（岩土工程专业论文）粉砂粉土地基钻孔咬合桩围护结构渗流及管涌分析.pdf

浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 摘要 深基坑工程的施工特点决定了其渗流场水力条件的复杂性，大量的工程实践 显示，渗流问题是粉砂粉土地基中基坑工程事故的重要原因。钻孔咬合桩是一种 新型围护结构型式，在深圳地铁一期工程、南京地铁1 号线、天津地铁3 号线、杭 州地铁1 # 线秋涛路车站都得到了应用。在粉砂粉土地基中这种围护结构因两桩 咬合不足而极易发生渗漏乃至管涌事故，因此研究粉砂粉土地基中钻孔咬合桩围 护结构的渗流和管涌特性具有重要意义。 本文利用a b a q u s 有限元软件，结合杭州地铁1 线秋涛路试验段工程对粉 砂地基中钻孔咬合桩围护结构的降水渗流、渗漏、管涌问题展开了深入系统的研 究，为粉砂地基深基坑开挖设计计算和工程实践提供技术支撑。 本文首先介绍了杭州地铁1 # 线秋涛路车站深基坑开挖工程，- 接着分析了其 降水条件下的深基坑渗流问题，并模拟了咬合桩开叉发生渗漏条件下的深基坑渗 流特性。随着开挖深度的增加，基坑渗流水力条件发生改变，渗漏逐渐发展为管 涌，文中模拟了管涌发展的过程，及其对渗流场的影响。本文的工作表明，利用 数值方法分析深基坑渗流及管涌特性，获得降水渗流和管涌对坑外水位和地表沉 降的影响规律，对于深基坑工程的安全性评价和工程施工都具有重要的指导意 义。 关键词：深基坑降水渗流渗漏管涌数值模拟 塑垩查堂堡主堂垡笙奎 蒸! 羔墨! ! 堕 a b s t r a c t t h ep m p e n i e so fc o n s m l c t i o nd e t e m l i n et h ec o m p l e x i t yo fh y d r a u l i cc o n d i t i o no fd e e p f b l l l l d a t i o np i t m a n ye n g i n e e r i n gp r a c t i c e ss h o wt l l a ts e e p a g ei st 1 1 ei m p o n a n tc a u s eo f f o u n d a t i o n p i la c c i d e n t s e c 舭tp i l e sa r en e we x t e r i o r - p r o t e c t e dc o i l s 臼佣i o n ，s 髓n z h e nm e t r om s t - s t a g e c o n s t m c 廿o n 、n a n j i n gm e 打ol i n el 、t l a n j f nm e n dl i n e3 、h a n g z h o um e t ml i n ela l l a d o p t e ds e c a mp i l e se x t e r i o 卜p r o t e c t e dc o n s 仃l j c t i o n t l l i sr e 诅i 1 1 i n g s 协j c t l l r ei se a s yt 0i n i t i a t e p i p i n ga sar e s l d to fs e c a n tp i l e sb i t 七e nd e f i c i e m l y th o w e v e r ，廿l er e i e v a l l tt 1 1 e o r e n c a ls t u d yl a g s 协 b e h i n dt h ee n g i n e e r i i l gp r a c t i c e ，s oi ti sm i m p o n a n tr e s e a f c hs u b j e c tt 0s t u d yt h ep r o p e n i e so f s e e p a g ea n dp i p i n go f s e c 锄tp i l e se x t e r i o r _ p r o t e c t e dc o n s t m c t i o n i ns m s a n ds o i i s t op r o v i d et c c h n i c a l 詈u p p o r t sf o rt h ed e s i g no fd e 印f o u n d a t i o np i ta n dt h ep r a c t i c e e n g i n e e 血g ，i nt l i sp 印e t h es e e p a g e 、i e a k a g e 、p i p i n go f d e e pf b u n d a t i o np i ti l ls 弧s a i l ds o i l sa r e s y s t e m a t i c a l i ys n j d i e do nm eb a s i so f a b a q u s f i r s y ，h a n 0 um e t r ol i n e1q i u l a or o a ds t a i i 彻d e e pe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n gi s 砷d u c e d ；s e c o n d l y ，a 1 1 a i y z ea n ds i l l l u l a t es e e p a g ep r o p e n yo fi t 船ar e s u l to fd e w a t e r i n ga 工l d s i m u l a t el e a k a g eo fs e c a | l tp i l e sd u et ob nd e f i c i e n t l y ；f i n a l l y ，i 1 1t 1 1 ep r o c e s so fe x c a v a t i o n ， s e e p a g ef l e i dc h a l l g eg r a d l l a l i y ，l e a k a g ed e v e l o p e di n t 0p i p i n g t h i sp 印e ra l s os i m u l a t e d 也e p r o c e s so fp i p i n g t h j sp 叩e rs h o w st l l a tni si m p o r t 龃tt 0c o n s 饥l c t i o na n ds a f e 廿o fd e e p f o u n d a t i o np i tt os i m u l a t e 协ep r o p e r l yo fs e 印a g ea n dp i p i l l ga 1 1 dg e tt h ei a wo fw 锄玳a b l ea 1 1 d 孕o u n ds e t i l e m e n tb y 肌m e r i c a im e t h o d k e y w o r d s ：d e 印f b m d a t i o np i t 、d e w a t e r 、s e e p a g e 、l e a k a g e 、p i p i n g 、n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 1 1 研究背景 第一章绪论 随着我国经济建设的突飞猛进及城市化程度的不断提高，城市基础设旌的建 设远远落后于城市化进程的矛盾日显突出。以城市交通为例，交通问题已经成为 我国各大城市的主要问题。为了解决这一问题，北京、上海、广州等一些经济发 达城市先后修建了地下铁道为骨干的大运量快速公交系统来缓解城市交通的紧 张状况。毋庸置疑，我国即将迎来地铁工程及地下空间综合开发的高潮，使深基 坑工程得到空前的重视和发展。 基坑工程这个历来被认为是实践性很强的岩土工程问题，发展至今，己迫切 需要理论来指导、充实和完善。经典的土力学己不能满足基坑工程的需要，考虑 应力路径、卸荷作用、土体各向异性、土体的流变性、土的扰动、土与结构共同 作用等的计算理论以及有限元理论、系统工程等软科学正逐渐应用到基坑工程中 来，形成一门专门的学科一一基坑工程学。虽然，到目前为止，尚不能准确地定 量预测基坑的稳定性、围护结构的内力和变形以及周围地层的位移对周围建筑物 和地下管线等的影响，但是，国内外专家学者以及工程技术人员对基坑工程进行 了广泛深入的研究，极大地促进了基坑工程技术的进步和发展。 深基坑工程是以土和水、支护结构系统和周边环境为研究对象的，既涉及 土力学中典型的强度与稳定问题，又包含了土、结构的变形和相互作用问题。 地下水的影响，是与众多因素相关的理论上尚待发展的综合技术学科。工程开挖 过程中或底板浇筑前，基底尚未设置反滤设旆或采取其它措施，加之施工质量等 因素的影响，地下水的存在容易引起基坑破坏，导致临近房屋开裂或倒塌，道路、 管线沉陷或断裂。 基境降水常常引起基坑内外地下水渗流，渗流使土体在渗流方向受到动水力 的作用，它除了造成土体的潜蚀( 管涌) 与流砂外，对土体中的有效应力和孔隙水 压力也会产生影响。在渗流力作用下坑壁水土大量流失，造成基坑邻近的地面坍 塌，进而危及周边建筑物和公共设施的安全。由基坑失稳影响施工或因基坑开挖 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 影响邻近建筑物安全使用的问题已随着城市建设的发展而成为一个非常严重的 问题，使得人们倍加关注基坑开挖工程对周围环境影响的研究工作。 基坑工程区域性、个性很强。所谓基坑工程的区域性很强主要是指不同地区 的工程地质与水文地质条件差异很大。根据不同工程地质情况基本可分两大区： 饱和软粘土地基和粉砂、粉土地基。不同工程地质和水文地质条件，基坑围护要 解决的主要问题是不同的，饱和软粘土地基中的基坑主要要解决好土压力引起的 稳定和变形问题：粉砂和粉土地基中的基坑要解决好水渗流和管涌问题，处理地 下水有两种思路：降水和止水。基坑工程具有很强的个性主要是指基坑周围的建 筑物、构作物，地下管线、相邻地下铁道和地下车站等设置对基坑变形( 包括基 坑围护墙体，施工时产生的扰动变形以及降水引起的压缩变形等) 的敏感程度和 抵御变形的能力各不相同。 杭州市地铁一号线工程试验段秋涛路车站处于具有丰富潜水和承压水的粉 砂土软弱地基中，正如前述，在这种地基条件下进行深基坑开挖最主要的问题是 渗流及管涌问题，同时又受到周边建筑物以及交通的限制，使得问题变得更为复 杂。因此，研究粉砂土软弱地基中地铁车站深基坑工程渗流及管涌问题对今后类 似工程具有非常重要的指导意义。本文以秋涛路车站基坑工程为背景，对粉砂粉 土地基中以钻孔咬合桩作围护结构的深基坑渗流和管涌课题作了一定的研究，以 期为类似工程的设计和施工提供参考。 1 2 深基坑渗流研究现状 地下水是深基坑工程研究的基本问题之一，地下水是引起基坑失稳破坏的 一个重要因素，软土地区绝大多数基坑失稳都与地下水的关系密切。它的静力 学影响之一是地下水与土体相互作用导致土的力学性状变化，其二是潜水对围 护结构的静水压力以及承压水对基底的水头压力。当土重不足以抵抗下部的水 压时，坑底就会发生隆起变形。由于水下开挖，形成水头差，产生不稳定渗流， 对于支护结构的作用己不是静水压力。渗流的动力学作用是产生渗流力，渗流力 作为体力作用于土体。当渗透力较大时，即当渗流梯度较大时，易引起渗透变形。 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 深基坑渗透变形的主要型式是管涌和流土，坑底管涌和坑壁流土流砂，易引起基 坑失稳。 近年来，基坑工程中的渗流问题越来越引起岩土工作者的重视。在地下水位 较高而开挖较深的工程中，渗流问题是非常突出的。在深基坑开挖工程中，渗流 可引起周围地表沉降，土体渗透破坏，增大结构变形，降低结构的整体稳定性。 在基坑开挖过程中，随着基坑的拓宽和加深，渗流场是瞬变的，地基土往往是各 向异性和成层的，为了基坑安全和方便施工，通常要设置止水结构物或采取降水 措施等，这些因素使得基坑渗流场的研究变得较为复杂。有限单元法因能成功地 处理土的非均质性、各向异性以及复杂边界条件等难题而广泛应用于岩土工程领 域的研究。 t s u i ( 1 9 8 9 ) ，o u ( 1 9 9 3 ) 在采用有限元模拟开挖时考虑了坑内降水的影响，但 没有专门就降水对变形的影响作单独的分析。d e b i d i n ( 1 9 8 0 ) 、s c h r o e d e r ( 1 9 8 6 ) 、 f o r s t e r ( 1 9 9 1 ) 等许多学者都指出基坑工程中渗流效应显著并造成坑后水位下 降。针对水下开挖问题，首先考虑瞬变自由面边界的位置和影响，将土体变形和 渗流进行了耦合分析，计算结果与实测结果吻合较好。认为水下开挖时，周围土 体位移由两个因素引起，第一是由于土体开挖，应力释放：第二是由于有水的流 动，降低地下水位引起沉降。p k k a i s e ra n dk j h e w i t t ( 1 9 8 2 ) 研究了地 下水渗流对基坑稳定性的影响，分析了在各种不同地基条件下的渗流模式，渗流 对土水压力、坑底隆起和管涌的影响，特别指出土的分层、边界条件、土体的各 向异性是分析中的重要影响因素。结果表明，渗流不仅仅影响基坑的坑底隆起和 管涌稳定性，而且影响水土压力的分布和大小。作者同时给出了相应的荷载作用 系数和安全系数，并指出在大多数条件下，不考虑渗流作用是偏不安全的。 h i s ( 1 9 9 2 ) 采用有限元方法，对基坑工程进行了渗流与土体变形的耦合分 析，并对自由面边界的处理进行了探讨；他指出，基坑开挖问题中土体的变形主 要取决于两方面的因素：一方面是开挖面的应力释放，另一方面就是向坑内的渗 流作用。f i n n o ( 1 9 9 1 ) 基于b i o t 固结理论，建立了渗流与固结变形的耦合分析 模式，对基坑开挖的渗流与变形问题进行了有限元分析。b o r j a ( 1 9 9 2 ) 研制了 一个非线性有限元程序，可分析自由面渗流问题并计算渗流力；对基坑工程进行 了渗流与变形的耦合分析，计算结果表明，渗流作用对基坑变形影响显著，开挖 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 面附近的水平位移即坑后地表沉降都明显增大；而且在坑角附近处，由于渗流力 集中，造成土体屈服、塑性变形增加。 k is h n a n i ( 1 9 9 3 ) 认为侧向压力和墙体位移不仅受到土的性质和条件影响，还 受到其它重要因素如渗流的影响。渗流是改变支护系统反应的最重要因素，它改 变墙后侧压力大小和分布，以及增加地面的沉降。针对典型内撑式基坑工程，采 用有限元与无限元相结合的的方法，详细分析了渗流对基坑性状的影响，分析结 果表明，考虑渗流时墙体根部的水平位移增大较多，而墙体顶部水平位移增加较 少；同时，墙后土压力的分布形态也因渗流效应而有所改变，墙体上部的土压力 较小，而其根部的土压力则较大。 高俊合( 1 9 9 8 ) 建立了渗流与变形的耦合分析模式，并对自由边界的数值处 理进行了探讨：对基坑工程进行平面有限元计算，分析了渗流对土压力的影响机 理；但并未研究渗流作用对基坑变形性状的影响。 张冬霁( 2 0 0 0 ) 通过数值分析研究了深基坑工程的时间效应，结果表明，当 渗透系数较小时，主动土压力的计算值仍远大于水土合算的结果；渗流作用导致 基坑支护结构水平位移、坑底隆起、及坑后地表沉降都明显增大：渗流作用对水、 土压力的分布直接构成影响，而渗流使围护结构水平位移的增加又对土压力的分 布造成间接影响；综合考虑渗流与土体变形耦合作用时，墙后主动土压力减小而 墙前被动土压力略有增大，渗流的消极影响是明显的，它的作用是不能忽略的。 李广信( 2 0 0 0 、2 0 0 1 、2 0 0 2 、2 0 0 3 ) 教授通过简例分析指出了在基坑工程的 土压力计算中考虑渗流作用的重要意义。指出基坑地基土中水的渗流不但可能引 起渗透破坏，而且也对其土压力有重大影响，从而决定抗滑稳定性。还针对有上 层滞水、一般自由渗透、有承压水、基坑内排水与基坑外降水以及有超静孔压等 情况对基坑支护结构物上的水土压力进行计算分析，结果表明：水土压力大小及 分布与静水时的明显不同，在有上层滞水情况下，用水土合算大体上是可以接受 的；在有承压水情况下，其作为抗力的被动土压力可能丧失殆尽。基坑外人工降 水与基坑内排水相比，更有利于基坑的稳定。正的超静孔压大大提高了土压力， 负的超静孔压明显减少土压力。 李守德( 2 0 0 0 ) 深入研究了渗流有限元分析法，讨论了两类边界条件在应用 中的各种表现形式及数值处理技巧；并建立了不仅固结过程条件下，考虑渗流效 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 应的土体平面变形有限元分析格式；对基坑渗流特性及渗流力分布进行了探讨a 李玉岐( 2 0 0 5 ) 研究了考虑渗流影响的基坑工程性状，结果表明，当考虑坑 内外水头差变化时，基坑内外土中的超静孔压均发生显著变化，围护结构的水平 位移、周围地表沉降及坑底隆起变形都明显增大，而不考虑坑内外水头差变化的 分析是不安全的；分析了渗流自由面的变化规律，讨论了渗透系数变化对渗流自 由面及基坑变形影响，结果表明，当土体渗透系数较小时，坑外渗流自由面变化 较小，可以不考虑其影响。 综上所述，深基坑开挖渗流，具有以下特点： 1 、为便于施工和防止渗透变形的发生，基坑工程往往采取止水与降水两 大措施。坑底渗透变形往往以桩周土接触管涌为先导，坑壁的破坏主要形式是 漏水冒砂。 2 、深基坑工程大多属于临时性工程，施工期相对较短。施工开挖将导致土 的固结及地下水的流动，水力梯度在短期内迅速增大，渗流往往控制着工程的 稳定，对支护结构和周围土体的应力和变形产生不利影响。 3 、深基坑工程的周围土体己经沉积完成，且土质条件复杂，具有很强的区 域性和个性。上层往往是杂填土，渗透系数在空间上变化很大，潜水层的渗透 系数在地层的分布也不均匀，渗透系数很难准确确定。 4 、 在底板浇筑前或开挖过程中，坑底一般没有反滤设施或其他防护措施。 当渗流的水力梯度较大时，尤其是渗透水流与某些江河湖泊相通，坑底附近的 水力坡降很大，致使土体的抵抗能力降低，当支护结构变形较大时，易使防渗 帷幕破坏，引起局部破坏或整体失稳。 5 、渗流受当地土质条件、人工边界条件、地下管线、建筑物基础和各种地 下构筑物影响，且型式不同，就有不同的响应，这些不同与其他工程的特性， 设计时很难完全考虑，有限元法也很难准确模拟。 6 、渗流的影响区域，除受水文地质条件的影响外，还与降水条件有关。当 基坑降水深度较大时，容易引起地面沉降，导致相邻建筑物的功能失效以及地 下管线的断裂。 总之，深基坑工程必须重视渗流对基坑及周围环境影响的评价。透水地基上 的深基坑工程，随着基坑开挖深度的增加，渗透水头迅速增大，当水力梯度较大 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 时，土的性质将受到何种程度的影响、变化规律如何，这些变化对基坑稳定和变 形将产生何种影响，都有待解决。因此，研究渗流对土的影响机理的必要性和重 要性是显而易见的。 随着施工和基坑降水的进行，应力边界条件和渗流边界条件的改变，不同 型式防渗帷幕的设置、不同地下构筑物和建筑物基础型式的影响以及反映应力 场和渗流场耦合作用的渗透系数的变化和空间分布不均匀等，使得渗流与土和 支护结构的相互影响更趋强烈和复杂，需要加强渗流对基坑影响机理和孔隙介 质相互作用的研究，这方面的研究工作还很不够。 1 3 管涌研究现状 渗流作用引起的土体渗透破坏型式可分为管涌和流土两种型式。基坑周围的 地下水渗流特征与建筑场地的水文地质和工程地质条件、防渗墙的埋入深度及其 止水效果和基坑抽水回灌的层位等因素有关。地基土的透水性及其分布影响着基 坑内外的水力联系，透水层为地下水渗流提供通道，一定的水力坡降是产生渗流 破坏的条件，当基坑内外的水力坡度超过土体的临界水力坡度时，土体中便产生 了管涌。 管涌表现为细颗粒在较大颗粒的孔隙中随水流流出，常发生于级配不良的无 粘性土中。管涌的持续发展，将会在土体内部形成空洞，极大威胁基坑工程的安 全。流土是向上的渗透力大于上覆土自重，使之上抬而破坏，或者在直立坑壁的 情况下，水平向的渗透力只需要克服土颗粒之间的摩擦阻力，使坑后土体涌出， 更容易造成工程事故。一般，可以用渗透力和土体浮容重二者的合力来判断土体 的渗透变形趋势或渗透稳定性。当作用有从下向上的渗流时，常控制渗透坡降小 于临界水力坡降。 i 管涌计算模型国内外研究现状 管涌临界水力梯度的理论研究至今尚不成熟，其原因是发生管涌的渗流机理 还没有在理论上突破，并且试验也很难测准。管涌的临界水力梯度值标志着土体 中的细颗粒开始流失。目前，国内外关于管涌的研究大都是从研究渗流破坏的角 度出发，对渗流破坏的研究又主要集中在对临界渗透破坏条件的判别上。 6 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 1 总水头法分析法 b u c k l e y ( 1 9 0 5 ) 认为围堰是否发生管涌破坏只与渗流路径的长度有关，提出 了蠕变系数的概念，并且首先提出了总梯度方法。总水头梯度定义为每单位长度 的水头损失。蠕变系数的倒数就是总水头梯度。l a n e ( 1 9 3 5 ) 考虑了流线的垂直运 动和孔隙介质的各向异性，发展了b u c k l e y 和b 1 i g h 的计算模型，分析了2 0 0 多个构造物，建立了经验公式确定蠕变系数，并给出了经验值。c h u g a v e ( 1 9 5 8 ) 在以前研究的基础上，通过对1 7 0 多座构造物的研究，提出了建造在可渗透地基 上的混凝土坝的临界水头经验值。 总水头法中的临界总水头梯度是从大量的对构造物的统计分析中确定的。每 个分析的构造物只是统计样本中的一个，不可能包含所有的可能破坏模式和不利 的土层条件。发生的破坏可能是沿着土体条件突变的地方，不一定能够反映整体 的情况。除非进行定点调查或是在建造的时候采取措施，否则使用平均渗流的方 法不可能预报由于集中渗流对构造物可能造成的破坏。 2 临界水力梯度分析法 t e r z a g h i ( 1 9 2 2 ) 基于土体中垂向力的平衡分析，提出了著名的公式计算临界 水力梯度。通过室内试验验证了这个公式的正确性。c a s a g r a n d e ( 1 9 3 7 ) 描述了与 渗流有关的内部侵蚀引起的土质岸堤失稳，并且给出了根据流网计算临界水力梯 度的公式。 k h i l a re ta 1 ( 1 9 8 5 ) 建立了粘土地基上的土质堤坝管涌和堵塞的毛细管数 学模型，描述粘粒在土的孔隙中沉积和扩散的过程，来估算临界水力梯度。 s e l l m e i j e r ( 1 9 9 1 ) 应用建筑物下方潜流区的解析和数值方法，认为管涌在堤坝下 面发展形成管涌通道以后达到稳定平衡，管涌不再继续发展。运用d a r c y 渗流理 论，考虑在砂沸和管状通道的力的极限平衡分析，分别给出了砂沸段和管涌通道 内的临界渗流梯度的计算公式。k o e n d e r s ( 1 9 9 2 ) 基于工程实用和物理模型试验理 解的考虑，发展了s e l l m e i j e r 模型，得出当管涌发生的长度达到坝基宽度的一 半时出现临界水头的结论。并给出公式计算临界水力梯度。 o j h a ( 2 0 0 3 ) 基于多孔介质的渗流方程和方程耦合以及临界牵引力的条件，同 时考虑了土体的孔隙率在产生临界水头时的作用，建立了确定临界水头的公式。 吴良骥( 1 9 8 0 ) 在分析作用于单个颗粒和单位土体渗流力的基础上，考虑了管涌时 7 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 流失的颗粒粒径，又考虑了水流作用于颗粒上的摩擦力和水流作用于颗粒上的动 水力，并根据大量试验资料得到了临界水头的计算公式。刘忠玉( 2 0 0 1 ) 运用模型 描述骨架孔隙，利用理论来分析可动颗粒在骨架孔隙中的运动，研究了管涌发展 过程中渗流速度随水头梯度的变化情况，同时得到了管涌发生的临界水头梯度。 上面的大多数临界水头公式大都是针对无粘性土的，判定粘性土是否发生管 涌的有效方法之一是试验。这种临界水头的理论推导的局限性是非常明显的，由 于自然界中土的组成变化范围较广，渗透破坏是形式比较复杂，因而在计算临界 水力梯度方面不可能用一个函数精确表达。 3 随机模型和地下水井流模型 p e t e r ( 1 9 7 4 ) 第一次提出管涌的随机特性。他的数据来自于多瑙河堤防的 2 0 0 0 多个侵蚀形成的管道。提出管涌发生的频率与距离堤角的距离大致成指数 递减的结论。曹敦侣( 1 9 8 5 ，1 9 9 7 ) 提出了渗流管涌的随机模型。认为地层的抗渗 强度各处不同，同时孔隙的大小不一，分布也不均匀。他考虑了孔隙介质渗透特 性的随机性，同时可求出在一定条件下渗流管涌导致管涌破坏的概率。刘忠玉 ( 2 0 0 1 ) 考虑了可动颗粒启动的随机性，建立了管涌的随机模型，可模拟管涌过程 中土体颗粒级配的变化。 陈建生、李兴文( 2 0 0 0 ) 首次运用地下水动力学中的井流理论，分析完整井和 非完整井两种情况分析管涌这个水与土体共同作用的复杂力学过程，计算出随着 管涌带出的土颗粒在地层中的分布范围，估计管涌口的冒水量，刻画了管涌发展 过程，定性的论述了管涌发生后在多孔介质的透水层中将会产生渗漏通道( 或渗 流带) 。对堤防渗流管涌后产生集中渗流通道的机理进行了深入的分析探讨。 林志( 2 0 0 1 ) 建立了描述了流土发生的地下水渗流场的数学模型。并从极限平衡状 态出发，详细描述了流土通道的边界条件，得到了描述边界条件的数学表达式。 刘建刚( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 对二元结构性地基，分析了渗漏涌砂的成因，提出了堤 基渗漏涌砂的两个理论模型，即均质各向同性砂砾石地基中的完整井和非完整井 模型。建立了洪水期管涌临界面方程，确定了临界面形状及随江水位上涨临界面 的发展趋势；并根据水流连续条件，推导了在一定江水位和涌水流量条件下涌砂 影响范围的估算方法。腾凯( 2 0 0 3 ) 将管涌产生初期涌水点附近透水层看作是各向 同性均质，并利用地下水井流理论、临界面及破坏界面孔口的计算公式。 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 随机模型和地下水井流模型也只是宏观描述了管涌发生的某一种因素和过 程，并不能全面的解释发生的机理。 i i 管涌室内实验和数值模拟研究现状 l _ 管涌室内实验模拟 管涌是与地下水有关的建筑物，如大坝、围堰、和深开挖，破坏的重要因素 之一。大多数的研究人员采取室内试验。自从t e r z a g h i ( 1 9 2 2 ) 发表了由于渗流 破坏引起大坝失稳的经典著作以来，已经有很多人做了试验，从室内试验的类型 讲，大致分为两类：筒形容器试验( t e r z a g h i ( 1 9 2 2 ) 、b a n t ( 1 9 4 9 ) 、 s c h m i d b a u e r ( 1 9 5 0 ) 、n a k a j i m a ( 1 9 6 8 ) 、k e z d i ( 1 9 7 6 ) 、k a e l i n ( 1 9 7 7 ) 、z y l ( 1 9 7 9 ) 、 s k e m p t o n 和b r o g a n ( 1 9 9 4 ) 等) 和对特定边界条件的特定模型试验 ( t e r z a 曲i ( 1 9 4 3 ) 、m a r s l a n d ( 1 9 5 3 ) 、e h s s ( 1 9 6 0 ) 、s e n t o ( 1 9 6 1 ) 等) 。 t e r z a 曲i ( 1 9 2 2 ) 通过尺寸模型试验观察到了导致管涌的两个过程一一表层 下的侵蚀和体积的隆起。b a n t ( 1 9 4 9 ) 在尺寸模型试验中测量了土颗粒的位移。他 得出结论，每个土颗粒的不可逆的位移都对应一个临界水力梯度。在宏观上的反 映就是土开始塑性变形。s c h m i d b a u e r ( 1 9 5 0 ) 首次将砂的松动作为时间和水力梯 度的函数作了详尽的实验研究。假如水力梯度足够引起破坏，他观察到如果 1 0 c m ，卵石含量约2 0 ，砾石含量约3 0 4 0 ， 充填泥质和砂质，含量约3 0 q 0 ，局部为砂砾，重型圆锥动力触探锤击数平均 值n 6 35 = 3 1 8 击，低压缩性。全区分布，层顶高程- 3 0 5 5 2 7 3 0 m ，钻孔揭露最 大厚度1 4 6 7 0 m 。 基坑围护结构后典型土层分布如图2 4 所示： 本场地地基土属于中软场地，场地类别为类。场地土局部2 层土为轻微液 化。沿线隧道围岩分类均为i 类，土石等级和类别为i 级松土，土层主要物理力 学参数详见表2 一l 。 本场地地下水分布为两个主要含水层，即浅层潜水和深层承压水。浅层地下 水属潜水类型，主要赋存于上部填土层及粉土、砂土层中，补给来源主要为大气 降水及地表水，并随季节而变化，其静止水位埂深一般在地表下0 8 5 0 4 5 m ，经 工程地质分析试验表明，地下水对混凝土无腐蚀性。第二层为承压水，水头埋深 约地表以下5 m ，相当于绝对标高3 6 2 m ，主要分布于8 1 层细砂和8 3 层圆砾夹 卵石中，承压含水层顶绝对标高为2 8 8 5 一2 3 4 2 m ，隔水层为其上的5 、6 粘性土 层，层顶绝对标高一1 6 3 一1 4 1 3 m 。 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 2 1 3 场地周围环境 一、站址环境 秋涛路车站沿东城站路、婺江路方向，跨秋涛路及新开河布置。婺江路周围 多为低矮民房，可拆迁，秋涛路为过境车辆主要干道之一，联系钱江三桥及建设 中的钱江四桥，旖工时交通不能够中断。 秋涛路车站西北有杭州五丰冷食公司，为3 4 层建筑；秋涛路车站北沿秋涛 路西侧有几幢7 9 层的住宅，其中一幢9 层钢筋混凝土框架结构距本工程基坑仅 5 m ；秋涛路车站北沿秋涛路东侧有8 层的近江大厦，距本工程基坑约3 5 m ：秋 涛路车站南沿秋涛路东侧有7 层的住宅楼，距本工程基坑约2 7 m ；。除此之外， 秋涛路车站周围均为1 3 层低矮建筑，秋涛路车站向西南约四、五百米处为杭州 汽车南站，向西北约八、九百米为规划杭州火车站东广场。详见图4 1 。 秋涛路现状路宽2 0 m ，规划红线宽5 0 m ；婺江路现状道路宽1 0 m ，规划红线 宽4 0 m 。沿秋涛路西的新开河刚刚改造完成( 包括新建桥及河西部分绿化) ，河 边距红线约1 0 m ，河面宽1 2 m ，河底标高2 5 m ( 埋深约5 3 m ) ，基础底标高约 1 2 m ( 埋深约6 6 m ) 。秋涛路路口以南正在进行道路的拓宽改造，路口及其以北 局部作为三期工程待地铁施工后再行改造；婺江路尚未实现规划，将与地铁试验 段同步实施。 二、地下管线概况 秋涛路现状管线有6 根：2 根污水管( d n l 2 0 0 、d n l o o o ) ，1 根雨水管 ( d n 3 0 0 ) ，2 根上水管( d n 8 0 0 、d n 3 0 0 ) ，1 根1 8 孔通信管。 婺江路现状管线有l 条，d n 6 0 0 污水管( 标高3 3 2 3 m ) 。沿婺江路和东城站 路方向的规划管线暂缓敷设，待地铁施工完后再实施。 沿东城站路方向现状管线共3 根：1 根d n 6 0 0 上水管，1 根雨水管( 研q l o o o ， 标高3 1 8 6 ) ，l 根污水管( d n 5 0 0 ，标高2 9 8 9 m ) ；由于东城站路尚未实现规划， 根据现有资料没有规划管线。 浙江大学硕士学位论文黄传兵2 0 0 6 2 70 5 0o 杂填土 2 ) 一】砂质粉土 m 砂质粉土 砂质粉土 1 5 0 0 _ 5 砂质粉土夹粉砂 2 1 5o 23 40 259 0 一6 砂质粉土 5 )淤泥质粘质粉土 ( n 一2 粉质粘土 一1 中细砂 n 一3 圆砾夹卵石 图2 4 基坑挡墙后典型土层分布 1 9 基坑底 导 箍葺蕈皑r 曦籁 出d 墓 寸寸 寸叶叶 荟 岫 鲁 9“ 籁 篙 斟_型 ： 叶 no 一、。 帕 寸寸n 蝴 寸 基 寸寸 卜 岬 曲 蓉兽 击 熟g ； 吐q “一 99 槲倒 忆 寸 ” 一 - _ 一 避转嘏 昏 敏 型 = 咖回 要裂赚衣 避鞴嘏 龟 日 * 舞踩r曼 枯 阵 姆 避鞲嘏 回 霹 辣聪卡 b 日 u 曼 糍 j 世艘 n 姆* 匦照 舔 k 恃 i 一 摧r u 曼 一 苫g 叵敲瓣赫udd 坦嫖靼骚u 西 求器匦螺幽r 山曼 n 面 三 莹坦姆辎删 【寸 翅 簧 謇昱s剐 晶鲤丑 t 。 6d 嚣 。 譬 怕 瑚趟剩 q 茜飞 s ! 嚣 一 蜷 联霸钿* 删骞 装 念念刊 羹悼 叠器 弱饿 廿撵 州刊 州 龚套摇 _ h州 嚣慕 固 弈弈弈 球 州 球 蜒 罄挺 喀嶂蝗餐 州 弈 弈 杂 畚念螽 辩 嶝 州 套 蟮 念 蜜 世 蟮醴 + 巡蝉潼台蛰整 一 n寸讥 0 一 q n 一 呻 世巾 园 固 鼎媳扑r剐s硪州噬刊 7 n 蝌 口os眯堪毂 似嵇掣扑书隧朴kh餐 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 2 2 基坑支护设计 2 2 1 围护结构设计 杭州市地铁一号线试验段秋涛路车站基坑工程车站标准段开挖深度1 6 8 m ， 东西端头井开挖深度1 8 1 m ，风亭开挖深度1 4 5 m 。车站开挖围护结构均采用由 1 0 0 0 7 5 0 钻孔咬合灌注桩。钻孔咬合灌注桩是一种新型的基坑围护结构，它由 配筋灌注桩和素混凝土桩咬合搭接共同挡土挡水的围护结构( 图2 5 ) 。标准段东 西端头井开挖处钻孔咬合灌注桩桩长为3 3 m ，三个风亭开挖处钻孔咬合灌注桩桩 长为2 8 m 。配筋灌注桩混凝土标号c 3 0 ，素混凝土桩混凝土标号c 1 5 。 钻孔咬合桩施工时平面定位应准确，桩顶中心线施工偏差不得大于3 0 m m ， a 、b 桩排列顺序无误。由于咬合桩不仅起着挡土围护作用，还有防渗止水作用， 全桩长咬合。因此，如何控制咬合桩的垂直度成为本技术的关键。本基坑工程严 格控制桩身垂直度偏差不大于3 ，以确保相邻桩体的充分咬合。 2 2 2 支撑布置设计 a 钻孔灌注桩b 素混凝土桩 图2 5 钻孔咬合灌注桩示意图 整个车站的支撑体系采用6 0 9 1 6 钢管撑( 除跨秋涛路及新开河处) 。钢管 撑架设后根据设计的要求施加一定的预加轴力，一般为支撑设计轴力的 7 0 8 0 。钢支撑水平间距一般为4 m ，上下相邻两道支撑的距离一般为3 m 。 风亭采用5 道钢管撑结合2 道换撑。标准段及东西端头井采用6 道钢管撑结合2 彭一藏 塑婆查兰堡主堂垡丝塞 重堡墨垫竺 道换撑。支撑的水平布置及典型的剖面图如图2 6 、2 7 、2 8 所示。 支 糸端若井 【| b ! ! l 地! l 型! b 蛐迎! i 型! 也塑b ! ! 妊4 墅! 1 3 i 盟i 图2 6 标准段、东端头井及2 # 风亭支撑水平布置图 图2 7 支撑布置纵向剖面图 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 基 第二道主撑 r 第二通支掉| 。 = ，暑j 、 厂昌触： 主i n 第j 垣互撑 j 龟 。 一 “撬掉 ： 1 苔 第五道支棒 橇撵 。 第六道支樟7 婶=* 8 7 5 0 8 7 5 0 0 09 9 0 0 0 0 q弓唾一 2 2 3 降水设计 图2 8 支撑布置横向剖面图 整个车站基坑采用深井降低坑内潜水水位，以达到保持坑底干燥，便于施工 的目的。车站主体坑内约每2 6 m 一个深井。坑外不进行降水。车站主体坑内深 井降水管埋设图2 9 。 图2 9 坑内深井降水管布置图 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 f 井布置i 意 2 3 施工概况 2 3 1 开挖方案 图2 1 0 降水井结构图 1 、$ 目r 寸均以* 计 2 、基坑* # 睡米井作为基轨自酒女的度急措施 逝常情m t 不水 3 瞥井的抽木量报掘基垭内水位南定坑底 m 应a 持在轨底月t l 基坑开挖采取分块开挖的方案，即约每2 0 m 一个槽段，共1 6 个槽段，如图 2 1 1 所示。分别由z 1 6 ) z 9 由东向西以及z l ) z 8 由西向东按阶梯状推 进，每相邻槽段开挖深度相差3 m 左右。 p 5 9 6 0 0 z lz 3z 4z 5z 6z 7z e ；z 。：。i ：。1 ：，。：。ji ：。z 1 5z 1 6 e e 丑 1 2 0 0 。im 。i 6 0 0 01 6 帅_ i1 6 0 0 02 c o 。ol 郇j 。j b d 0 a】4 8 i 口1 d b 0 07 呻0i 。0 0 dj 6 0 0 02 1 0 0 0。j 0 u1 ；0 0 。 z 8 图2 一l l 开挖槽段划分图 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 每一个槽段开挖以及结构施工步序如图2 。1 2 所示。 j 、施作导坑2 、咬合桩施工 3 、浇筑冠梁 第一道支撑 4 、第一步开挖5 、架设第一道支撑6 、第二步开挖 第二道支掉 7 、架设第二道支撑8 、第三步开挖9 、架设第三道支撑 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 1 0 、第四步开挖1 1 、架设第五道支撑 1 6 、第七次开挖至基底 1 4 、第六次开挖 第二道支撑 二一第三迸囊撑 辫鞋安捶一 ；：箍苗剀j ：= 1 5 、架设第六道支撑 第二道支撑 一 一筘遘女撑一= 。j 醚妾弗- ：一 营i 措 撞 一 第一旋换撑 一u 1 7 、铺设底板1 8 、拆除第六道支撑、浇筑内 衬并换支撑 芎 章 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 与中板 2 0 、浇筑站台和站厅层间内衬、拆除第四 道支撑、架设换撑并拆除第一道换撑 2 l 、拆除第三道支撑2 2 、浇筑站台和站厅层间内衬与顶板2 3 、拆除第二次换撑及第 二、一道支撑、顶板覆 图2 1 2 基坑开挖及结构施工顺序图 2 3 2 钻孔咬合桩施工关键技术 ( 1 ) 套管钻机和旋挖钻机的组合 国内用于成孔的套管钻机多采用机械式冲锤抓斗冲抓取土的方式施工，在粉 砂层和砂质粉土夹粉砂、粉质粘土层及中密的对质粉土夹粘质粉土层中，且深度 3 0 m 的情况下，开挖极为困难。为有效缩短成孔时间，提高成孔开挖速度，在杭 州地铁秋涛路站试验段的围护结构施工中，利用v 鼬舵0 0 0 套管钻机和s d 一2 0 5 旋挖钻机配合进行钻孔咬台桩的成孔，取得了很好的效果，单桩成孔时间可缩短 到5 8 h ，因此考虑采用旋挖钻进行开挖取土作业，旋挖钻与套管钻机配合施工 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 的设备组合形式施工。 套管钻机和旋挖钻机的配合主要是磨桩机和旋挖钻机的配合，这二者的机械 性能和部分需要考虑的重要参数为： 全套管钻机：磨桩机( 全长9 m ，端头最大宽度3 3 m ，最小高度2 1 m ) ，型号 v 趾但o o o ，功率1 3 9 k w ，最大搓管直径2 0 0 0 m m ，最大搓管深度6 0 m ，夹紧力3 0 0 t ， 最大扭矩3 0 0 t m ，拔起力3 0 0 t ，加压力8 0 t ，自重3 0 t ，桩心至侧缘距离1 6 5 m ， 桩心至前缘距离2 m 。履带吊车：产地日本，型号神钢b m 8 0 0 ，功率3 3 6 k w ，最 大吊重8 0 t ，自重8 0 t 。 旋挖钻机( 主机下净空1 0 6 5 m ，宽度2 8 m ，高3 0 6 m ；走行部分长4 5 1 5 m ， 两履带外缘间最小距离2 8 m ) ：产地日本，型号s d 一2 0 5 ，功率1 5 5 k w ，最大掘 削直径：一般土质1 8 0 0 n u n 、软土质2 0 0 0 m m ，虽大掘削深度4 0 m ，自重4 1 5 t ，钻 头至地面最大距离3 5 5 m ，正常作业半径3 5 4 m 。 套管：套管首节长度为6 5 m ，其余管节长度为4 m 3 。 ( 2 ) 成孔中抑制管涌的处理措旌 钻孔咬合桩的全套管钻机成孔过程中，与常规钻孔桩施工相比，在下面两种 情况下，更容易发生管涌：一是在砂土层中成孔，可能出现砂土管涌；二是钢筋 混凝土a 桩成孔过程中，由于相邻的超缓凝素混凝土b 桩混凝土处于未初凝状 态，随着钻孔的加深，a 桩成孔有可能出现混凝土管涌现象。 克服管涌的技术措施：依据套管的最大切割下压能力，做到套管始终超前， 抓土在后，抓土面离套管底的最小距离必须保持在lm 以上，使孔内留足一定厚 度的反压土层，防止管涌的产生；在地下水或穿越砂层时应随时观察孔内动态， 按少取土地多压切的原则操作，发挥全套管跟进的钻孔工艺特点，达到管超前； 一旦发生管涌，即向孔内注水抑制管涌的发生，如果仍无法有效控制，则加高地 面以上的套管长度，并注水增加孔内压力以达到进一步抑制管涌的作用。 ( 3 ) 在钻孔咬合桩实际施工中，先施工被切割的桩身混凝土均要求凝结时间 在6 0 h 以上，由于该混凝土比一般缓凝混凝土凝结时间还长两倍以上，故将其 称为超缓凝混凝土。配制和生产该混凝土的关键，一方面是要确保混凝土凝结时 间在6 0h 以上；另一方面混凝土各龄期强度须满足设计施工需要。即先施工桩 的桩身混凝土凝结时间要长，3 d 强度要低，以保证能被后旌工桩的钻机套管下 浙江大学硕士学位论文 黄传兵2 0 0 6 沉时切割，同时混凝土的2 8 d 强度能达到设计强度等级。 f 4 1 由于特殊情况造成b 桩混凝土超过终凝时间较长，混凝土强度超过1 0 m p a 以上时，a 桩成孔时无法切割b 桩的混凝土，而不能成孔，施工将跳开该 桩，继续施工其