砂卵石地层深基坑数值分析及围护结构选型

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1、砂卵石地层深基坑数值分析及围护结构选型李新军（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北，武汉，430063）【摘要】基坑事故大都由地下水控制失效引起的，砂卵石地层透水性好、富水性强、水源补给充沛，地下水的影响更为明显。研究在富水砂卵石地层中深基坑开挖和水位下降引起的地面沉降、基底渗透稳定等影响与变化规律，具有十分重要的现实意义。对长沙富水砂卵石地层地铁深基坑降水与开挖施工过程进行了渗流应力耦合数值模拟，计算结果表明，砂卵石地层中基坑开挖引起的地表沉降值与沉降影响范围更大；最大沉降位置更靠近围护结构，沉降曲线表现为较陡;地表沉降速度初期较快，后期较慢；最大渗流力主要分

2、布在连续墙嵌固深度范围内偏下处。针对K:沙砂卵石地层深基坑特点，提出了相应的风险控制措施与围护结构选型建议。【关键词】砂卵石地层；深基坑；渗流应力耦合；数值模拟邻建筑、管线、道路等设施下沉、开裂，乃至破坏。同时，随着基坑内水位的下降，坑内外的水头差增大，地下水将在坑内外水头差的作用下发生滲流，在渗透水流的作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中悬浮、移动，形成空洞并逐渐扩大或流失，引发流土、管涌等渗透破坏，最终导致地层塌陷、基坑坍塌等事故［1-3］。对于土体，随着地下水的渗流，孔隙水压力变小，有效应力增加，土骨架产牛.压缩和变形，这种变形反过来乂影响了土体木身的

3、渗透性能与渗流状态。因此,基坑降水与开挖施工过程中土体内渗流场与应力场的变化是一个相互作用相互耦合的过程，即渗流场与应力场的流固耦合［4-6］。木文以长沙富水砂卵石地层地铁深基坑为背景，利用有限差分程序FLAC3D在渗流应力耦合计算模式下对深基坑开挖引起的变形特性进行了数值计算与分析，对基坑降水与开挖施工过程中引起的地面沉降、渗流压力、地下连续墙嵌固深度影响等结果进行了探讨，获得了一些有意义的规律，可为今后类似工程的设计与施工提供参考。1、工程背景及实例1.1工程概况长沙市轨道交通某地铁站为地下两层岛式车站，车站总长208.6m,标准段浄宽22.0m,顶板覆土约

4、3.5m,底板埋深约为18.5m。车站基坑采用明挖法施工，围护结构采用地下连续墙加内支撑体系。车站基坑地处湘江西侧，场地内土层自上而下依次为：杂填土、淤泥质土、粉质粘土、细砂、粗砂、圆砾、卵石。基坑底部主要为透水性较强的砂、砾及卵石等富水含水层。本工程主要土层参数如表1所示。表1土层物理力学参数表2、流固耦合模型的建立2.1渗流场与应力场耦合方程基于比奥固结理论，从连续介质的基本方程出发，建立能反映孔隙压力消散与土骨架变形相互关系的方程［7】。2.2三维流固耦合模型求解流程使用有限元方法对渗透系数矩阵和水头矩阵进行迭代计算，并根据奋效应力原理求解有效应力增量,代

5、入渗透系数分布矩阵并反复迭代,直至满足求解精度。三维流固耦合模型计算流程如图1所示。2.3施工过程数值模拟利用FLAC3D软件，使用fish语言编制程序，建立反应降水与开挖施工过程的数值模型，进行流固耦合计算。基坑周边土体视为弹塑性介质，本构模型采用采用弹塑性Mohr（摩尔-库伦）模型，流体模型采用各向同性fljso模型。土体加载准则和塑性流动准则分别采用线性硬化Dmck-Pnger准则和非关联流动准则[8b基坑采用分步施工方式，地下连续墙嵌固深度10.0m，视为弹性考虑。地下初始水位为地面以下3.0m,竖向设置三道支撑分四步开挖。因为第一道支撑深度仅为lm,且

6、在基坑初始水位以上，第一步和第二步施工影响合并为一步。具体工况如下:第一步基坑开挖至8.0m，水位降至9.0m，第二步基坑开挖至14.0m，水位降至15.0m,第三步地下水位降至地面以下19.0m,基坑开挖至18.0m。3、计算结果及分析3.1地表沉降结果随着基坑降水与开挖施工的进行，基坑周边地表逐渐产生沉降。通过程序设置监测点，各施工工况结束后地表沉降结果如图2所示，图3为地表最终沉降结果云图。结果显示，地表沉降曲线呈抛物线形状，沉降影响范围及沉降值均随着基坑深度的增加显著变大，地表最大沉降位移点往基坑外侧移动，地表沉降最大影响范围约为基坑深度的4倍，这比一般

7、的软弱粘土和中等软弱粘土基坑2倍左右的影响范围要大。地表沉降最大值达48.2mm。与软土地层基坑施工引起的周边地表沉降相比，砂卵石地层中基坑施工引起的地表沉降值与沉降影响范围均要人，这是由砂卵石本身低粘聚力、高渗透性的特性决定的。同时，砂卵石层中地表最大沉降位置更靠近围护结构，沉降曲线表现为更陡，这是因为砂卵石层粘聚力低，地下连续墙与土体间的摩擦力较小，制约土体下沉能力弱，因此靠近围护结构体处土体沉降量比其他地层基坑人。通过FLAC3D在基坑周边设置监测点，监测地表沉降与吋间的关系，如图4所示。结果显示，在基坑施工初期，地表沉降速度非常快，后期沉降速度较慢。整体

8、而言，砂卵石基坑地表沉降