1、第25卷 增2 岩石力学与工程学报 Vol.25 Supp.2 2006年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2006 收稿日期：20060518；修回日期：20060711 作者简介：潘 泓(1967)，男，博士，1996年于浙江大学岩土工程专业获博士学位，现任副教授，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。 E-mail： 基坑抗突涌计算方法的对比分析及应用探讨 潘 泓1，曹 洪1，谭泽新2，尹小玲1(1. 华南理工大学 土木工程系，广东 广州 510640；2. 广州市市政工程设计研究院，广东 广州 5106
2、10) 摘要：在基坑抗突涌分析中，用上覆土层的重力来平衡水压力是一种常用的计算方法。但在上覆层整体性差和透性大的情况下，当上覆层最薄弱处的渗透力大于其有效重度时，上覆层就会发生失稳破坏，此时应采用上覆土层有效重度与渗透力平衡的计算方法来分析基坑底部的稳定性。这2种计算方法适用于不同情况，在使用中常易引起混淆。从其公式表达形式、机制、安全系数及适用范围等方面进行比较并分析其异同，得出选用计算方法的原则并应用于一深基坑的抗突涌分析。分析结果表明，该基坑的抗突涌分析计算中选用的方法是合理的。 关键词：土力学；基坑；突涌；渗透性；平衡；失稳 中图分类号：TU 46+3 文献标识码：A 文章编号：100
3、06915(2006)增2352906 DISCUSSION ON COMPARISON ANALYSIS AND APPLICATION OF CALCULATION METHODS TO ANTI-UPRUSH OF FOUNDATION PIT PAN Hong1，CAO Hong1，TAN Zexin2，YIN Xiaoling1(1. Department of Civil Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510640，China； 2. Guangzhou Municipal
4、Engineering Design and Research Institute，Guangzhou，Guangdong 510610，China) Abstract：The equilibrium between gravity of the upper impermeable stratum and water pressure is a common calculation method for anti-uprush of foundation pit. In case the effective unit weight of upper stratum is less than t
5、he seepage force，its low strength and high permeability will lead to the instability of the bottom of the foundation pit，and the calculation method equilibrating between effective unit weight and seepage force should be adopted in this case. The two kinds of the calculation methods are confusable in
6、 practical application. Similarities and differences between the methods，such as the expression，principium，safety coefficient and application，are analyzed，and the principles to choose the methods are discussed. The methods are also applied to a engineering project，and the achieved results indicate t
7、hat the reasonable choice of calculation methods of anti-floating for foundation pit is important，and some valuable conclusions are drawn. Key words：soil mechanics；foundation pit；uprush；permeability；equilibrium；instability 1 引 言 随着城市建设、水利、交通等行业的发展，越来越多的深基坑工程在使用的同时，也面临着各种复杂的水文地质条件。在基坑底部以下存在承压水层的情况下，基
8、坑开挖减少含水层上覆不透水层的厚度。当其减少到一定程度，承压水的水头压力将顶裂或冲毁基坑底面发生突涌，造成基坑失稳破坏，因此需进行坑底突涌验算1。 3530 岩石力学与工程学报 2006年 目前在基坑突涌验算中较常用的方法为将上覆土层作为一个完全不透水的整体，用其重力来平衡水压力，但由于上覆土层并不是绝对不透水的，在其内部仍有渗流发生，一旦其某一最薄弱处的渗透力大于有效重度，尽管上覆土层整体上满足上述抗突涌条件，仍然会在局部发生坑底失稳破坏，因此这种情况下还应采用上覆土层有效重度平衡渗透力的方法进行验算才更加安全。以上2种计算方法在公式表达形式、机制、安全系数及适用范围等方面均有所不同，且在实
9、际应用中易引起混淆并导致偏于不安全或过于保守的情况发生。潮州供水枢纽工程即存在此类较为突出的抗突涌稳定性问题，其西溪电站厂房基坑开挖面下卧21 m水头的强透水层，基坑内有3个不同开挖高程，不同高程处的不透水层厚度、整体性、渗透系数等情况不尽相同，不透水层最小厚度仅有3 m，突涌稳定性问题至关重要。在经济上尽可能合理的基础上，既要满足基坑抗突涌要求，又要控制由降低水头引起的相邻已建水闸沉降在允许的范围内，同时也要减少基坑的排(涌)水量，难度较大。在进行抗突涌分析时，根据不同开挖高程的具体情况合理选用计算分析方法并指导工程实践，效果显著。本文结合潮州供水枢纽抗突涌工程的实践，探讨分析上述2种计算方
10、法的异同、各自的适用范围及合理选用计算分析方法的原则。 此外，工程中为满足基坑抗突涌稳定的要求，通常将地下水位(水头)降低至基坑底面以下。该措施对于开挖深度较小或基坑底部以下承压水头不大的基坑较容易实现，但对于开挖深度较大或基坑底部以下承压水头较高的基坑，实现起来难度大、成本高、易引起周边地面、建筑物及设施的沉降。实际上由于基坑底面以下土层的重度可抵消一部分水头压力，没有必要一定将地下水位(水头)降低至基坑底面以下，在某些条件下，允许基坑底面以下存在一定的承压水头较为经济合理。本文将介绍这一思路和方法在潮州供水枢纽西溪电站厂房基坑开挖实践中的实现情况。 2 抗突涌计算方法 2.1 计算表达式
11、目前基坑抗突涌计算常用的方法为用上覆土层的重力来平衡水压力： PGK =1(1) 式中：1K为安全系数，G为上覆土层重力(kN)，P为作用在上覆土层底面上的水压力(kN)。 式(1)针对上覆土层整体性好、渗透性小的情况下，将其作为一个整体来抵抗水压力，当上覆土层受到的水压力小于上覆层总重，则上覆层就不会发生突涌破坏。因此，对于整体性较好、渗透性较小的上覆层如水泥搅拌桩复合地基，应采用该式来计算分析其抗突涌安全性。式(1)的适用范围较广，可用于多层非均质土、土体内其他结构的侧壁可提供一定抗突涌摩擦力等情况。在某些情况下，除上覆土层重量外，基坑底范围内已施工的工程桩可作为抗拔桩提供一定的摩擦力来抵
12、抗水压力，上覆土层与其他结构侧壁间的摩擦力也可抵抗水压力2，因此式(1)也可写为 PfsGK+=1(2) 式中：f为土与桩、其他结构的摩擦因数或土的抗剪强度(kN)，取二者最小值；s为摩擦力作用的面积。 对于基坑底面为黏土层或在坑底采取搅拌桩或旋喷桩等加固的情况下，当上覆土层与其他结构侧壁之间具有足够的摩擦力时，还应考虑坑底土层内力、变形不能超过土体强度和刚度的限制35。 对于上覆层整体性差、渗透性大的情况，当上覆层最薄弱处的渗透力大于其有效重度时，上覆层会发生破坏，而此时按式(1)或式(2)来计算判别基坑底部整体上不一定会发生突涌破坏。因此，对于这种情况若仅仅采用按式(1)或式(2)验算会偏
13、于不安全，应采用上覆土层有效重度平衡渗透力的方法计算判别其安全性，即 JKw2= (3) 式中：2K为安全系数，为上覆土有效重度(kN/m3)，J为水力坡降，w为水的重度(kN/m3)。 从理论上说，式(3)仅适用于单层均质土，但对于多层土亦可考虑其垂直等效渗透系数，按照平均水力坡降利用式(3)进行计算。 在多层土的情况下，同样应按上述的方法判别使用式(2)或式(3)进行抗突涌验算。不过多层土中，在下层土的渗透系数显著大于上层土的渗透系数的情况下，由于多层土总的水力坡降近似等于渗透系数大的上层土的水力坡降6，当按照式(3)计算时，第25卷 增2 潘 泓等. 基坑抗突涌计算方法的对比分析及应用探
14、讨 3531 渗透力主要由上层土的有效重度平衡，下层土承担的较小，可不予考虑；当按照式(2)计算时，水压力亦主要由上层土的重量平衡，可不考虑下层土的抗突涌作用。按照堤防工程设计规程(GB5028698)7，当二相邻土层的渗透系数相差100倍及以上时，可将渗透系数小的土层视为不透水层。在实际工程中，当下层土的渗透系数大于上层土的10倍时，即可将上层土视为不透水层而不考虑下层土分承的水压(渗透)力，且从抗突涌的角度是偏安全的。 2.22种计算方法之间的关系 以上2种方法虽然形式和机制上不尽相同，但却具有一定的关系，可用如图1所示基坑进行分析。 图1 基坑抗突涌计算示意图 Fig.1 Schemat
15、ic diagram for anti-uprush calculation of foundation pit 该基坑底面下存在不透水层，不透水层顶面A点的高程为1h，不透水层底面B点的高程为2h，透水层承压水头为H，不透水层土的重度为，水的重度为w。因此=G )(21hh ，P =)(2whH ， J = 211hhhH，代入式(1)计算得 =+=21211w2w211)()()()(hhhhhHhHhhPGKwww211w+=+JhhhH(4) 由于淤泥等不透水层的含水率较高，可近似假设：wsat +=。 因此有 www1+=JK (5) 可以看出，在式(3)的分子、分母分别加上水的重度
16、w就得到式(1)。 通过上述的计算可以发现： (1) 当处于临界平衡状态，即式(1)，(3)的安全系数均取1时，有=1K =2K 1，土体抗突涌处于极限平衡状态，式(1)和式(3)是等价的，即 w=J (6) (2) 一般情况下，1K，2K均大于1，在同等土层、承压水条件下，采用式(3)计算出的值较式(1)大，即2K1K，因此二式的安全系数不相同，不能混用。 当式(1)，(3)中的J相同时，可得 )1(/1ww12=KKK(7) 根据式(7)，可得当=w/ 0.8时，安全系数1K，2K之间的关系如表1所示。 表1 安全系数K1，K2之间的关系 Table 1 Relationship betw
17、een safety coefficients K1 and K2K1K21.00 1.00 1.10 1.26 1.20 1.60 1.30 2.08 1.40 2.80 1.50 4.00 1.60 6.40 1.70 13.60 1.80 由表1可知：在同等情况下，安全系数1K，2K在描述同样安全状态时二者的值相差较大，当安全系数1K数值较小时，安全系数2K的值已较大，特别是当安全系数=1K 1.80时，此时的安全系数=2K，2种方法的安全系数不能混用。 当J = 0时，相当于基坑底面处测压管水头恰好与基坑底面持平，是一种完全不会破坏的状态，而按2种方法计算出的安全系数分别为=1K +1
18、 w/1.61.9，=2K。因此，不仅描述同样一种安全状态时，2种方法安全系数数值不同，而且2种方法安全系数取值范围也不相同：1K 1.00，1.90)，)00.1(2，K。 3 潮州供水枢纽工程中相关问题的探讨 3.1 工程简介 潮州供水枢纽西溪电站厂房基坑长161.75 m，3532 岩石力学与工程学报 2006年 宽36.00 m，采用内撑式地下连续墙支护，基坑开 挖最深处高程16.35 m，上游平台开挖高程为 13.60 m，下游平台开挖高程为12.80 m。所处河床表面为粗砂，底面高程为0.50l.00 m，以下地层依次为淤泥及淤泥质砂、粉细砂、黏土、砂卵砾石层。淤泥及淤泥质砂总厚约
19、为20.0 m，层底高程为18.0023.00 m；砂卵砾石层厚约30.00 m，基坑最深处仅距该层3.00 m(见图2)。基坑底面处于淤 泥、淤泥质砂中，下卧砂卵石强透水层，由于在上游约3 km处淤泥及淤泥质砂层缺失，砂卵砾石层与江水相通，为承压水层。开挖前在江水位为2.00 m时，实测的基坑附近承压水头为1.70 m；江水位在枯水期高程为2.005.00 m，基坑开挖到基底时与承压水层水头差达1821 m。由于基坑底承受的水头过高，坑底不透水层厚度仅为35 m，如不采取适当措施，开挖过程中必将发生基底突涌8，9。 3.2 基坑抗突涌方案 为保证基坑的抗突涌稳定性，可采取以下3个方案：(1)
20、 方案1：在整个基坑范围内打设旋喷桩进行封底，提高基底的有效重度和强度；(2) 方案2：在整个基坑范围内打设减压井降低承压水的水头，减小水压力，并在基坑开挖最深的16.35 m处进行旋喷桩局部封底；(3) 方案3：对承压水进行强排水减压。 上述各方案均需满足以下条件： (1) 使基坑满足抗突涌要求。 (2) 由排水或设置减压井降低水头引起相邻已建水闸的沉降控制在允许的范围内。 (3) 基坑的排(涌)水量控制在施工允许的范围内。 经分析比较，方案1费用过高，工期较长；方案3排水过多，会引起相邻已建水闸发生较大的沉降；而方案2在抗突涌稳定性、对相邻水闸沉降的影响、基坑的涌水量等方面均满足要求，同时
21、费用较低，工期较短，最终采用方案2。 具体措施为：采取减压井结合局部旋喷桩封底，即在基坑范围内布置30个减压井，采用可控制井口高程的减压井降低部分水头，随着基坑的开挖逐步降低减压井的孔口高程，满足开挖高程为13.60m及12.80 m两处的稳定性要求。但是在仍不满足抗突涌要求的开挖高程为16.35 m处，打设一定厚度的旋喷桩，增加该部分基底土体的重度及整体性10。 3.3 计算方法的选用 一般情况下在基坑抗突涌验算时，基坑底面以下的土层分布及各层土的重度、浮重度较为明确，工程中相对难以准确确定、需主要把握的因素为水头H(或水压力P)及其在工程中可能出现的变化。 在相同安全系数的情况下，当土层较
22、厚时，其抵御水头的能力更强，允许的水头变化较大，也更安全。此时采用式(3)计算不仅可考虑这一因素，在安全性方面有更多的余地，同时还可针对土层中较薄弱的点进行复核，更为可靠。当土层较薄时，允许的水头变化较小，此时往往需要采用搅拌桩等加固坑底或利用其他结构的摩擦力来共同抵抗水压力，因此采用式(2)更为合理。 根据以上选用基坑抗突涌计算方法的原则，针对本工程的具体情况，采用2种不同的计算方法进 图2 基坑剖面图 Fig.2 Cross-section of the foundation pit 黏土黏土第25卷 增2 潘 泓等. 基坑抗突涌计算方法的对比分析及应用探讨 3533 行分析：(1) 在开
23、挖最深的16.35 m处，由于该处土层较薄，抗突涌计算中须考虑已打设工程桩的摩擦力作用，且该处打设4 m厚旋喷桩，各点处不透水层的厚度及渗透系数均相同，渗透性较小且整体性强，因此采用式(2)计算；(2) 在未打设旋喷桩 处，由于该处上覆土层较厚，主要为淤泥和淤泥质砂，渗透性相对旋喷桩较大，整体性差，且由于各点处不透水层厚度及渗透系数不一，减压后各点的水头也不尽相同，因此采用式(3)对其中水头较高、不透水层厚度较小的薄弱处进行验算更为安全。 3.42种方法计算结果比较 为对2种方法的计算结果进行对比分析，本文对于每一开挖处的不同开挖工况，均采用2种方法进行计算，基坑抗突涌安全系数计算结果见表2。
24、 表2 基坑抗突涌安全系数计算结果 Table 2 Safety factors of anti-uprush of foundation pit 上游平台 (高程13.65 m) 开挖最深处 (高程16.35 m) 下游平台 (高程12.80 m)开挖高程/m 按式(1) 计算 按式(3) 计算 按式(2) 计算按式(3) 计算 按式(1)计算按式(3)计算 6.00 1.2 1.7 1.2 1.6 1.1 1.5 12.80 1.1 1.4 1.2 1.4 1.1 1.2 13.65 1.0 1.3 1.2 1.3 16.35 1.2 1.4 在高程13.65 m上游平台和高程12.8 m
25、下游平台中，用式(3)进行计算可得各开挖工况的安全系数均不小于1.2，可满足抗突涌要求，且采取抗突涌措施较为经济合理。但用式(1)计算则产生不满足抗突涌要求的结果，而若采用式(1)也达到1.2的安全系数，需将减压井的数量由30个增加到42个，或者降低减压井的孔口高程，由基坑底面以上降到基坑底面以下，增加工程的成本和工期。通过方案论证，在随后实际的施工中仅布置30个减压井，且孔口高程未作调整，基坑满足抗突涌要求，证明选择式(3)进行计算是合理的。 在本工程开挖最深的16.35 m处，采用式(2)进行计算可得各开挖工况的抗突涌安全系数均大于等于1.2，可满足要求，且抗突涌措施较为经济合理。而采用式
26、(3)进行计算则产生安全系数偏大的结果，若按照该计算结果减少减压井的数量或提高减压井孔口高程，可能导致其实际安全贮备不足而不安全的情况发生。 4 结 语 (1) 本文讨论的2种计算方法，在土体抗突涌极限平衡状态时表达式是相同的，这说明二者在一定条件下可互相转换。 (2)2种计算方法的机制不同，其适用范围也不同：第1种抗突涌计算方法针对上覆层渗透性较 小、整体性较好的土层，适用于多层非均质土，土体内有桩或土的侧壁受到约束、可提供一定摩擦力等情况。第2种方法针对上覆层渗透性较大、整体性较差的土层，适用于单层均质土。2种方法安全系数的数值大小、取值范围均不相同，不能混淆。 (3) 在基坑的抗突涌计算
27、分析中，计算方法的选择极其重要，选择不当可导致方案过于保守造成浪费，也可能导致安全性不足造成基坑突涌，因此应分析工程的具体情况，选用合理的计算方法。 (4) 在潮州供水枢纽西溪电站厂房基坑抗突涌分析设计中，由于分析准确，采取措施得当，既满足工程的抗突涌要求，又尽可能减少封底旋喷桩和减压井的数量及出水量，降低工程造价，缩短工期，减少对相邻水闸造成的沉降影响。 参考文献(References)： 1 中华人民共和国行业标准编写组. 建筑基坑支护技术规程(JGJ12099)S. 北京：中国建筑工业出版社，1999.(The Professional Standards Compilation Gro
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