第30卷第1期 湖南文理学院学报(自然科学版) Vol. 30 No. 1 2018年3月 Journal of Hunan University of Arts and Science(Science and Technology) Mar. 2018 doi: 10.3969/j.issn.1672–6146.2018.01.016
基坑开挖前预降水条件下地基土水平反力系数沿深度的变化 李刚1, 高文华1,2, 曾治国1, 张宗堂1, 刘崇国1
(1. 湖南科技大学 土木工程学院, 湖南 湘潭, 411201; 2. 湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测湖南省
重点实验室, 湖南 湘潭, 411201)
摘要: 采用ABAQUS建立考虑降水井瞬态降水的二维流固耦合有限元模型, 分析了基坑宽度和预降水深度对地基土水平反力系数随深度的影响。结果表明: 预降水引发的地基土水平反力系数沿深度变化范围随着基坑宽度、降水深度的增加而减少; 并且存在临界基坑宽度, 使得在临界范围内, 地基土水平反力系数会随着深度的增加而平稳增加, 但超过临界的宽度后, 地基土水平反力系数会随着深度的增加而迅速增加; 同时存在临界降水深度, 使得在临界范围内, 地基土水平反力系数随深度的增加而缓慢增加, 超过临界降水深度后, 降水深度的增大将引起地基土水平反力系数发生较大幅度的增长。 关键词: 深基坑预降水; 地基土水平反力系数; 有限元计算; 预降水深度 中图分类号: TU 432 文献标志码: A 文章编号: 1672–6146(2018)01–0060–04
The soil horizontal force coefficient of foundation soil is study along the depth
distribution in pre-precipitation condition before excavation
Li Gang1, Gao Wenhua1, 2, Zeng Zhiguo1, Zhang Zongtang1, Liu Chongguo1
(1. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2.Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan
University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)
Abstract: A two-dimensional fluid-solid coupled finite element model is established to consider transient precipitation of precipitation wells and influence of the depth of foundation pit width and pre-precipitation depth on the soil horizontal force coefficient with depth. The results show that the horizontal reaction coefficient of foundation soil depth caused by forecast precipitation decreases with the increasing of depth of foundation pit width, precipitation. And within critical scope of the width of the foundation pit, the foundation soil level reaction coefficient increases with the increasing of depth, steady, but more than suitable width, width of the foundation pit horizontal reaction coefficient of the foundation soil will increase obviously. In critical rainfall depth scope, level of foundation soil reaction coefficient increases with the increasing of the depth forecast precipitation changes slowly, while more than the critical depth of precipitation, the increase of depth of precipitation will cause the level of the foundation soil reaction coefficient increase obviously.
Key words: pre-excavation dewatering; the soil horizontal reaction coefficient of foundation soil; FEM calculation; preprecipitation depth
在我国城市轨道交通建设中深基坑工程得到了广泛使用, 深基坑施工引起的变形需要进行预测和控制[1]。郑刚[2]将深基坑施工全过程归纳为以下几个阶段: 围护结构施工、基坑预降水、土方开挖、分层疏干与承压水降水、支撑或楼板施工、支撑拆除及回填土、地下水恢复, 其中基坑预降水是富水地层
通信作者: 李刚, 11421811@qq.com。收稿日期: 2017–10−20
第4期 李刚, 等: 基坑开挖前预降水条件下地基土水平反力系数沿深度分布变化 61 中深基坑施工时的一项必不可少的步骤。
地基反力法[35]广泛应用于水平荷载桩的设计与变形计算, 其中桩基规范推荐的经典M法[3]假定土反力与水平位移成线性比例关系。实际上, 基坑规范中已推荐采用弹性抗力法计算基坑开挖引起的支护墙变形, 认为地基土水平反力系数沿深度按线性分布, 即基坑设计的M法。然而, Zheng[6]的研究指出基坑开挖前预降水过程中, 被动区土体在降水井旁渗流力的作用下会发生背离支护墙侧移。这意味着被视为土弹簧的被动区土体对支护墙的支撑作用减小, 此时, 再按照沿深度线性分布的地基土水平反力系数来计算基坑变形显得不合适了。到目前为止, 绝大多数基坑施工对环境影响研究的焦点均在土方开挖后的施工过程引起的变形[7–8], 国内外尚未有报道揭示基坑开挖前预降水过程中地基土水平反力系数沿深度合理的分布模式。
本文拟使用ABAQUS软件, 建立考虑降水井瞬态降水的二维流固耦合数值模型, 研究不同基坑宽度和预降水深度条件下预降水引发地基土水平反力系数沿深度变化的规律。
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1 二维数值模型及其验证
1.1 模型建立
6.0+16.1+7.9=30.0 (m)基于文献[9–10]中工程地质与水文地质条件建立二维
100 m 基坑预降水模型。建立6个不同的预降水深度(11、19、27 m)的基坑宽度为60及20 m的二维有限元模型。模型的土层厚度为50 m, 概化为9层, 土层采用修正剑桥模型来模拟,
地下连续墙 对土层分布及其参数见文献[3]; 地下连续墙厚度为1 m, 墙 称深30 m, 降水井深度为27 m。地连墙和降水井采用线弹性降水井 面模型来模拟, 其杨氏模量分别为2.1×108和3×107 kPa。分
图1 基坑宽度为60 m的预降水有限元模型
别对宽度为20、60 m的基坑所建立的1/2模型的土体尺寸
分别为110 m×50 m和130 m×50 m, 基坑宽度为60 m的有限元模型见图1, 宽度为20 m基坑的降水井平面间距及立面布置与图1中相同。
模型中土体采用CPE4P单元模拟, 计算时考虑流固耦合; 墙体采用CPE4I、降水井采用CPE4R单元模拟, 假定墙体和降水井的力学行为服从弹性理论; 墙体与土体间的摩擦系数取0.3。模型土体侧向边界设置水平方向约束, 同时设置常水头水力补给边界(总水头在模型顶部), 模型底部设置水平和竖直方向约束, 并设置为不透水边界。地表孔隙压力设置为0以14模拟地下水位在地表。本模型采用的降水方法为在对应的12
10降水深度边界设置零孔压, 以模拟实际的疏干井降水过程。 降水12 m 1.2 模型验证
将基坑宽度为20 m, 降水深度分别为5.5、11 m的模型
计算结果与文献[7]中20 m宽地铁基坑预降水实测结果进行比较, 比较结果如图2所示。在预降水深度与预降水时间2个维度下, 预降水引发地连墙顶点侧移计算与实测结果吻合较好, 计算得出的曲线发展趋势与实测结果反映的规律大致相同。
地连墙顶点侧移/mm 50 m 8 6 4 2 0 05降水8 m 降水4 m 降水深度11 m降水深度5.5 m工程实测数据 10 15 20 25时间/d
图2 模型计算结果与工程实测对比曲线
2 基坑宽度对地基土水平反力系数随深度变化规律的影响
选取基坑宽度为20、60 m下预降水深度为11、19、27 m建立的模型与规范条件下地基土水平反力系数随深度的关系进行对比，分析基坑宽度对地基土水平反力系数随深度变化规律的影响。
图3为不同基坑宽度和预降水深度条件下预降水引发的地连墙顶点侧移的变化曲线。由图3可知, 随基坑宽度增长, 地连墙顶点水平侧移大致呈同频率上升变化, 同时, 随预降水深度增长, 地连墙顶点水平侧移跟基坑宽度规律变化大致趋同。
62 湖南文理学院学报(自然科学版) 2018年
地连墙顶点水平方向侧移/m 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 降水深度11 m降水深度19 m降水深度27 m地下连续墙深度/m 1210820−20
宽度20 m 宽度60 m 规范图形
246 8 10
4
地基土水平反力系数/10
0 0 20 40 60 80
基坑宽度/m 图3 不同基坑宽度条件下地连墙
顶点水平方向侧移曲线
图4 降水为11 m的不同基坑宽度条件下
地基土水平反力系数随深度变化
图4～图6为不同基坑宽度条件下地基土水平反力系数与深度的关系。图中所有数据点均取降水时间为21 d时的地连墙侧移值。由图4可知, 对于给定的预降水深度, 地基土水平反力系数随深度的增加而非线性增大; 在深度为0～8.0 m时, 地基土水平反力系数随深度的变化相对平稳; 深度为8.0～11.0 m时, 地基土水平反力系数随深度增加有迅速增大的趋势, 两者相差随深度趋向于增大, 且都小于规范值; 在相同的预降水深度下, 宽度越大, 地基土水平反力系数明显越小, 这说明基坑宽度对地基土水平反力系数有明显的影响。
由图5可知, 对于给定的预降水深度, 预降水引发的地基土水平反力系数随深度增大呈非线性增大, 在深度为0～8.0 m时, 地基土水平反力系数随深度呈线性增大; 深度为8.0～19.0 m时, 地基土水平反力系数随深度呈非线性增大, 且小于规范值; 降水深度达到19 m, 基坑宽度为20 m时, 地基土水平反力系数超过规范值。其原因是在降水深度较大时, 发生孔隙水压力减小的地层深度范围更大(尤其是降水井进入深部含水层后)。如图6所示, 基坑宽度20 m, 深度达到27 m时, 地基土水平反力系数远超过规范值。且存在临界基坑宽度, 使得在一定的基坑宽度范围内, 地基土水平反力系数会随着深度的增加而平稳增加, 但超过合适的宽度, 基坑宽度对地基土水平反力系数影响会明显加大。
25 地下连续墙深度/m 地下连续墙深度/m 20 15 10 5 宽度20 m宽度60 m规范图形
35 30 25 20 15 10 50−5
宽度20 m 宽度60 m 规范图形
0 0 2 4 6 8 10 1214
4
地基土水平反力系数/10
图5 降水为19 m不同基坑宽度条件下
地基土水平反力系数随深度变化
123 4 5地基土水平反力系数/105
图6 降水为27 m不同基坑宽度条件下
地基土水平反力系数随深度变化
0
3 降水深度对地基土水平反力系数随深度变化规律的影响
将基坑宽度为20、60 m下3种预降水深度的模型与规范条件下地基土水平反力系数随深度的关系进行对比, 分析降水深度对地基土水平反力系数随深度变化规律的影响。
图7为不同预降水深度条件下基坑宽度20 m时地基土水平反力系数随深度的变化曲线, 其中所有数据点均取降水时间为21 d时的值。由图7可知, 对于同一基坑宽度, 地基土水平反力系数随深度呈非线性增大, 两者相对于规范值的相差随深度先趋向于增大, 深度达到一定的值时, 又逐渐减少, 直至重合, 甚至超越规范值。同时, 在一定的基坑宽度, 地基土水平反力系数随预降水深度增大而减少, 地基土水平反力系数减小。因此, 当基坑周边环境复杂时, 对预降水深度的确定需谨慎, 以免预降水引起地基土水平反力系数数值过大, 进一步影响基坑变形。
第4期 李刚, 等: 基坑开挖前预降水条件下地基土水平反力系数沿深度分布变化 63 图8为不同预降水深度条件下基坑宽度60 m时地基土水平反力系数随深度的变化曲线, 其中所有数据点均取降水时间为21 d时的值。由图8可知, 同一基坑宽度, 地基土水平反力系数随深度呈非线性增大, 且增长缓慢; 两者相对于规范值的相差随深度趋向于增大, 深度达到一定的值时, 远远小于规范值。此种情况下地基土水平反力系数随预降水深度变化规律与图7基本一致。
地下连续墙深度/m 35 30 25 20 15 10 5 0 −5 0
30 25 20 15 10 500
规范图形 降水27 m 降水19 m 降水11 m
地下连续墙深度/m 规范图形降水27 m降水19 m降水11 m
1 2 3 4 5地基土水平反力系数/105
图7 宽度为20m时不同降水深度下 地基土水平反力系数随深度变化
10 15 20 25 5
地基土水平反力系数/104
图8 宽度为60m时不同降水深度下 地基土水平反力系数随深度变化
4 结论
本文采用ABAQUS建立考虑降水井瞬态降水的二维流固耦合模型, 研究了基坑宽度和预降水深度对地基土水平反力系数随深度变化规律的影响, 得到以下结论。
(1) 基坑宽度对地基土水平反力系数随深度变化有较明显的影响, 在降水深度相同时, 地基土水平反力系数在深度范围内会随深度的增大呈增大趋势。存在临界基坑宽度(20～60 m), 使得在临界基坑宽度范围内时, 地基土水平反力系数会随着深度的增大而增大, 但超过临界宽度后, 基坑宽度对地基土水平反力系数影响会呈正指数形式, 且地基土水平反力系数会随着深度的增加而迅速增加。
(2) 降水深度对地基土水平反力系数随深度变化有较大影响, 在基坑宽度相同时, 地基土水平反力系数在深度范围内会随深度的加深呈增大趋势。存在临界降水深度(11～19 m), 使得在临界范围内, 地基土水平反力系数随预降水深度的增加而增加缓慢, 而超过临界降水深度后, 降水深度的增大将引起地基土水平反力系数发生较大幅度的增长。另外, 预降水引发的地基土水平反力系数沿基坑深度会随着基坑宽度、降水深度的增加而减少。当基坑周边环境复杂时, 对预降水深度的确定需谨慎, 以免预降水引起地基土水平反力系数数值过大, 从而影响基坑变形。
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1 021. (责任编校: 张红)
