1、非穩定滲流基坑變形分析裴利華(鐵道第四勘察設計院,武漢430063摘要:本文以南京長江隧道工程為背景,研究了深基坑工程在非穩定滲流作用下,基坑中滲流場的變化規律以及在滲流作用下,樁體的最大水平位移、樁后的地表沉降以及坑底隆起的變化規律進行了研究,對工程具有一定的實際價值關鍵詞:非穩定,滲流,基坑,樁體,沉降1.工程概況南京市地處我國東西水運大動脈長江與南北陸運大動脈京滬公路及京滬鐵路的交匯點,素有“東南門戶,南北咽喉”之稱。河道呈南南西一北北東向展布,江面寬一般2.03.0公里,兩側高漫灘發育。沿岸地區河網發育。過江通道場地地形地貌為長江沖積平原區,地貌自設計方案起點,向長江水域至方案終點,由

2、長江高漫灘漸變為長江低漫灘,再為長江水域,后為江心洲(梅子洲。K2+000mK2+890m為長江堤外高漫灘,現為農田及漁塘;K2+890mK3+760m為堤內高漫灘,現為樹林及苗鋪地,由目前的長江大堤保護; K3+760mK4+275m為堤內低漫灘,臨近長江水域,枯水期裸于地表,豐水期被江水淹沒,勘察時露出成為洲(九袱洲,將長江分為主江和北汊江,地表為砂性土,地形微向長江傾斜;K4+275m K6+336m 為長江水域,流向近北北東向; K6+336mK6+790m為梅子洲,梅子洲把長江分為左汊(主江、右汊,左汊深弘靠近右岸,水下地形呈不對稱“V”型,南坡陡,平均坡角12°北坡緩,平

3、均坡角2°,巖性主要為細砂,近主江右岸江底有大量人工拋石。K8+060m終點K8+130m 為堤內高漫灘。南京長江隧道工程全長3837m,雙向6車道,主要由江北岸邊段、江北工作井、江中盾構段、梅子洲工作井及梅子洲岸邊段組成。2.問題的提出近年來,基坑支護結構上的水土壓力的計算越來越受到重視。其中一個主要的原因是由于地下水引發的工程事故不斷發生。據統計,由于水引發的工程事故約占21.4%。這充分說明水是導致深基坑工程事故的重要因素。深基坑工程中,地下水的滲流將會使基坑周圍形成較大的降水漏斗。隨著開挖的進行,地下水自由面不斷下降,從而使坑外土體的有效應力增加,墻后土體將發生不均勻固結沉降

4、。深入研究基坑工程的滲流場特性以及研究考慮滲流效應的土體變形分析方法,具有十分重要的理論意義和實踐價值。3.非穩定滲流基本方程式水在土體孔隙中的流動,由于土體孔隙的斷面大小和形狀十分不規則,因而是一個非常復雜的現象。目前,巖土工程中研究滲流的數值方法有:有限差分法、有限元法和邊界元法等,有時將后兩種方法耦合求解。其中,有限單元法對邊界適應性好,精度高,能夠使計算法則和程序標準化等優點,現已被廣泛采用,是一種求解復雜滲流問題的較好方法。因而更適用于基坑工程的滲流分析?？紤]土和水的壓縮性,符合達西定律的二維非均質各向異性土體滲流,其水頭函數所滿足的基本方程為:x y sh h hk k Sx x

5、y y t+=(1-1 初始條件:(,(,h x y h x y=邊界條件:水頭邊界1(,=h h x y t流量邊界2(,=nhk q h x y tn 式中:h=h(x 、y 、t為待求水頭函數;x k 、y k 是以x 、y 軸為主軸方向的滲透系數;(n g S s +=稱為單位貯水量(尺度1/l ,這里的和分別為土和水的壓縮系數;=g 為水的重度。1為第一類邊界,如上、下游水位邊界面和自由滲出面等已知水頭邊界;2為不透水邊界面和潛流邊界面等第二類邊界(已知流量邊界。 當不考慮水和土壓縮時,0=s S ,則式(1-1變為:0(=+yhk y x h k x y x (1-2 這就是平面恒

6、定滲流的微分方程。當結合變動的自由面邊界情況后,就可解非恒定滲流問題,與式(1-1比較僅在于未考慮土及水的壓縮性。 4.工程分析江北明挖段主要經過4號土層,即淤泥質粉質粘土層,本文選取江北明挖段JB11節這一典型斷面對深基坑在滲流水的作用下,基坑的變形穩定規律作一分析。 該斷面處基坑寬32.5m ,基坑深11.6m ,采用600mm 厚地下連續墻圍護,墻深22.5m ,共設有四道支撐,第一、三道為鋼筋混凝土支撐,第二、四道是直徑為609,壁厚16mm 的鋼支撐,第一道支撐截面為800*600mm(寬*高,第二道支撐截面為1200*1100mm(寬*高,施工的基本工序為: 1 開挖至地面下1.5

7、m ,在0.2m 處加800*600(寬*高的混凝土支撐;2 繼續開挖至地面下4.6m ,在3.1m 處加609的鋼支撐;3 繼續開挖至地面下8m ,在7m 處加1200*1100(寬*高的混凝土支撐; 4 繼續開挖至基坑底,在9.1m 處加609的鋼支撐;5 施作底板(1300mm及側墻(600mm ,并依次拆除各道支撐;在各級開挖時,地下水均降至開挖面以下2米。各級降水引起的基坑中滲流場的變化如下圖中所示;圖中單位為m圖一 第一級降水引起的滲流場水頭勢圖圖二 第二級降水引起的滲流場水頭勢圖圖三 第三級降水引起的滲流場水頭勢圖圖四 第四級降水引起的滲流場水頭勢圖 從圖中可以看出:墻后等勢線分

8、布較疏,墻前的等勢線分布較密,可見,離墻越近,水力梯度越大;在墻后附近,地下水滲流方向向下,產生向下的滲流力,使土體加密,地下水繞過防滲體流向基坑底部時,流線基本上是垂直向上的,產生向上的滲流力,在防滲體下端附近等勢線明顯變密,說明地下水在此處有較高的流速,水力梯度較大。各級開挖工況下樁體的水平位移如下圖五圖七所示: 無滲流有滲流圖五第二級開挖引起的樁體水平位移圖 無滲流有滲流圖六第三級開挖引起的樁體水平位移圖無滲流有滲流圖七第四級開挖引起的樁體水平位移圖從圖中可以看出:1樁體皆發生向基坑內的位移,是因為開挖釋放荷載所引起。各級的水平位移隨深度的變化規律相同,皆表現為首先隨深度變大,達到一個最

9、大點后,又逐漸變小,這是由于支撐的作用所致;2在考慮滲流力的作用下,樁體的最大水平位移比不考慮滲流力時要大;在考慮滲流力的作用下,各級開挖工況下樁后的地表沉降如下圖八圖十一所示: 圖八第一次開挖引起的地表沉降和坑底隆起圖 圖九第二次開挖引起的地表沉降和坑底隆起圖 圖十第三次開挖引起的地表沉降和坑底隆起圖 圖十一第四次開挖引起的地表沉降和坑底隆起圖從圖中可以看出:1 隨著離開樁體距離的增加,地面沉降逐漸增加,當達到某一個較大值后,又隨著遠離樁體,沉降又逐漸減小。2 隨著離開樁體距離的增加,基底隆起值逐漸增加,在基坑中心處隆起值最大5.結語本文以南京長江隧道工程為背景,研究了深基坑在滲流作用下,樁

10、體的最大水平位移及樁后地表沉降的變化規律,對工程具有一定的實際價值。參考文獻:1 裴利華有自由面的三維非穩定滲流研究及工程應用,碩士學位論文,河海大學,南京,2005, 3 2 王媛裂隙巖體滲流及其與應力的全耦合分析,博士學位論文,河海大學,南京,1995,63 郭洪興三維非穩定滲流計算中有限截止負壓法的研究及應用,碩士學位論文,河海大學,南京,1997,34 Desai C S. A numerical procedure forthree-dimensional transient free surfaceseepageJ.Adv.WaterResources,1983,9(6:175-181 5 毛昶熙滲