)行降水。在基坑進(jìn)行降水工作時(shí)，形成了基坑中心位置水位高于兩側(cè)的現(xiàn)象。
4 軟件SEEP/W數(shù)值分析模擬
場(chǎng)區(qū)基坑開挖前進(jìn)行深井降水，井深22m，直徑為0. 5m�；娱_挖前進(jìn)行降水為15d。基坑的形狀為矩形，基坑尺寸為93. 82m×114. 64m，基坑開挖深度為12m左右�；拥撞课挥诘叵滤�8m左右。止水帷幕假設(shè)為理想的不透水邊界，止水帷幕深度為18m，直徑為1m。各土層厚度及滲透系數(shù)如表1所示。此分析假設(shè)的條件是，已經(jīng)進(jìn)行鋪設(shè)墊層、防水層等基礎(chǔ)施工的基坑底部完成面的滲透性很小，滲透系數(shù)為0；而未進(jìn)行施工的基坑底部土層表面為出水界面。因影響因素變化量不同，出水界面發(fā)生臨界狀態(tài)涌水時(shí)，基底弱透水層的臨界厚度也不同。
4.1 基坑分步開挖模擬
現(xiàn)根據(jù)施工開挖過程分步模擬，分別采用未進(jìn)行開挖時(shí)、開挖深度為8m時(shí)、開挖深度為12m時(shí)的模型，3個(gè)具體開挖過程中地下水的分布情況如圖2所示。
通過圖2可以看出，隨著基坑開挖深度的不斷增加，地下水水位也隨著降低。圖2c中基坑管井附近的地下水水位降到基底設(shè)計(jì)標(biāo)高3m左右，符合要求。在基坑的中央部位，地下水水位仍較高，約低于基底設(shè)計(jì)標(biāo)高0. 5m左右，基本滿足要求。以此工況為前提，分析不同的影響因素對(duì)基底弱透水層臨界厚度的影響。
4.2基底荷載不同時(shí)對(duì)基底涌水、涌砂的影響
基坑開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，進(jìn)行基底的施工工作，增加基底荷載。分別設(shè)置基底荷載為0. 001，10，30，40，50，70，100kPa，荷載作用范圍如圖3所示。其他條件不變，分別進(jìn)行建模分析，得到在不同荷載作用下的總水頭壓力云圖，各工況下的總水頭云圖大樣如圖3所示。
取基坑右側(cè)還未施加荷載的3點(diǎn)，其x坐標(biāo)分別為x= 51m，x=70m．x=89m，y坐標(biāo)為9m。取在各種不同荷載作用時(shí)，3點(diǎn)處的水頭壓力，并計(jì)算基坑底部的荷載不同時(shí)，在各種工況下對(duì)未施加荷載的基底弱透水層發(fā)生涌水的臨界厚度影響。具體各工況數(shù)值計(jì)算如表2所示。
荷載不同時(shí)，基坑發(fā)生涌水時(shí)基底弱透水土層的臨界厚度計(jì)算如表2所示，將荷載大小與臨界厚度之間的關(guān)系用折線圖表示，如圖4所示。
從圖4可以看出，隨著作用在基坑底部荷載的增加，發(fā)生涌水的臨界厚度也隨著增加�；拥撞咳跬杆畬拥暮穸燃s為4m。當(dāng)未施加荷載時(shí)，臨界厚度為3. 6m，基坑不會(huì)發(fā)生涌水現(xiàn)象。當(dāng)基底開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，基坑排水力度不夠時(shí)，荷載作用部位的土層下水頭壓力會(huì)增大，使下部的土中水受壓向四周流動(dòng)，水頭壓力也隨之減小并趨于平衡。因此最危險(xiǎn)的是靠近荷載作用的邊界部位。
4.3基底出水界面長(zhǎng)度不同時(shí)對(duì)基底涌水、涌砂的影響
基坑開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，進(jìn)行基礎(chǔ)墊層的澆筑工作，可能將部分明溝與集水井封閉，這樣就減少了基底地下水向外排出的數(shù)量。因此，本文將進(jìn)行地下水出水界面長(zhǎng)度的模擬分析，取混凝土已澆筑的長(zhǎng)度分別為0，5，10，20，30，40m時(shí)，對(duì)基底臨界厚度的影響。各種情況下的總水頭壓力云圖大樣如圖5所示。
當(dāng)澆筑混凝土的長(zhǎng)度范圍在基坑截面的左側(cè)時(shí)，討論其澆筑截面長(zhǎng)度的變化對(duì)右側(cè)未澆筑混凝土的基坑影響。以基坑左側(cè)起點(diǎn)為坐標(biāo)0m，分別取x= 51m，x=70m，x=89m，縱坐標(biāo)在強(qiáng)弱透水層交界處的3點(diǎn)的總水頭壓力，并計(jì)算各種工況下對(duì)未澆筑混凝土的基底弱透水層發(fā)生涌水、涌砂的臨界厚度的影響。各情況下數(shù)值計(jì)算如表3所示。
當(dāng)基底截面澆筑混凝土長(zhǎng)度不同時(shí)，其由壓力平衡法和強(qiáng)度計(jì)算法計(jì)算的臨界厚度如表3所示。將兩種計(jì)算結(jié)果與基底截面澆筑混凝土的長(zhǎng)度關(guān)系表達(dá)如圖6所示。
根據(jù)圖6可以看出，當(dāng)基底截面中混凝土澆筑長(zhǎng)度在20m以內(nèi)時(shí)，對(duì)基坑另一半的涌水、涌砂情況影響不明顯，兩種計(jì)算方法計(jì)算的基底臨界厚度為4m左右。當(dāng)混凝土澆筑的長(zhǎng)度超過20m后，開始對(duì)另一側(cè)的基底臨界厚度產(chǎn)生影響，臨界厚度略有增加。當(dāng)范圍超過30m時(shí)，對(duì)基坑另一側(cè)的基底臨界厚度影響變大，臨界厚度增長(zhǎng)到6~7m。因此當(dāng)混凝土澆筑接近基坑一半左右時(shí)，應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)地下水的降排，防止涌水、涌砂問題的出現(xiàn)。
5 結(jié)語
1)基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，地下水水位較高時(shí)，基底土層多為砂層時(shí)，進(jìn)行基底的施工工作會(huì)影響地下水的水位及降排工作�；拥撞课词┘雍奢d時(shí)，計(jì)算得到發(fā)生涌水的臨界厚度為3. 59m，基底弱透水層厚度為4m，此時(shí)未發(fā)生涌水現(xiàn)象。澆灌混凝土底板時(shí)，基底增加荷載大小約為30kN/m2時(shí)，澆灌混凝土的面積約為基坑的1/4時(shí)，此時(shí)的臨界厚度為6. 35m，大于基底弱透水層的厚度。因此，荷載的大小對(duì)基坑臨界厚度的大小有明顯的影響。
2)經(jīng)有限元軟件的模擬分析，隨著澆筑混凝土長(zhǎng)度的增加，臨界厚度也隨之增大。且出水界面超過基坑的一半后就應(yīng)加強(qiáng)對(duì)基坑地下水的監(jiān)測(cè)工作。因此，基坑開挖完成后，在基坑內(nèi)外應(yīng)設(shè)置有效的深井及排水溝等降水措施降低地下水水位，保持基坑的降排平衡。
