某泵站饱和深厚软土地层基坑开挖支护技术研究_刘攀.pdf

河南水利与南水北调 2023年第2期试验与研究1前言沿海港口城市由于所处地理环境关系，地质上常会涉及深厚软土地层，且由于濒临海洋，地下水位较浅，各类地下工程均需对浅水位条件和地层结构条件综合考虑，以保证地下工程的安全高效施工及稳妥的后期运营。众多学者对基坑工程的施工技术进行了研究。陈敏华等采用FLAC对地铁工程附近的基坑施工带来的影响进行了研究。研究结果表明：深锚加挡墙的支护方式有效控制了基坑的变形，减小了基坑开挖对附近地铁的影响。刘新荣等研究了不同的地连墙支护参数对最终的连墙加固效果所起的作用。研究结果表明：地连墙埋入土体深度越大，其侧移量越小，增加地连墙埋入土体的深度，可限制最大侧移量。赵秀绍等研究桩基支护加钢支撑方式的加固方式对基坑开挖的作用。研究结果表明：桩基支护限制了土体的收敛变形，钢支撑极大的减小了桩基的侧移变形量。吴凤元等通过FLAC3D研究了围护结构在动力加载条件下的力学相应。研究结果表明：围护结构的变形及内支撑的轴力变化与现场监测数据一致，说明采用FLAC3D软件进行数值模拟能够有效预测围护结构在动力加载条件下的性能。由以上可见，有关地下连续墙在深厚软土地层中的支护效果，尤其是在饱和软土地层中的基坑开挖支护作用，尚未有学者研究。以明挖泵站基坑工程为例，通过FLAC3D有限差分软件研究了地下连续墙在深厚软土地层开挖中的作用，主要通过流固耦合模块进行。2工程概况基坑工程属于一泵站基础，该泵站将为水源供应提供一定的支撑作用。基坑设计深度为20 m，基底为正方形，边长为32 m，其剖面示意图如图1所示。图中的基底部分仅展示了其四分之一部分，在基坑设计深度范围内的土体主要包括：软粘土、砂土和淤泥质软土。各层土体的物理力学参数如表1所示。基某泵站饱和深厚软土地层基坑开挖支护技术研究刘攀1，王朝1，李影2（1.徐州市水利建筑设计研究院有限公司，江苏 徐州 221000；2.江苏省水利勘测设计研究院，江苏 徐州 221000）摘要：沿海城市地下工程施工常会涉及深厚软土地层。以江苏省一深厚软土地层的泵站基坑开挖为例，通过对饱和深厚软土地层基坑开挖支护技术进行分析，进而采用FLAC3D有限差分数值模拟软件，研究了地下连续墙在饱和深厚软土地层基坑开挖中起到的支护效果。主要得出以下结论：基坑开挖完成后，降水开始时，底部孔压梯度约为2e4 Pa/m，进行至中间时刻时，孔压梯度减小为2.5e3 Pa/m。基坑底部位移的方向由边缘向正中位置，由斜向上转为正向上。基坑底部位移值的大小呈现由边缘向正中位置逐渐增大的趋势。关键词：地下连续墙；深厚软土；饱和；非饱和中图分类号：TV53文献标识码：A文章编号：1673-8853（2023）02-0093-03ResearchonExcavationSupportTechnologyofSaturatedDeepSoftSoilLayerinaPumpStationLIU Pan1，WANG CHao1，LI Ying2（1.Xuzhou Water Conservancy Architectural Design and Research Institute CO.LTD.,Xuzhou 221000,China;2.Jiangsu Institute of Water Conservancy Survey and Design,Xuzhou 221000,China）Abstract：The construction of underground project in coastal cities often involves deep soft soil layer.In this paper,taking the excavationof a pumping station with deep soft soil in Jiangsu Province as an example,the supporting technology of the excavation of a saturated deepsoft soil is analyzed,and then the finite difference numerical simulation software of FLAC3D is used to study the support effect ofunderground diaphragm wall in the excavation of a saturated deep soft soil layer.The following three conclusions can be drawn as follows.First,after the excavation of the foundation pit is completed,the bottom pore pressure gradient is about 2e4Pa/m at the beginning of theprecipitation,and decreases to 2.5e3Pa/m when it is carried out to the middle moment.Second,the direction of the displacement at thebottom of the foundation pit is shifted from the edge to the center position,from oblique upward to positive upward.Third,the magnitude ofthe displacement value at the bottom of the foundation pit shows a trend of gradually increasing from the edge to the center position.Key words：underground diaphragm wall;deep soft soil;saturated;unsaturated作者简介：刘攀（1989），男，工程师，研究方向：水利水电、水工结构。93河南水利与南水北调 2023年第2期试验与研究坑设计采用地下连续墙支护方式控制土体的侧向变形，表1中同时给出了地下连续墙的物理力学参数，地下连续墙设计埋入基坑底部土体8 m深。开挖过程中，采用分层开挖方法，设计每层开挖2 m，分10层开挖。每开挖完一层，进行降水，待水位降至基底处时，再进行下层土的开挖。基坑示意图如图1所示。3数值模拟3.1模型的建立实际基坑模型在FLAC3D软件中进行构建时，采用块体命令首先对整体模型进行创建。为了消除可能的边界效应的影响，同时为了保证较高的计算效率，根据实际开挖的基坑尺寸（深度20 m，长度和宽度均为32 m），构建了边长为48 m的立方体块体；而后将拟开挖部分通过分10次，每层2 m的方式设置成NULL模型，实现基坑的分层开挖效果模拟；最终构建的数值计算模型如图2所示。各层土体材料的参数设置根据表1中所列出的实际参数进行，地下连续墙设置成弹性模型，其相应的本构参数根据表1中所列数据进行设置。3.2孔压场变化特征经过开挖过程的数值模拟，获得了最后的孔隙压力云图，如图3所示。同时为了对基坑土体的内部孔压分布特征有清晰的认识，通过切片的方式导出了其土体内部的孔压分布云图。由图3所示的基坑整体孔压云图可知，在基坑进行分层开挖过程完成后，基坑尚未完全降水完成时，基坑底部的孔压约为6e4 Pa；而从基坑底部向下约为0.50 m位置处，孔压减小为5e4 Pa；从基坑底部向下约为1 m位置处，孔压进一步减小为4e4 Pa；随后基本以2e4 Pa/m的速度继续减小，直到基坑底部约4 m位置处减小为0 Pa。如在距基坑底部约为1.50 m位置处，孔压进一步减小为3e4 Pa，同时在位于基坑底部向下约为2 m位置处，孔压进一步减小为2e4 Pa。由随着降水的进一步进行得到的基坑土体内部孔压云图可知，在基坑进行分层开挖过程完成后，基坑尚未完全降水完成时，随着降水的不断进行基坑底部的孔压逐渐减小。进一步降水时，基坑底部的孔压约为5e4 Pa，而从基坑底部向下约为0.10 m位置处，孔压减小为4e4 Pa；从基坑底部向下约为4 m位置处，孔压进一步减小为3e4 Pa，减小的速度约为2.5e3 Pa/m。说明基坑开挖完成后，随着后续降水过程的进行，自基坑底部孔压的变化速度随着降水的进行不断减小；基坑内保有的水量越少，基坑底部的孔压梯度越小。上述整体孔压云图的变化特点以及基坑土体内部孔压云图的递变特征。可以看出，基坑开挖完成后，随着后续降水过程的进行，自基坑底部孔压的变化速度随着降水的进行不断减小，基坑内保有的水量越少，基坑底部的孔压梯度越小。在降水初始时刻时，基坑底部的孔压梯度约为2e4 Pa/m，在降水进行到基坑中部位置时，基坑底部的孔压梯度约为2.5e3 Pa/m。3.3位移矢量变化特点为了对基坑周边土体的变形进行分析，将经过开挖过程的数值模拟，获得的最终位移矢量图导出。同时为了对基坑底部土体，及基坑侧边中部位置的位移矢量有更为清晰的直观认识，通过切片的方式导出了基坑中部位置的位移矢量图。由整体位移矢量图可知，基坑分层开挖完成后，基坑底部靠近地连墙位置的位移约为1.024e-3 m，位移方向为斜向上向基坑中间；而正中位置处的位移量最大，约为3.3e-2 m，位移方向为向正上方，与重力矢量方向相反；基坑底部整体呈现出上拱趋势，由基坑底部靠近地连墙位置向基坑底部中间位置，位图3基坑整体孔压云图表1岩土体物理力学参数表淤泥质软土砂土软粘土地下连续墙重度/（kN m-3）16.1017.4016.4027.90体积模量/kPa1.791053.231052.651058.46108剪切模量/kPa1.041051.961051.431056.98108粘聚力/kPa9.1010.4013.6097.30内摩擦角/8181246图1基坑三维示意图图2基坑数值计算模型图94河南水利与南水北调 2023年第2期试验与研究移方向逐渐由斜向上转为正向上，即与重力矢量方向相反方向；位移值大小呈现由基坑底部靠近地连墙位置向基坑底部中间位置逐渐增大的趋势，位于基坑底部正中位置处的最大位移为3.3e-2 m。由基坑中部位移矢量图可知，基坑分层开挖完成后，基坑底部靠近地连墙位置的位移约为1.104e-3 m，位移方向为斜向上向基坑中间；而正中位置处的位移量最大，约为3.25e-2 m，位移方向为向正上方，与重力矢量方向相反；基坑底部整体呈现出上拱趋势，由基坑底部靠近地连墙位置向基坑底部中间位置，位移方向逐渐由斜向上转为正向上，即与重力矢量方向相反方向；位移值大小呈现由基坑底部靠近地连墙位置向基坑底部中间位置逐渐增大的趋势，位于基坑底部正中位置处的最大位移为3.25e-2 m。由上述对整体位移矢量图的变化特点研究和基坑中部位移矢量的分析可知。地连墙加固的基坑，由基坑底部靠近地连墙位置向基坑底部中间位置，位移方向逐渐由斜向上转为与重力矢量方向相反的方向；位移值大小呈现由基坑底部靠近地连墙位置向基坑底部中间位置逐渐增大的趋势，位于基坑底部正中位置处的最大位移约为3.3e-2 m。4结语基坑开挖完成后，随着后续降水过程的进行，基坑内保有的水量越少，基坑底部的孔压梯度越小；开始时，孔压梯度约为2e4 Pa/m，降至基坑中部位置时，基坑底部的孔压梯度约为2.5e3 Pa/m。经过地连墙加固的基坑，基坑底部位移的方向由边缘向正中位置，逐渐由斜向上转为与重力矢量相反的方向。经过地连墙加固的基坑，基坑底部位移值的大小呈现由基坑底部靠近地连墙位置向基坑正中位置逐渐增大的趋势，位于基坑底部正中位置处的最大位移约为3.3e-2 m。参考文献：1Liu H M，Cao J，Zhang W F.Study on Ef