晁 慧, 譚 勇, 劉天任

(同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系, 上海 200092)

0 引言

伴隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),城市人口眾多、綠地面積不足、交通擁堵等問題亟待解決,開發(fā)地下空間作為解決“大城市病”的關(guān)鍵舉措,在近年來得到迅速發(fā)展[1-2]。由于基坑工程是地下空間開發(fā)的前提條件[3],其安全施作受到人們的廣泛關(guān)注[4-5]。其中,由地下連續(xù)墻(文中簡稱地墻)滲漏引發(fā)的基坑工程事故占比較大[5-8],需謹(jǐn)慎對待,尤其是在富水砂性地層中,因其地下水位高、坑內(nèi)外水頭差大、土體黏聚力低、滲透性強(qiáng)、自穩(wěn)性差,土顆粒極易在動水力作用下發(fā)生流失,造成基坑失穩(wěn)、鄰近建筑物不均勻沉降等災(zāi)害。

針對基坑工程中的地墻滲漏事故,許多學(xué)者從案例分析、數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了深入研究。在案例分析方面,樊冬冬等[6]基于滲漏段監(jiān)測數(shù)據(jù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分析得出地下水由地墻鋼筋加密段進(jìn)入坑內(nèi),導(dǎo)致了基坑滲漏事故的發(fā)生;Ni等[7]介紹了基坑擋土墻滲漏引起管涌事故及應(yīng)急處理的過程,指出做好災(zāi)害防控和監(jiān)測預(yù)警的重要性;Tan等[8]分析了軟土地區(qū)某深基坑滲漏事故發(fā)生的原因,并對地下水滲流路徑及地表沉降區(qū)域進(jìn)行了研究和繪制;趙云非等[9]綜合分析了城市地鐵深基坑施工滲漏水高發(fā)的原因,提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。在數(shù)值模擬方面,胡琦等[10]基于有限元方法和土體試驗(yàn)成果,提出了考慮滲流、開挖卸荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形共同作用的基坑工程滲漏破壞分析方法;戴軒等[11]基于CFD-DEM方法對基坑工程漏水漏砂引發(fā)的地表變形規(guī)律、地層損失率的發(fā)展變化規(guī)律以及地層深層位移變化規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。

上述研究涉及地墻滲漏的發(fā)生原因、事故影響、地層損失規(guī)律及防治措施等方面,為基坑地墻滲漏災(zāi)害的防治提供了必要的指導(dǎo)。然而,發(fā)生在富水砂性地層中的地墻滲漏,呈現(xiàn)出事故前監(jiān)測數(shù)據(jù)無明顯預(yù)兆、發(fā)展速率快、地層損失嚴(yán)重的特點(diǎn),采用數(shù)值模擬的方法探討災(zāi)害的發(fā)展過程,建立的三維離散元模型可以從空間角度探尋地層塌陷的細(xì)觀機(jī)制,同時,經(jīng)驗(yàn)證的數(shù)值模型可以在其基礎(chǔ)上進(jìn)行變參分析,進(jìn)一步提高對災(zāi)害演化機(jī)制的理解,為實(shí)際工程提供幫助。

本文基于南通市某地鐵深基坑工程地墻滲漏事故實(shí)例,采用CFD-DEM流-固耦合模擬方法,對地墻滲漏誘發(fā)的地層塌陷災(zāi)變過程進(jìn)行細(xì)觀分析,以期相關(guān)研究成果為精準(zhǔn)防災(zāi)提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本文所研究的地墻滲漏事故基坑為江蘇省南通市某地下軌道交通車站基坑工程?；又黧w由西端頭井、標(biāo)準(zhǔn)段、東端頭井組成,擬建車站為地下2層框架結(jié)構(gòu),車站凈長180 m,凈寬19.3 m,標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度為17 m,采用半蓋挖順作法施工?；庸こ唐矫鎴D如圖1所示。

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

基坑工程建設(shè)地地貌類型單一,屬沖—海積新三角洲平原地貌類型。根據(jù)勘察結(jié)果并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,基坑工程在勘察深度范圍內(nèi)分布的地層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)地層、第四系上更新統(tǒng)(Q3)地層,自上而下分為4個大層,6個亞層,依次為: ①雜填土層,②砂質(zhì)粉土層,③-1粉砂夾砂質(zhì)粉土層,③-2粉砂層,③-4粉細(xì)砂層,⑥粉砂層。各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physico-mechanical parameters of soil layers

地表水系發(fā)育,地下水接受長江水位、大氣降水補(bǔ)給,潛水主要賦存于①層、②層、③-1層、③-2層和③-4層中,對工程質(zhì)量影響較大。潛水穩(wěn)定水位埋深為0.4～2.3 m,根據(jù)區(qū)域水文資料,潛水位年變化幅度一般為1～2 m。地下水位較高,基坑進(jìn)行土方開挖時需保證坑內(nèi)水位在開挖面以下1.0 m。

1.3 滲漏事故簡介

2019年3月30日,基坑標(biāo)準(zhǔn)段北側(cè)測斜監(jiān)測點(diǎn)CX12附近地墻發(fā)生滲漏,滲漏點(diǎn)在開挖面附近。滲漏區(qū)域附近圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示,采用厚度為800 mm的地墻,總深度約40 m,其中下部7.5 m范圍內(nèi)為素混凝土墻;共設(shè)置4道支撐,其中第1道為截面尺寸0.8 m×1 m的混凝土支撐,第2～4道為鋼支撐(φ609)。滲漏發(fā)生時,基坑開挖至深度11 m附近,且滲漏點(diǎn)同樣位于開挖面附近,此時第3道鋼支撐未架設(shè)。

圖2 滲漏區(qū)域附近圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地質(zhì)剖面圖(單位: m)Fig. 2 Cross-section and soil profile near leakage zone (unit: m)

滲漏事故發(fā)生前后,地墻側(cè)向位移隨時間變化規(guī)律如圖3所示,最大地墻側(cè)向位移出現(xiàn)深度由12.5 m發(fā)展到16.0 m。地墻滲漏附近的地表沉降監(jiān)測點(diǎn)D16-2和D16-3隨時間變化規(guī)律如圖4所示。由圖可知,自2019年3月30日發(fā)生滲漏后,地表沉降均發(fā)生了突增,其中,測點(diǎn)D16-2(距基坑較近)日變化量達(dá)到20 mm,測點(diǎn)D16-3(距基坑較遠(yuǎn))日變化量約為4 mm,這表明地墻滲漏導(dǎo)致坑外地層出現(xiàn)了嚴(yán)重水土流失。地墻最大側(cè)移與位移發(fā)展關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)關(guān)系如圖5所示,通過分析可知: 從2月20日到3月30日發(fā)生滲漏前,地墻側(cè)向位移發(fā)展平緩,主要由基坑開挖引起;3月30日滲漏事故發(fā)生,地墻側(cè)向位移發(fā)展迅速;滲漏發(fā)展至4月3日,于開挖面附近發(fā)現(xiàn)面滲,施工方開始采取架設(shè)臨時支撐、墻后注漿堵漏等方式控制地墻側(cè)向位移發(fā)展,此時地墻側(cè)向位移相比3月30日已發(fā)生較大幅度增長;截至4月10日,地墻側(cè)移停止迅速增長,滲漏基本得到控制。由以上分析可知,在富水砂性地層中,基坑工程發(fā)生地墻滲漏將會引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移迅速發(fā)展,這與軟土地層中基坑地墻滲漏引發(fā)的側(cè)向變形增長規(guī)律有顯著區(qū)別[8]。

圖3 地墻側(cè)向位移時變曲線圖Fig. 3 Lateral displacement of diaphragm walls

圖4 2019年地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig. 4 Monitoring data of ground settlement in 2019

圖5 2019年地墻最大側(cè)移與位移發(fā)展關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖Fig. 5 Variation of maximum lateral wall deflections with critical working conditions in 2019

2 數(shù)值模型

2.1 CFD-DEM流-固耦合模擬方法

富水砂性地層中地墻滲漏誘發(fā)的災(zāi)害,涉及地下水和砂土的耦合作用問題。砂土作為非黏性土,其物理力學(xué)性質(zhì)離散程度較高,且在地層受到擾動時呈現(xiàn)出非連續(xù)變形特征,適宜采用離散元方法進(jìn)行模擬分析。綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算效率,CFD-DEM方法可以較為有效地模擬大規(guī)模的宏觀流-固耦合問題,戴軒等[11]、李曉蛟等[12]、劉天任等[13]已運(yùn)用該方法進(jìn)行了相關(guān)的模擬和研究,并結(jié)合模型試驗(yàn)、理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)于CFD-DEM流-固耦合方法的基本理論詳見文獻(xiàn)[12]。

2.2 模型建立

基于CFD-DEM方法建立流-固耦合模型,對本文所述滲漏事故進(jìn)行模擬分析。根據(jù)滲漏事故情況,分別在PFC軟件中建立基坑顆粒模型、在Fluent軟件中建立流場模型并計(jì)算,得到流場結(jié)點(diǎn)、單元、流速、密度、黏性等數(shù)據(jù)文件,將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入PFC-CFD模塊中,計(jì)算流體作用力,并施加于顆粒質(zhì)心位置,從而實(shí)現(xiàn)流固耦合模擬。

2.2.1 DEM部分模型建立

綜合考慮計(jì)算效率和準(zhǔn)確度,選取1個標(biāo)準(zhǔn)段寬度(10 m)內(nèi)的地墻和土體進(jìn)行分析;由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)對稱,可取結(jié)構(gòu)的1/2進(jìn)一步簡化建模; Hsieh等[14]指出由基坑開挖引起的地表沉降主要影響范圍為2倍開挖深度,考慮到富水砂性地層中地墻滲漏對周邊環(huán)境的影響程度較大,建模時令模型邊界與地墻中心距離為3倍開挖深度。綜上所述,顆粒模型長度為41 m(X方向),寬度為10 m(Y方向),高度為50 m(Z方向),模型整體幾何參數(shù)匯總?cè)鐖D6(a)所示,圖6(b)為滲漏處建模細(xì)節(jié)情況。

(a) 模型幾何參數(shù) (b) 滲漏處建模細(xì)節(jié)圖6 DEM模型示意圖(單位: m)Fig. 6 Schematic of DEM model (unit: m)

DEM方法通過假設(shè)微小顆粒間的接觸模型,來模擬宏觀響應(yīng),將從土體、支撐、地墻3部分介紹建模細(xì)節(jié)。

1)土體部分。在離散元模擬中,不同細(xì)觀參數(shù)的球形顆粒相互接觸形成新的接觸模型時,由于參數(shù)之間繼承規(guī)則以及接觸生成的隨機(jī)性,會導(dǎo)致細(xì)觀與宏觀參數(shù)對應(yīng)關(guān)系建立非常困難。這就使得按不同土體分層建立的模型,在發(fā)生層間混合時,容易出現(xiàn)模擬失真的情況。在滿足探討滲漏細(xì)觀機(jī)制的目標(biāo)前提下,本模型將場地土層簡化為均質(zhì)土體,其中土體力學(xué)性質(zhì)按照地層厚度進(jìn)行加權(quán)平均,以體現(xiàn)出富水砂性地層條件的總體特征,計(jì)算得到土體平均力學(xué)參數(shù)為γ=18.8 kN/m3,c=6.4 kPa,φ=33.8°,e=0.8。采用線性模型建立顆粒間接觸,通過三維三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)值模擬對顆粒的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)采用表2中的接觸模型參數(shù)時,土體的內(nèi)摩擦角為34°,相較于加權(quán)平均后的土層,誤差為0.5%。顆粒粒徑方面,綜合考慮軟件計(jì)算效率、計(jì)算精度和耦合尺寸要求,設(shè)置上部20 m深范圍內(nèi)的顆粒半徑為0.15 m,下部30 m深范圍內(nèi)的顆粒半徑為0.3 m。

表2 土體顆粒接觸模型(線性模型)參數(shù)Table 2 Properties of contact model of soil particles (linear model)

2)支撐部分。使用1組沿直線排列的球形顆粒來模擬支撐,考慮到支撐的受力特點(diǎn),主要模擬其在軸向的受力情況。由于線性接觸模型只能模擬受壓,在模擬過程中,當(dāng)模擬支撐的顆粒之間產(chǎn)生相互遠(yuǎn)離的位移時,線性接觸模型下,該組球形顆粒會從中斷開,因此,使用線性平行黏結(jié)接觸模型來對支撐的軸向受力進(jìn)行模擬,并對顆粒的位移加以限制,使其只能發(fā)生軸向變形。顆粒的細(xì)觀參數(shù)可類比串聯(lián)彈簧計(jì)算得出,詳見表3。

表3 支撐和地墻接觸模型(線性平行黏結(jié)模型)參數(shù)Table 3 Properties of contact model of support and diaphragm wall (linear parallel bond model) N/m

3) 地墻部分。使用1組均勻分布在平面區(qū)域的球形顆粒來對其進(jìn)行數(shù)值模擬,考慮到地墻的受力特點(diǎn),主要模擬其在彎曲變形方面的受力情況,選用線性平行黏結(jié)接觸模型。標(biāo)定過程如圖7所示,通過模擬等效懸臂梁受集中力作用情況下的撓度,并將其與解析值對比,依照上述方式進(jìn)行細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定。

圖7 地墻標(biāo)定原理示意圖Fig. 7 Schematic of diaphragm wall calibration

已有研究表明[15],粒度比是影響管涌的重要因素,Zuriguel[16]在研究散粒體材料在筒倉中的阻塞問題時指出,對于無黏性球形顆粒,筒倉出口直徑與顆粒直徑之比大于5時,阻塞現(xiàn)象會消失。由于計(jì)算效率的限制,在數(shù)值模擬中對土顆粒尺寸進(jìn)行了放大,為保證滲蝕現(xiàn)象能夠順利發(fā)生,相應(yīng)地,滲漏孔洞尺寸也應(yīng)與土體顆粒粒徑保持相當(dāng)比例。在建模過程中,滲漏區(qū)域?yàn)? m×2 m,滲漏區(qū)域土顆粒直徑為0.3 m,計(jì)算二者直徑比(取正方形邊長為直徑)為2 m/0.3 m≈6.67>5,滿足要求。綜上所述,所建DEM模型顆?？倲?shù)約為30萬個。

2.2.2 CFD部分模型建立

為兼顧流固耦合需求,CFD流場模型尺寸在DEM顆粒模型尺寸基礎(chǔ)上建立。為盡量減小邊界效應(yīng)對流場的影響,將流場模型坑外邊界擴(kuò)展至距離基坑50 m遠(yuǎn)處; 流場模型底部與DEM顆粒模型底部重合?；诠こ趟诘厮牡刭|(zhì)條件及施工信息,確定坑外流場頂面(藍(lán)色)為地面以下2 m,即高度為48 m; 由于基坑坑內(nèi)需降水至開挖面以下1 m處,因此坑內(nèi)流場頂面(紅色)高度為38 m。模型示意圖如圖8所示。

圖8 CFD模型示意圖(單位: m)Fig. 8 Schematic of CFD model (unit: m)

邊界條件的設(shè)置主要分為3類。

1)壓力入口邊界?？油饬鲌鲰斆?藍(lán)色)用于模擬潛水表面,設(shè)置其壓強(qiáng)為0; 左側(cè)邊界(圖中藍(lán)色虛線框)壓強(qiáng)假定為不受影響的靜水壓力條件,由于潛水是從無限遠(yuǎn)處補(bǔ)給,按照p=ρgh以用戶自定義函數(shù)的方式設(shè)置邊界壓強(qiáng)。

2)壓力出口邊界。坑內(nèi)頂面(紅色)為降水后坑內(nèi)的水位面,設(shè)置其壓強(qiáng)為0; 結(jié)合前述DEM模型中的地墻缺口,在流場相應(yīng)位置處設(shè)置尺寸相同的壓力出口,并設(shè)置其壓強(qiáng)為0,以模擬地下水滲漏的情況。

3)不透水邊界。為模擬地墻的隔水作用,在地墻相應(yīng)位置設(shè)置與地墻等寬的U型槽(圖中黑色線框),并將槽壁設(shè)為不透水邊界。

設(shè)置好邊界條件后,開啟重力選項(xiàng)并進(jìn)行流場初始化并計(jì)算,即可得到流場的數(shù)值解。

2.3 模型驗(yàn)證

提取Fluent計(jì)算得出的流場單元節(jié)點(diǎn)、流速、壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)文件,將其導(dǎo)入PFC軟件中,進(jìn)行流-固耦合計(jì)算。通過PFC命令流set timestep auto,考慮當(dāng)前模型剛度選取合適的時間步長進(jìn)行耦合計(jì)算,計(jì)算過程中,時間步長在4.5×10-6上下變化。提取運(yùn)算步數(shù)為1×104時基坑模型的橫剖面如圖9所示,采用CFD-DEM流-固耦合方法能夠?qū)B漏過程中產(chǎn)生的土顆粒滲蝕現(xiàn)象進(jìn)行模擬。

圖9 地墻滲漏橫剖面示意圖(運(yùn)算步數(shù)=1×104)Fig. 9 Cross-section of diaphragm wall leakage (time step of 1×104)

由于所依托實(shí)際工程空間與時間尺度跨度大,考慮到計(jì)算能力限制,難以將數(shù)值模型與實(shí)際工程在時間尺度上確定對應(yīng)關(guān)系。因此,在各個位移發(fā)展關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(見圖5),以最大地墻側(cè)移值為參考指標(biāo),將計(jì)算數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對照,得到對應(yīng)的運(yùn)算步數(shù),如圖10所示。需要注意的是,實(shí)際工況中,在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)0(2019年2月20日基坑開挖)以前,開展了基坑預(yù)降水試驗(yàn),導(dǎo)致地墻產(chǎn)生了一定的開挖前側(cè)向變形,而本數(shù)值模型僅模擬了正式開挖降水施工步驟,這導(dǎo)致關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)0處實(shí)測值和計(jì)算值存在一定的差異。同時,相較于實(shí)測數(shù)據(jù),數(shù)值模型在既有工況基礎(chǔ)上,模擬了不加干預(yù)情況下的地墻側(cè)移發(fā)展情況,以對富水砂性地層的地墻滲漏災(zāi)害演化全過程進(jìn)行分析。

圖10 數(shù)值模型驗(yàn)證Fig. 10 Validation of numerical model

3 分析討論

3.1 滲漏影響空間特點(diǎn)

3.1.1 滲漏影響區(qū)域分析

1)顆粒當(dāng)前速度與所處的位置關(guān)系能夠反映滲漏過程中下一時刻的發(fā)展情況。提取計(jì)算步數(shù)為4×104時的DEM模型,截取計(jì)算模型中線(Y=5 m)兩側(cè)薄層顆粒,記錄顆粒的位置坐標(biāo)及對應(yīng)的豎向速度分量,繪制速度云圖,如圖11所示。為方便觀察分析,提取并記錄豎向速度分量的最大值vmax(以向下為正,并對少量向上的速度賦較小正值),對每一個速度進(jìn)行了ln(vmax/v)的數(shù)據(jù)處理,即速度云圖中,顏色較深的區(qū)域代表該區(qū)域的顆粒有較大的豎向速度。通過分析可以發(fā)現(xiàn),以滲漏中心為圓心,0.5HL(HL為滲漏中心埋深)為半徑的扇形范圍內(nèi)(區(qū)域Ⅰ)和緊鄰地墻后方槽型區(qū)域(區(qū)域Ⅱ)地層豎向沉降發(fā)展較快,這與地層受滲蝕影響后,滲漏中心局部土體損失,導(dǎo)致周圍及上部土體失去支撐有關(guān)。

圖11 顆粒豎向速度云圖(運(yùn)算步數(shù)=4×104)Fig. 11 Contour of vertical velocity of particles (time step of 4×104)

2)相較于顆粒速度云圖,顆粒當(dāng)前累積位移與初始位置的關(guān)系可以反映滲漏過程中的既有影響區(qū)域。提取計(jì)算步數(shù)為4×104時DEM模型的計(jì)算結(jié)果,截取計(jì)算模型中線(Y=5 m)兩側(cè)薄層顆粒,導(dǎo)出其豎向位移(以向下為正,并對少量向上的位移賦較小正值),同樣,對每一個位移進(jìn)行了ln(smax/s)的數(shù)據(jù)處理,并記錄顆粒id,再根據(jù)顆粒id從流固耦合模擬起始狀態(tài)提取對應(yīng)顆粒的初始位置坐標(biāo),得到位移云圖,如圖12所示。圖中顏色較深的位置,代表此處的顆粒在滲漏過程中發(fā)生了較大的豎向位移?？傮w上看,墻后土體可根據(jù)位移大小大致分為A和B 2個直角梯形區(qū)域,區(qū)域A地層受到滲漏影響,產(chǎn)生了較大的豎向位移,其中,A、B兩區(qū)的分界線與水平面夾角近似為(45°+φ/2),分界線起始位置與滲漏引發(fā)的顆粒流失區(qū)域相接,這表明滲漏引發(fā)地層損失后,墻后土體沿著近似朗肯主動土壓力破壞面發(fā)生位移。具體分析滲漏影響較大的區(qū)域A,與圖11對應(yīng),區(qū)域Ⅰ和Ⅱ的土顆粒有較大的豎向位移。同時,區(qū)域Ⅰ以上的顆粒受到臨時形成的土拱阻擋,位移發(fā)展不充分,導(dǎo)致區(qū)域Ⅰ局部出現(xiàn)位移極值,反映了地層空洞的形成。

圖12 顆粒豎向位移云圖(運(yùn)算步數(shù)=4×104)Fig. 12 Contour of vertical displacement of particles (time step of 4×104)

3.1.2 地表沉降增量分析

為研究滲漏引起的地表沉降增量規(guī)律,設(shè)置無滲漏對照模型(即僅修復(fù)地墻缺口及滲流場滲漏出口,其他條件不變)并模擬計(jì)算。在提取坑外地表沉降計(jì)算值時,通過編程控制,沿坑外遠(yuǎn)離地墻方向,將分析點(diǎn)單位寬度范圍內(nèi)坑外地面表層的土體顆粒累計(jì)豎向位移進(jìn)行提取,并作算術(shù)平均處理。然后,在相同關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(即計(jì)算模型中相同計(jì)算時步)下,將滲漏模型和無滲漏對照模型地表沉降做差,并對地墻距離進(jìn)行針對滲漏(中心)深度的歸一化處理,即得到如圖13所示滲漏引起的地表沉降增量曲線。首先觀察距離地墻范圍為1倍滲漏深度的區(qū)域,地表沉降增量較大,且隨著運(yùn)算時間步的增加,沉降增量的增加較大,沉降發(fā)展迅速;而在1倍滲漏深度以外范圍內(nèi),地表沉降雖有所發(fā)展,但相比前者沉降較小,且沉降發(fā)展緩慢,然而,仍需要關(guān)注處于該區(qū)域內(nèi)的建筑和管線等。

圖13 滲漏引起的地表沉降增量-規(guī)范化離地墻距離關(guān)系Fig. 13 Variation of ground subsidence increment due to leakage with normalized-distance to diaphragm wall

3.2 滲漏影響時間特點(diǎn)

3.2.1 空洞發(fā)展規(guī)律分析

在DEM模型中,顆粒間接觸力鏈?zhǔn)欠治瞿Ｐ蛢?nèi)部受力變化和運(yùn)動細(xì)觀機(jī)制的重要參考。截取地墻后 縱剖面附近顆粒,提取滲漏不同階段的顆粒間接觸力鏈圖進(jìn)行探討,如圖14所示(圓柱體的粗細(xì)代表顆粒間作用力大小)。

圖14 顆粒間接觸力鏈圖Fig. 14 Force chain between particles

由圖14分析可知:

1)滲漏初期,土體顆粒未發(fā)生明顯移動,但在滲漏中心附近顆粒間接觸力鏈開始斷裂,表明此處顆粒將失去周圍顆粒的約束,受動水力產(chǎn)生位移而流失。

2)隨著滲漏的發(fā)展,斷裂力鏈的范圍擴(kuò)大,土體內(nèi)部中心開始出現(xiàn)空洞;空洞上方力鏈方向發(fā)生轉(zhuǎn)變,形成類似拱形的分布形態(tài),意味著空洞上方顆粒受力形式發(fā)生變化,拱效應(yīng)的形成,暫時阻礙了淺層地層的下沉,也解釋了空洞形成的原因。

3)滲漏中期,空洞尺寸擴(kuò)大至一定程度后,無法繼續(xù)維持拱效應(yīng),因此空洞上方力鏈出現(xiàn)斷裂,空洞開始塌陷,地層位移的影響范圍波及地表。

4)滲漏后期,土體流失嚴(yán)重,地層發(fā)生嚴(yán)重沉降;空洞持續(xù)塌陷,且由于土體顆粒不斷隨動水力涌出,中心處難以形成穩(wěn)定力鏈。力鏈整體變粗現(xiàn)象也反映出,地層在坑內(nèi)外水位差和動水力作用下發(fā)生沉降和壓縮,造成各深度下土壓力均有不同程度的增長。

為進(jìn)一步探究滲漏過程中地層空洞的發(fā)展情況,提取不同計(jì)算時間步下,空洞周邊顆粒的幾何坐標(biāo),對空洞的橫向、豎向跨度及幾何面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì),繪制折線如圖15所示。通過分析可知: 土體內(nèi)部空洞經(jīng)歷了生成—擴(kuò)展—坍塌3階段。隨著土體滲漏的發(fā)展,土體內(nèi)部空洞的橫向、豎向跨度及幾何面積均表現(xiàn)為先增大再減小;空洞尺寸在滲漏前期發(fā)展較快,在0～2×104步間曲線斜率較大,說明滲漏前期土體顆粒流失較快,空洞不斷擴(kuò)大;在2×104～4×104步間,空洞尺寸達(dá)到最大值,空洞上方土體開始加速下沉坍塌,不斷填充空洞;4×104步以后,空洞尺寸不斷減小,上方土體及地表沉降隨之不斷發(fā)展。

圖15 空洞尺寸統(tǒng)計(jì)變化曲線Fig. 15 Variation of size of cavity with time step

3.2.2 地表沉降發(fā)展分析

統(tǒng)計(jì)各時步對應(yīng)的地表最大沉降值,繪制如圖16所示地表最大沉降值與運(yùn)算時步對應(yīng)關(guān)系曲線。由圖可知,該關(guān)系曲線以5×104運(yùn)算時步為界,分為2個線性段,結(jié)合3.2.1節(jié)中對空洞發(fā)展規(guī)律的總結(jié),5×104運(yùn)算步為空洞尺寸達(dá)到最大值,即將塌陷的時刻。通過對比2段曲線可以得出,空洞發(fā)展規(guī)律與地表沉降發(fā)展速度的變化存在較大相關(guān)性,在滲漏初期土體流失量較少的情況下,地表沉降發(fā)展較緩慢,此階段由于土體內(nèi)部存在土拱效應(yīng)而形成地層空洞,減緩了淺層土層和地表的位移發(fā)展,地表最大沉降增長相對較平緩;當(dāng)滲漏發(fā)展至中期,空洞尺寸擴(kuò)展至無法維持的程度后塌陷,淺層土層隨之下陷,引起地表位移快速增長,地表最大沉降增長迅速。

圖16 地表最大沉降值-運(yùn)算時步曲線Fig. 16 Variation of maximum ground settlement with time step

3.3 滲漏深度變參分析

為探究基坑地墻在不同深度發(fā)生滲漏時的影響規(guī)律,以圖6所示基坑模型為基礎(chǔ),分別在開挖面處(Case1,HL=He,He為基坑開挖深度)、開挖面以上(Case2,HL=0.3He)、開挖面以下(Case3,HL=2He)設(shè)置地墻缺口模擬滲漏情況,對滲漏發(fā)生深度做變參分析,其中,Case1對應(yīng)實(shí)際基坑滲漏事故。

3.3.1 水土合力變化分析

在DEM軟件中設(shè)置測量球,使其豎向排列在地墻兩側(cè),并保證測量球與地墻顆粒相切,再對同一埋深的測量值求算術(shù)平均,獲取地墻兩側(cè)的水土壓力合力,繪制地墻附近水土合力與地墻深度關(guān)系曲線,如圖17所示。

圖17 地墻附近水土合力曲線Fig. 17 Water and earth pressure near diaphragm wall

1)主動區(qū)方面?？紤]富水砂性地層的特性,采用水土分算方法計(jì)算朗肯主動土壓力,并繪制曲線。由此可以發(fā)現(xiàn): 無滲漏情況下,地墻所受主動側(cè)水土壓力分布圖和朗肯土壓力的分布模式基本相同,吻合較好; 而考慮滲漏情況下,統(tǒng)計(jì)主動區(qū)水土合力最大值及所在深度,計(jì)算得到同等深度下,相較于無滲漏對照組,主動區(qū)水土壓力合力分別增加了8.5(Case1)、7.0(Case2)和5.7倍(Case3),相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息見表4。這表明,當(dāng)滲漏發(fā)生在開挖面處或開挖面以上時,滲漏點(diǎn)直接與外界相通,滲漏處水和土失去原有支撐力而迅速向坑內(nèi)流動,對地墻形成較大的水土壓力;而當(dāng)滲漏發(fā)生在開挖面以下時,滲漏點(diǎn)的產(chǎn)生僅是使坑內(nèi)外水土相通,水土壓力增長幅度較小。

表4 主動區(qū)水土合力最大值統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of maximum active water and earth pressure

2)被動區(qū)方面?？紤]達(dá)到被動極限土壓力所需的墻體位移量級約為0.01H(H為墻高),被動區(qū)一側(cè)未達(dá)到極限平衡狀態(tài),因此并未繪制朗肯土壓力曲線,觀察圖像可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)滲漏發(fā)生在開挖面處(Case1)和開挖面以上(Case2)時,被動區(qū)水平水土合力變化與無滲漏情況相比并不大,這是因?yàn)闈B漏處位于開挖面以上,水土滲漏僅對開挖面以上主動區(qū)應(yīng)力水平造成影響,對開挖面以下滲流場及水土運(yùn)動影響較小; 而當(dāng)滲漏發(fā)生在開挖面以下(Case3)時,被動區(qū)水平水土合力與其他3種情況相比有一定程度的降低,這是由于滲漏點(diǎn)的存在縮短了基坑內(nèi)外滲流路徑,增大了坑內(nèi)向上的滲流速度及動水力,導(dǎo)致被動區(qū)土體有效應(yīng)力降低,被動水平土壓力也隨之降低。值得注意的是,滲漏點(diǎn)附近右上方水土壓力出現(xiàn)小幅度增長,這是因?yàn)閺臐B漏點(diǎn)左側(cè)流至坑內(nèi)的地下水產(chǎn)生較大滲流力,導(dǎo)致滲漏點(diǎn)右側(cè)小范圍水土壓力增長。

3.3.2 顆粒遷徙規(guī)律分析

如圖18所示,追蹤A—E 5個典型位置處的顆粒運(yùn)動軌跡,探討不同滲漏深度下的顆粒遷徙規(guī)律,顆粒運(yùn)動軌跡如圖19所示。

圖18 顆粒軌跡追蹤取點(diǎn)位置示意圖Fig. 18 Schematic of traced particles′ initial positions

圖19 不同滲漏深度下各點(diǎn)軌跡對比Fig. 19 Comparison of particles′ path in different cases

為了更直觀地觀察和對比各點(diǎn)間的軌跡長短,在同一滲漏深度條件下的軌跡比例尺相同;不同滲漏深度條件下,Case1與Case3比例尺相同,而Case2中單位長度所代表的實(shí)際軌跡長度是其余二者的4倍。通過分析可知,滲漏過程中,滲漏點(diǎn)上方的顆粒會產(chǎn)生豎向沉降,滲漏點(diǎn)附近的顆粒將產(chǎn)生沿動水力方向的大幅位移,滲漏點(diǎn)下方地層受到影響相對較小。

3.4 地墻滲漏風(fēng)險(xiǎn)辨識及防治措施

3.4.1 不同滲漏深度的風(fēng)險(xiǎn)辨識

富水砂性地層地質(zhì)條件下,地墻難以完全阻隔基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系,將形成由基坑外繞經(jīng)地墻底部流向基坑內(nèi)的滲流路徑,基坑主動區(qū)受到向下的動水力,基坑被動區(qū)受到向上的動水力,由土體豎向應(yīng)力變化帶來的側(cè)向壓力差加劇了地墻向坑內(nèi)方向的側(cè)向變形;同時,該滲流場也對基坑的抗隆起及管涌安全性能提出了考驗(yàn)。由3.3節(jié)對滲漏深度的變參分析結(jié)果可知: 1)不同滲漏位置會伴隨著相應(yīng)的事故跡象,當(dāng)其發(fā)生在開挖面處及開挖面以上時,主動區(qū)水土壓力激增將導(dǎo)致滲漏位置附近土顆粒發(fā)生沿動水力方向的位移,地墻側(cè)向位移大幅度迅速增長,帶來地墻結(jié)構(gòu)斷裂以及坑外地表沉降突增的風(fēng)險(xiǎn)[4]。2)當(dāng)滲漏發(fā)生在開挖面以下時,由于滲漏點(diǎn)上部地層失去穩(wěn)定性會產(chǎn)生相應(yīng)的豎向沉降,更深的滲漏點(diǎn)則意味著存在更大的地層影響范圍,另一方面,雖然墻后主動區(qū)水平水土壓力增長幅度不及上述二者,但仍需要關(guān)注滲漏引發(fā)的地下水滲流路徑改變帶來的風(fēng)險(xiǎn): 當(dāng)開挖面以下地墻出現(xiàn)滲漏點(diǎn)后,部分流體將直接從滲流點(diǎn)處流入坑內(nèi),滲流路徑縮短導(dǎo)致動水力增大,且由于此時增大的動水力位于開挖面以下,地墻將有可能發(fā)生向坑內(nèi)的踢腳破壞[4]。

3.4.2 地墻滲漏災(zāi)害防治措施

針對深厚富水砂性地層中深基坑地墻滲漏災(zāi)害問題,首要目標(biāo)是預(yù)防滲漏事故災(zāi)害的發(fā)生。基坑滲漏的直接原因是圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或缺口,導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后的土體和水侵入坑內(nèi)。以地墻為例,發(fā)生滲漏的原因可能是混凝土振搗不均勻、接縫處未處理得當(dāng)?shù)葘?dǎo)致地墻內(nèi)部出現(xiàn)滲水通道,在地下水壓力作用下不斷被滲蝕擴(kuò)展而引發(fā)基坑滲漏。因此,確保地墻施工質(zhì)量是保證基坑穩(wěn)定安全的關(guān)鍵。

1)加強(qiáng)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測,做到滲漏事故早發(fā)現(xiàn)。富水砂性地層中基坑工程一旦發(fā)生滲漏,災(zāi)害發(fā)展速率較快,通過實(shí)時監(jiān)測地墻側(cè)向位移發(fā)展,可以盡早發(fā)現(xiàn)滲漏事故。通常而言,當(dāng)?shù)貕?cè)向位移在某深度處突然出現(xiàn)大幅增加,大概率在該深度出現(xiàn)了墻體滲漏問題,此時應(yīng)盡快采取有效堵漏措施。否則,一旦墻體滲漏引起的坑外地層空洞發(fā)生坍塌,會嚴(yán)重危及基坑本身和周邊環(huán)境的安全。由3.2節(jié)分析得到的滲漏影響時間規(guī)律可知,堵漏搶險(xiǎn)的最佳階段為滲漏前期,此時水土流失量和坑外地表沉降尚不嚴(yán)重,較易控制和修復(fù),但如果滲漏發(fā)展至中期或后期,空洞塌陷,地面大幅沉降,將難以補(bǔ)救,后果不堪設(shè)想。因此,應(yīng)對基坑滲漏事故重在及時,盡可能在滲漏發(fā)生早期將險(xiǎn)情控制住,使事故影響和造成的損失降到最低。

2)滲漏發(fā)生后,通常采用反壓砂袋等措施快速封堵滲漏位置,阻斷土體顆粒流失路徑;此外,在墻后一定范圍內(nèi)注漿封堵滲漏通道并填充內(nèi)部空洞,注漿深度范圍應(yīng)在地墻側(cè)移突增所在深度附近,且距離墻后0.5倍滲漏深度范圍內(nèi),應(yīng)在臨時形成的應(yīng)力拱破壞之前完成空洞填充,避免臨界空洞塌陷后產(chǎn)生突沉災(zāi)害; 可架設(shè)臨時支撐,控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)在動水力作用下的側(cè)向變形發(fā)展。

3)面對可能出現(xiàn)的滲漏問題,應(yīng)對事故潛在影響區(qū)內(nèi)的敏感建(構(gòu))筑物提前采取預(yù)防措施,尤其是1倍開挖深度范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物,可采取如地基注漿加固、基礎(chǔ)托換、建筑物上部結(jié)構(gòu)加固等方法。

4 結(jié)論與建議

基于CFD-DEM流-固耦合方法,結(jié)合實(shí)際工程滲漏事故,對富水砂性地層中地墻滲漏誘發(fā)地層塌陷災(zāi)害的細(xì)觀機(jī)制進(jìn)行了探討,主要結(jié)論如下:

1)滲漏發(fā)生后,以滲漏中心為圓心,0.5HL為半徑的扇形區(qū)域和緊鄰地墻槽型區(qū)域內(nèi)顆粒發(fā)生向滲漏中心的滲蝕,由此造成的滲漏影響區(qū)的邊界與水平面夾角近似為(45°+φ/2);由滲漏引發(fā)的地表沉降增量在地墻后1倍滲漏深度范圍內(nèi)量值較大,發(fā)展較快,需重點(diǎn)關(guān)注。

2)滲漏過程中,空洞的出現(xiàn)與土體顆粒間接觸力方向的轉(zhuǎn)變相關(guān);地層內(nèi)部的空洞經(jīng)歷了生成—擴(kuò)展—坍塌3階段,空洞的坍塌伴隨著地表沉降的加速發(fā)展。

3)地墻滲漏會引起滲漏中心附近水土合力突增5.7～8.5倍,以滲漏位于開挖面處增幅最大,位于開挖面以下增幅最小;滲漏中心附近土體顆粒將沿動水力方向發(fā)生大幅位移,滲漏上方土體將產(chǎn)生豎向沉降,滲漏下方土體受到影響較小。

后續(xù)可進(jìn)一步基于數(shù)值模型分析地層顆粒級配及具體防治措施方案對災(zāi)害細(xì)觀機(jī)制的影響,以期為工程防災(zāi)減災(zāi)提供參考。