第31卷第6期2020$1月
水资源与水工程学报
Journal of Water Resources &Water Engineering
Vol.31 No.6
Dec.，2020
D01：10.11705/j.issn.1672 -643X.2020. 06.30
邱明明1杨果林2，段君义2，张沛然2
(1.延安大学建筑工程学院，陕西延安716000; 2.中南大学土木工程学院，湖南长沙41007/)
摘要：针对富水砂层排桩挡墙渗漏水及基坑变形问题，以某地铁车站基坑工程为背景，采用数值模拟和现场实测
方法对比研究砂土场地止水帷幕局部渗漏水前后基坑挡墙侧向位移、墙后地表沉降及围护桩墙内力变化规律。研 究结果表明：止水帷幕局部渗漏加剧了渗流作用对基坑变形的影响，围护桩侧向位移曲线随基坑开挖深度的增大
由“斜线”形向“鼓肚”形分布演变，墙后深层土体侧向位移曲线随水平距离&增大由非线性“鼓肚”形转变为线性
分布；止水帷幕局部渗漏引起地表沉降量及影响范围增大，漏水后地表沉降显著影响区扩展为漏水前的2 ~3倍；
围护桩身内力随基坑开挖深度增加而逐渐增大，漏水后桩身最大剪力和弯矩较漏水前减小；抑制渗漏通道扩展和
阻止水土流失加剧是控制基坑渗漏灾害恶化的有效途径。研究成果可为砂土地区深基坑渗漏灾害防治与施工控
制提供参考。
关键词：砂土；地铁车站基坑；局部渗漏水；变形规律；数值模拟；控制措施
中图分类号:TU46 +2 文献标识码：A文章编号：1672-643X(2020)06-0194-07
E ffect o f g ro u n d w ater lea k a g e o f row -p ile su p p o rtin g stru ctu re o n
d efo rm a tio n ru l
e o
f fo u n d ation p it in san d y soil site
QIU Mingming1,YANG Guolin2,DUAN Jun y i2,ZHANG Peiran2
(1.School o f Architectural Engineering,Yanan University,Yanan716000, China；
2.School o f Civil Engineering,Central South University,Changsha A\0017 ,China)
Abstract：In o rder to solve the problems of groundwater leakage of row - pile retaining structure and
foundation pit deformation i n water- rich sand stratum,based on the deep foundation pit engineering of
metro station,the variation law of lateral displacement of retaining wall,ground settlement and internal
force of retaining pile under curtain partial leakage in sand soil site are studied and com numerical simulation and f ield measurement.The results show that the curtain partial leakage exacerbated
the effect of seepage action on the deformation of foundation pit,the lateral displacement curv ning pile develops f rom a oblique line shape to a parabolic shape with an increase of excavation depth,
and the lateral displacement curve of deep soil develops from nonlinear parabolic shap tion with an increase of lateral distance L p .The curtain partial leakage leads to the ground settlement and
influence area increasing,and the significant influence area of ground settlement after groundwater leak
age expands to (2.0 〜3.0) times o f that before groundwater leakage.The internal force of retaining pile
increases with the excavation depths increasing,and the maximum shear force and bending moment of re
taining pile after groundwater leakage are lower than that of before groundwater leakage.It is an effective
way such as b locked leakage passage and reduced soil erosion to control leakage disaster deterioration of
foundation pit.The research results can provide reference for the hazard prevention and con trol during the g r oundwater leakage of deep foundation pit in sandy soil site.
Key words：sandy soil;subway station foundation pit;partial leakage;deformation rules;numerical
收稿日期：2020- 03- 21；修回日期：2020- 07- 04
基金项目：国家自然科学基金项目（71778641)；陕西省自然科学基础研究计划项目（2019JQ- 834)；陕西省教育厅科研计划项目（19JK0963)；延安市重点研发计划项目（2019ZCSY-006)；延安大学科研计划重点项目（YDZ2019 -
08)；延安大学博士科研计划项目（YDBK2017 -32)
作者简介：邱明明（198/-)，男，陕西商洛人，博士，讲师，主要从事岩土工程、隧道及地下工程方面的研究。
第6期邱明明，等：砂土场地排桩围护挡墙渗漏水对基坑变形规律的影响195 simulation；control measure
1研究背景
随着城市地下空间开发利用的大规模发展，城市建筑物密集或地下环境复杂区“深、大、长、近”的深基坑工程不断涌现，基坑工程灾害问题[1越来越突出，尤其是富水地层深基坑。工程实践表明，大多数地下工程灾害是由于地下水渗流引起水土流失诱发的，例如基坑围护结构接缝或质量缺陷引起的渗漏水，造成基坑周围土体内部产生空洞，并导致地面突发塌陷、结构大变形或开裂，甚至是整体失稳等工程灾害。因此有必要对富水地层基坑渗漏条件下围护结构变形及土体运移规律进行深入研究，以全面地掌握渗漏灾害发展过程中的基坑变形特性，并保证基坑和周围环境安全。
国内外学者[6_9]针对基坑施工变形特性已进行了大量的研究工作，也取得了较多有益的研究成果。俞建霖等[°]对砂土基坑施工引起的围护结构及周围土体变形进行数值模拟，并结合实测数据进行了对比分析。陈阳等[11]基于现场测试结果对砂土地层深基坑施工变形及力学效应进行了分析。冯春蕾等[12]结合大量的地铁车站深基坑实测数据，对砂卵石地层长条形基坑整体变形规律和模式进行了分析。王明年等[13]借助PFC软件建立了卵石层深基坑数值模型，分析了基坑地面沉降和支护变形规律。TAN等[14]对上海地铁深基坑开挖期间渗漏原因进行了分析，研究了漏水漏砂引起的地表竖向位移和围护
墙水平位移变化规律。J0等[15]通过现场调查对深基坑开挖过程中渗漏引起的地面下沉发展规律及关联性进行了分析。郑刚等[6]、戴轩等[17]对地下工程渗漏灾害发展过程及演变规律进行了试验研究，并结合DEM- CFD 親合方法对基坑漏水漏砂引起的地层运移规律进行了分析。Koltuk等[18]、黄戡等[19]借助数值模拟方法X对深基坑开挖降水过程进行了渗流与变形分析，研究了渗流作用下基坑施工变形规律。
综上所述，基坑渗漏改变了基坑渗流场和应力场，对基坑变形及稳定性具有重要影响，而针对该问题的工程实践资料和理论研究则少有报道。鉴于此，本文以某砂土场地渗漏水深基坑为研究对象，建立考虑渗流作用的深基坑土-止水帷幕-排桩围护结构相互作用的数值计算模型，研究止水帷幕局部渗漏水条件下基坑排桩挡墙侧向位移、墙后地表沉降及围护桩墙内力变化规律，并结合现场实测数据进行对比分析，为砂土地层深基坑施工安全与变形控制提供参考。
2工程背景
某地铁车站长条形深基坑工程，车站长X宽X 深为470. 0 m x23. 1 m X18. 0 m，上覆土层厚度约2.50 m，车站采用明挖顺筑法施工。基坑标准段深度为15. 50 ~ 16.41 m，南北端头深度为16. 73 ~ 17.
87 m，采用钢筋混凝土钻孔灌注桩（私000m m@ 1200 m m，桩长23.00 m)作为基坑围护结构，桩墙外侧0.2m施作水泥土三轴搅拌桩（批50m m@600 m m，桩长19.6 m)隔水帷幕，帷幕与挡墙间充填
双液注浆以保证隔水效果。基坑标准段设置3道内支撑，南北端头设置4道内支撑，其中第1道为钢筋混凝土支撑，第2、3、4道采用钢支撑。拟建场地开挖深度范围主要为砂性土层，各土层基本物理力学参数见表1。场地地下水埋深约4. 10 ~ 6. 50 m，主要受大气降雨和临近江水影响。在基坑端头井段开挖至坑底（15. 0〜17. 9 m)时，围护桩间发生局部渗漏水现象，呈现渗漏速度快、流量大的特点，并在渗漏点对应断面发生“锅底”形地表塌陷。基坑各土层土质及端头井段基坑局部渗漏位置剖面图见图1。
表1基坑各土层基本物理力学性质参数
土层名称h/m
p/ (g•cm_3)P s/(g•cm—3)史/(。）c/kPa E0/MPa V尺/(cm•s_ )素填土2.1 1.70 1.9610 3.05..3 2.0 xl0-4粉质黏土 2.4 1.87 1.921819.39.560.34 4.0 xl0—5粉砂 3.5 1.79 1.98310.811.30.340.8 xl0_中砂 4.0 1.852.435014.40.31 1.2 xl0-2粗砂 2.1 1.902.738015.80.31 6.0 xl0—2砾砂 4.8 1.952.44019.70.308.0 xl0—2强风化泥质粉砂岩 1.5 2.10 2.1235060.34 2.5 xl0-6中风化泥质粉砂岩7.6 2.4 2.435600150.34 4.5 xl0-7风化泥 粉7.0 2.45 2.4548250.28 3.0 xl0-8
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水资源与水工程学报
2020 年
3基坑渗漏水有限元模型
3.1数值计算模型的建立
上述深基坑实例表明，基坑施工过程中发生渗 漏灾害的主要原因是基坑围护结构隔水功能失效， 特别是止水结构的防渗效果对控制基坑施工变形和 渗流稳定性具有重要影响。为此，本文借助有限元 软件建立考虑渗流作用的深基坑土-止水帷幕-排 桩围护结构相互作用数值计算模型，模拟分析基坑 降水开挖和围护结构渗漏条件下引起的基坑变形规 律。结合本工程端头井段具体情况，取基坑开挖尺 寸深X 宽为17.9m x 23.0rn ，考虑数值模型的对称 性取其一半进行计算分析，建立的有限元计算模型
如图2所示。模型共划分1 789个单元，14 503个 节点，其边界为位移边界条件。
在数值模拟计算中，岩土体和止水帷幕采用实体 单元模拟，采用能较好描述土体破坏应力状态的
Mohr - Coulomb 屈服准贝弹塑性本构模型。其中， 止水帷幕重度为2〇. 0 kN /m 3，黏聚力为12. 0 kPa ，内 摩擦角为40.0°，弹性模量取0.4 GPa ，泊松比为0.25，
各土层物理力学参数取值见表1。基坑支护结构采 用结构单元模拟的线弹性本构模型。其中，排桩挡
墙 重度为25.0 kN /m 3，弹性模量取31.5 GPa ，泊松比为 0.2；混凝土支撑重度为25.0 kN /m 3，弹性模量取30. 0 GPa ，泊松比为0. 2；型钢支撑重度为78. 0 kN /m 3， 弹性模量取210.0 GPa ，泊松比为0.3。3.2
降水开挖及渗漏水模拟
考虑基坑开挖过程中降水渗流与渗漏作用对围 护结构及周围环境变形的影响，基坑采用分层降水 分步开挖方式模拟，且先施作支护结构再进行坑内 土体开挖。具体模拟步骤如下：
(1)
施作排桩挡墙与止水帷幕结构，初始地应
力平衡。
(2) 开挖第1层土至-2.0 m ，并施作第1道混
撑。(3)
降水至-8.0 m ，开挖第2层土至-7.5 m ， 并施作第2道型钢支撑。
(4) 降水至-11.5 m ，开挖第3层土至-11.0m ， 作 3
型钢 撑。
(5) 降水至-15.5 m ，开挖第4层土至-15.0m ，
作 4 型钢 撑。(6)
降水至-18.4 m ，开挖第5层土至坑底- 17.9m 。
(7) 距坑底0. 9 m 处止水帷幕发生局部渗漏，
渗漏孔尺寸为0. 2 m x 0. 2 m 。
图3为止水帷幕局部渗漏前后基坑渗流速度场 分布对比。由图3可知，降水开挖引起坑内外地下 水水头差发生变化，坑外地下水通过止水帷幕底部 透水土层发生绕流，在止水帷幕底部周围土体“渗 流集中”现象显著，且土体中以水平向渗流为主；砂 性土层中的渗流速度明显高于上部粉土层和底部泥 质粉砂岩层；止水帷幕的隔水作用改变了基坑渗流 路径，显著影响基坑渗流场分布，且渗漏条件下基坑 渗流作用明显增强。4计算结果对比与分析4.1
墙后土体侧向位移分布
图4为止水帷幕局部渗漏前后墙后土体侧向位 移分布云图，图5帷幕局部漏水前后墙后不同水平 距离深层土体侧向位移随深度变化曲线对比。由图 4、可看出，基坑开挖诱发的墙后土体侧向位移宽 度影响区域约为（2.0〜3.0)圪（圪为开挖深度）， 深度影响区域约为1. 2圪，10.0 ~ 15. 0 m 深度范围 土体侧向位移最为明显，且止水帷幕局部渗漏对桩 墙后土体侧向位移影响显著；距基坑边沿水平距离 &越小（近），周围土体侧向位移越大，反之越小；墙 后深层土体侧向位移曲线随水平距离增大由非 线性“鼓肚”形分布转变为线性分布；距基坑边沿水 平距离= 40 m 处，止水帷幕局部渗漏前后地表最 大侧向位移分另1J 为1 10、. 60 mm ，即止水帷幕局部 渗漏条件下墙后土体侧向位移影响范围增大。
图6为止水帷幕局部渗漏对围护桩墙侧向位移 的影响。由图6可看出，围护结构侧向位移曲线随 开挖深度的增加由“斜线”形向“鼓肚”形分布演变， 侧向位移量增大，且位移最大值位置逐渐下移（图6 (a ))；各开挖工况对应的最大侧向位移仏,_分别 为 1.40、7. 08、9. 35、3. 63、5. 70 mm ，其对应深度
圪,ma 位置为(0.58〜1.27)圪；漏水前围护桩侧向 位移曲线数值计算结果与现场实测变化趋势基本一
致，其围护桩最大侧向位移计算值、实测值分 别为15.70、14. 70 mm ，漏水前计算值为实测值的 1.07倍，主要原因是数值模拟分析采用平面应变计 算模型，未能反映端头井段的空间效应，故数值计算 结果与现场实测值略有差异；漏水后围护桩最大侧 向位移K ，m a X 计算值为10. 05 mm ，约为漏水前的 64%，
主要原因是帷幕局部发生漏水后围护结构承 受的侧向水土压力降低，使围护桩侧向位移减小 (图 6(b ))。
第6期
邱明明，等：砂土场地排桩围护挡墙渗漏水对基坑变形规律的影响
197
-0.0343-0.0267-0.0191-0.0115
疆
10
20 30 40
50
60
横向水平距离i/m (a )帷幕局部漏水前
I -16.50
-15.04 -13.58 -12.13 -10.67 ■9.208 j -7.750 -6.292 -4.833 ■3.375 -1.917 1-0.458 1.000
■i m
-257.30■214.50■171.80-129.00-86.25-43.50
(a )帷幕局部漏水前
~
(b )帷幕局部漏水后
图5帷幕局部漏水前后墙后不同水平距离深层土体侧向位移随深度变化曲线对比
图4止水帷幕局部渗漏前后墙后土体侧向位移分布云图
图3止水帷幕局部渗漏前后基坑渗流速度场分布对比
)
圓
| ： 1
；- ；：
水平流速(m /d )
功能减退B -300.00
图2基坑数值计算模型（单位:m )
罗氏芬60
^=20kPa
d
自然哲学的数学原理
^-v —i ~2.0
素填土
2.15 0
1
粉质黏土
2.4
--
^^-7.5
粉砂 3.5止水帷幕、L ^-n.o
中砂 4.0
11
_v.n ___________m
2.1
渗漏点、
J-v 1 15.0
1S.4
砾砂 4.8
1I
强风化泥质粉砂岩 1.5排桩挡墙\
5 1
中风化泥质粉砂岩
7.6
微风化泥质粉砂岩7.0
图1基坑各土层土质及止水帷幕局部渗漏位置剖面图（单位:m )0 5 0 5 1
12
2
日/逯齡
5 0 5 0 112 2 3
日/過燃
0 5 0
112
0S 0
_
___
- I I ;
一一
；l
I
…5
5 0 5
1 2 2 3 3日/
设铤
5
0 5 0 5
1 1
2 2
3 3日
/6聽
0 5
5 0
112 2 3
日/磁
緣
198
水资源与水工程学报
2020 年
图6止水帷幕局部渗漏对围护桩墙侧向位移的影响
图7止水帷幕局部渗漏前后墙后土体竖向位移分布云图
图8止水帷幕局部渗漏对墙后地表沉降的影响
4.2墙后地表沉降分布
图7为止水帷幕
漏前
向位移分布云图，图8为止水帷幕 漏对库克曲线
地表沉
降的影响。由图7、可得，止水帷幕渗漏 向位移，且影响范 大；地 降
沿横向水平距离呈“凹槽”形，随基坑开挖深度 沉降槽加深变宽；漏水前 地
降
数
与现场实测变化趋势基
，漏水前
最大地表沉降^腿. 为4. 1、18. 4〇 mm ，漏水后
最大地表沉降义_为漏水前的4. 4倍，，
止水帷幕
漏条件下基坑渗流作用，引起
地水位下降， 基
降变大；根
据地表沉降
，基坑开挖诱发的地
降
显著影响区约为（1.0 ~ 1.5)氏，漏水后地表沉降显
水平位移
i/ymm
-5
5
10
15 20影响区为漏水"的2〜3倍。4.3围护桩墙内力分布
图9为不同开挖工况条件 护 与弯矩
，图10为止水帷幕 漏前
护
剪与弯矩。由图9、0可得，桩身内 基坑开
挖
个动态发展平衡的
，内支撑的施作及约
束作用改变 态，
护桩的承载
和抗变
；随着基坑开挖深度
内力逐
渐增大，基坑开挖完 最大 和弯矩 I
为508.59 1^、1219.65 1^.爪；基坑围护结构发生 漏后，桩身最大 和弯矩
为483. 67 kN 、953.62 kN • m ，与渗漏前相比
帕克回家最大剪力和弯矩为减小
5%、22%，主要
与引起围护桩
侧向位移减小的原因相同。
水平位移
tZ/mm
-5
5
10
15 20正电子湮没技术
5
20
5 0
11
2
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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