曲成平，仇仲颖，夏 文，李 磊
（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）
[摘要]青岛为沿海城市，地下水水位高，给深基坑施工带来了许多困难。本文通过典型的临海工程实例，分析了影响基底涌水、涌砂的影响因素，利用有限元软件SEEP/W进行定量分析，计算得到各工况下发生涌水、涌砂临界厚度的数值，并提出有效建议。
[关键词]临海基坑；涌水；涌砂；临界厚度；有限元
[中图分类号] TU753.1[文章编号]1002-8498(2016)10-0113-03
随着沿海城市建设的发展，超深开挖的基坑不断呈现，伴随而来的是更加复杂的地下水问题。地下水的存在对基坑安全产生了较大的影响。青岛某工程基坑位于临海附近区域，地下水资源丰富。本文主要针对临海基坑基底发生涌水、涌砂问题的影响因素展开关于基底临界厚度的分析研究。
1 工程概况
青岛某工程地下2层，地上主楼15层，裙房4层，建筑总高度59. 50m。基础类型为筏板基础，结构类型为框剪结构。基坑开挖尺寸为93. 82m×114. 64m，开挖深度为12m左右，工程距离海岸线最近距离约为10km。基底开挖到的土层为细粒土质中、粗砂。基坑边采用高压旋喷桩为止水帷幕，灌注桩与预应力锚杆锁定的支护方式。基坑开挖及支护平面如图1所示。
根据地质勘察报告，场区勘察深度范围内的地层主要由第四系松散堆积层和白垩系王氏群胶州组泥岩组成。地面标高7. 540~10. 580（根据孔口高程统计），最大高差为3. 04m。其各土层的平均分布与厚度情况及其物理力学性质指标如表1所示。
本工程地下水类型以第四系微承压水和基岩裂缝水为主，主要含水层为第⑤层细粒土质粗砂和第⑨层细粒土质砾砂，地下水稳定水位埋深0. 80~3. 80m，水位标高6.550~7.030m，地下水水位高出基底平面8m左右。根据区域水文地质资料，该工程地下水位年变化幅度约1. 00m。基岩裂缝水，主要赋存于泥岩强风化裂缝中，富水性差，地下水非常丰富。
2 涌水、涌砂问题概述
当基坑开挖到设计标高后，未出现基坑底部的突涌现象。基底铺设垫层、防水层、浇灌混凝土基础等施工过程是从基坑的一侧开始，向基坑的另一侧进行。基坑底部的土为含水性强的粉质黏土等富水性较大土层，当基坑一端在浇筑混凝土底板时，未进行混凝土底板浇灌工作的基坑另一端发生了涌水现象。
3 涌水、涌砂问题特点分析
1)铺设垫层、浇筑混凝土等施工是从一侧开始进行。在施工的过程中，浇筑的混凝土将原来的盲沟与集水井封闭，减少了地下水的出水面积从而影响了地下水的正常排出。浇筑的混凝土所受重力作用在基坑底部对土体存在一定程度的挤压，也在一定程度上促使了涌水现象的发生。
2)集水井的平面布置大多围绕在基坑四周，而基坑中心未设置集水井进行降水。在基坑进行降水工作时，形成了基坑中心位置水位高于两侧的现象。
4 软件SEEP/W数值分析模拟
场区基坑开挖前进行深井降水，井深22m，直径为0. 5m。基坑开挖前进行降水为15d。基坑的形状为矩形，基坑尺寸为93. 82m×114. 64m，基坑开挖深度为12m左右。基坑底部位于地下水水位8m左右。止水帷幕假设为理想的不透水边界，止水帷幕深度为18m，直径为1m。各土层厚度及渗透系数如表1所示。此分析假设的条件是，已经进行铺设垫层、防水层等基础施工的基坑底部完成面的渗透性很小，渗透系数为0；而未进行施工的基坑底部土层表面为出水界面。因影响因素变化量不同，出水界面发生临界状态涌水时，基底弱透水层的临界厚度也不同。
4.1 基坑分步开挖模拟
现根据施工开挖过程分步模拟，分别采用未进行开挖时、开挖深度为8m时、开挖深度为12m时的模型，3个具体开挖过程中地下水的分布情况如图2所示。
通过图2可以看出，随着基坑开挖深度的不断增加，地下水水位也随着降低。图2c中基坑管井附近的地下水水位降到基底设计标高3m左右，符合要求。在基坑的中央部位，地下水水位仍较高，约低于基底设计标高0. 5m左右，基本满足要求。以此工况为前提，分析不同的影响因素对基底弱透水层临界厚度的影响。
4.2基底荷载不同时对基底涌水、涌砂的影响
基坑开挖到设计标高后，进行基底的施工工作，增加基底荷载。分别设置基底荷载为0. 001，10，30，40，50，70，100kPa，荷载作用范围如图3所示。其他条件不变，分别进行建模分析，得到在不同荷载作用下的总水头压力云图，各工况下的总水头云图大样如图3所示。
取基坑右侧还未施加荷载的3点，其x坐标分别为x= 51m，x=70m．x=89m，y坐标为9m。取在各种不同荷载作用时，3点处的水头压力，并计算基坑底部的荷载不同时，在各种工况下对未施加荷载的基底弱透水层发生涌水的临界厚度影响。具体各工况数值计算如表2所示。
荷载不同时，基坑发生涌水时基底弱透水土层的临界厚度计算如表2所示，将荷载大小与临界厚度之间的关系用折线图表示，如图4所示。
从图4可以看出，随着作用在基坑底部荷载的增加，发生涌水的临界厚度也随着增加。基坑底部弱透水层的厚度约为4m。当未施加荷载时，临界厚度为3. 6m，基坑不会发生涌水现象。当基底开挖到设计标高后，基坑排水力度不够时，荷载作用部位的土层下水头压力会增大，使下部的土中水受压向四周流动，水头压力也随之减小并趋于平衡。因此最危险的是靠近荷载作用的边界部位。
4.3基底出水界面长度不同时对基底涌水、涌砂的影响
基坑开挖到设计标高后，进行基础垫层的浇筑工作，可能将部分明沟与集水井封闭，这样就减少了基底地下水向外排出的数量。因此，本文将进行地下水出水界面长度的模拟分析，取混凝土已浇筑的长度分别为0，5，10，20，30，40m时，对基底临界厚度的影响。各种情况下的总水头压力云图大样如图5所示。
当浇筑混凝土的长度范围在基坑截面的左侧时，讨论其浇筑截面长度的变化对右侧未浇筑混凝土的基坑影响。以基坑左侧起点为坐标0m，分别取x= 51m，x=70m，x=89m，纵坐标在强弱透水层交界处的3点的总水头压力，并计算各种工况下对未浇筑混凝土的基底弱透水层发生涌水、涌砂的临界厚度的影响。各情况下数值计算如表3所示。
当基底截面浇筑混凝土长度不同时，其由压力平衡法和强度计算法计算的临界厚度如表3所示。将两种计算结果与基底截面浇筑混凝土的长度关系表达如图6所示。
根据图6可以看出，当基底截面中混凝土浇筑长度在20m以内时，对基坑另一半的涌水、涌砂情况影响不明显，两种计算方法计算的基底临界厚度为4m左右。当混凝土浇筑的长度超过20m后，开始对另一侧的基底临界厚度产生影响，临界厚度略有增加。当范围超过30m时，对基坑另一侧的基底临界厚度影响变大，临界厚度增长到6~7m。因此当混凝土浇筑接近基坑一半左右时，应注意加强对地下水的降排，防止涌水、涌砂问题的出现。
5 结语
1)基坑开挖至设计标高后，地下水水位较高时，基底土层多为砂层时，进行基底的施工工作会影响地下水的水位及降排工作。基坑底部未施加荷载时，计算得到发生涌水的临界厚度为3. 59m，基底弱透水层厚度为4m，此时未发生涌水现象。浇灌混凝土底板时，基底增加荷载大小约为30kN/m2时，浇灌混凝土的面积约为基坑的1/4时，此时的临界厚度为6. 35m，大于基底弱透水层的厚度。因此，荷载的大小对基坑临界厚度的大小有明显的影响。
2)经有限元软件的模拟分析，随着浇筑混凝土长度的增加，临界厚度也随之增大。且出水界面超过基坑的一半后就应加强对基坑地下水的监测工作。因此，基坑开挖完成后，在基坑内外应设置有效的深井及排水沟等降水措施降低地下水水位，保持基坑的降排平衡。
下一篇:返回列表
