劉帥君，張揚(yáng)清

上海交通大學(xué)土木工程系，上海200240

降水開(kāi)挖引起地面沉降的控制措施分析

劉帥君，張揚(yáng)清

上海交通大學(xué)土木工程系，上海200240

復(fù)雜城市環(huán)境條件下深大基坑工程降排水所引發(fā)的地面沉降問(wèn)題日益突出，針對(duì)地面沉降的控制措施已引起普遍關(guān)注。本文采用考慮飽和土流固耦合的有限元方法建立深基坑工程的二維分析模型，模擬深基坑施工的降水開(kāi)挖過(guò)程，研究深厚承壓含水層中止水帷幕深度和坑外地下水回灌等措施對(duì)地面沉降的影響規(guī)律。結(jié)果表明，加深止水帷幕和加大回灌量均可以有效地減小基坑外的水位變化，控制降水開(kāi)挖引發(fā)的坑外地面沉降。止水帷幕深度超過(guò)抽水井深度10 m時(shí)，止水帷幕的控制作用最優(yōu)；回灌量至少達(dá)到抽水量1/5，回灌才會(huì)對(duì)地面沉降有較明顯的影響。

降水開(kāi)挖；地面沉降；控制措施

在大規(guī)模的地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中，深基坑施工中淺層地下水抽水所導(dǎo)致的土層壓縮變形已成為地面沉降的主要影響因素，加劇了區(qū)域地面沉降的發(fā)展。工程經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，深基坑開(kāi)挖卸荷引起的臨近土體沉降影響范圍通常為2～4倍開(kāi)挖深度［1］，但承壓水減壓降水引起的周邊地面沉降影響范圍可達(dá)10～15倍開(kāi)挖深度以上［2］。大量研究結(jié)果也表明，承壓水的降壓抽水是基坑施工過(guò)程引起地面沉降的主要因素［3，4］，在深厚承壓含水層采用懸掛式止水帷幕時(shí)尤為突出［5］。

為了降低基坑減壓降水帶來(lái)的不利影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出多種控制方法優(yōu)化基坑降水方案從而控制地面沉降的方法［6，7］。采用間歇性降水方案也可以一定程度上減小地面沉降［8］。懸掛式止水帷幕也會(huì)影響基坑外水位降深，減小地面沉降［9］。地下水回灌也對(duì)地面沉降有比較顯著的控制作用［10］，另外分倉(cāng)降水也可以減小地面沉降［11］。工程實(shí)踐中，合理設(shè)置止水帷幕和適度進(jìn)行地下水回灌是較為常用的控制措施，但目前對(duì)相關(guān)措施的作用規(guī)律、實(shí)施效果及優(yōu)化分析的研究較少。本文針對(duì)深厚承壓含水層中的深基坑降水開(kāi)挖問(wèn)題，對(duì)不同止水帷幕深度和不同回灌量條件下的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同控制措施對(duì)地面沉降的影響規(guī)律，分析其作用機(jī)理和控制效果。

1　工程概況

大定海泵站基坑工程位于上海市楊浦區(qū)楊樹(shù)浦路南側(cè)、平定路西側(cè)、黃浦江北岸，泵房距黃浦江規(guī)劃黃浦江岸線約70 m，占地近4730 m2，泵站出入口接向平定路。

泵站主體結(jié)構(gòu)平面形狀接近矩形，總長(zhǎng)56.4 m，總寬38.4～43.2 m，底板標(biāo)高一般為-16.10 m，局部落段底板標(biāo)高-17.7 m或-19.90 m。泵站及調(diào)蓄池合建構(gòu)筑物采用厚1000 mm、深36 m或43 m地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)。

本工程場(chǎng)地內(nèi)地勢(shì)較為平坦，勘察期間勘探孔地面標(biāo)高一般在+3.62~+4.90 m，為濱海平原地貌。本次勘察揭示場(chǎng)地內(nèi)為正常沉積區(qū)，在55 m深度范圍內(nèi)主要由飽和粘性土和粉性土組成，按其成因可分為9層。

根據(jù)基坑開(kāi)挖深度，深基坑開(kāi)挖到達(dá)⑤1層中下部，而地下連續(xù)墻進(jìn)入⑦2層上部，未隔斷⑦層承壓水，對(duì)降水不利。

2　數(shù)值分析模型

基于上海地區(qū)大定海泵房的基坑開(kāi)挖工程實(shí)例，根據(jù)Biot固結(jié)理論及流固耦合理論，采用考慮飽和土流固耦合特征的有限元方法建立深基坑工程的二維分析模型，分別采用“生死”單元和節(jié)點(diǎn)滲流量控制[12]來(lái)模擬基坑開(kāi)挖和降水過(guò)程?；谠撃Ｐ?，分別對(duì)不同止水帷幕深度條件和不同回灌量條件下的基坑降水開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值分析，探討止水帷幕深度和回灌量對(duì)地面沉降的影響作用。

數(shù)值分析模型采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行模擬，計(jì)算總體模型水平方向取340 m，計(jì)算寬度為基坑開(kāi)挖深度的15倍；模型豎直方向取80 m，為開(kāi)挖深度的4倍。據(jù)估算，承壓水井點(diǎn)降水影響半徑約為75.09 m，模型的尺寸也充分考慮到承壓水降水對(duì)周?chē)馏w擾動(dòng)的影響。

基坑降水開(kāi)挖的示意圖如圖1所示，基坑開(kāi)挖深度為20 m，寬度為80 m?；硬捎眠B續(xù)墻加鋼支撐的圍護(hù)體系，連續(xù)墻寬為1 m，共設(shè)7道支撐。D為承壓含水層厚度，D2為止水連續(xù)墻插入承壓含水層的深度，D3為抽水井插入承壓含水層的深度，抽水井深度為38 m。

圖1　基坑降水開(kāi)挖的示意圖Fig.1 Sketch of foundation excavation

實(shí)際施工中土體中布設(shè)了多級(jí)梯次的降水井，對(duì)降水的模擬采用流量控制的方法，即在降水深度處某個(gè)節(jié)點(diǎn)施加一個(gè)流量荷載。潛水層疏干降水，每一級(jí)降水抽水時(shí)間為3 d，降水后水位降至該級(jí)開(kāi)挖面以下；承壓水降水為減壓降水，抽水時(shí)間為5 d，抽水流量為400 t/d。

土體采用帶孔壓的平行四邊形單元（CPE4P）模擬，連續(xù)墻采用平行四邊形單元（CPE4）模擬，支撐采用梁?jiǎn)卧˙eam）模擬，土體與連續(xù)墻的接觸設(shè)置接觸面。模型底部采用固定約束，左右兩側(cè)則采用水平約束。

基坑內(nèi)土體開(kāi)挖以及架設(shè)支撐都采用單元生死法模擬，每開(kāi)挖一步就殺死該步所移除的土體，并且激活需要架設(shè)的支撐。

土體的MCC模型可以合理地連續(xù)墻的變形和連續(xù)墻后土體的變形情況[13]，所以本文采用MCC模型。結(jié)合上海地區(qū)的典型土層分布，參考文獻(xiàn)［14］的分析結(jié)果，土層計(jì)算參數(shù)選取如表1所示。

表1　土層計(jì)算參數(shù)Table 1 Parameters of soil layers

3　止水帷幕深度的影響分析

如圖1所示，定義隔斷比R為地連墻插入承壓含水層的深度D2與承壓含水層的總厚度的比值，地下水的止水條件用隔斷比來(lái)表示。針對(duì)不同止水帷幕深度，分別取隔斷比R為2/6、3/6、4/6、5/6和6/6（即完全隔斷）五種情況進(jìn)行研究。

3.1止水帷幕深度對(duì)地下水位的影響

基坑外的承壓水層頂部的水位沿水平方向的分布如圖2所示。由圖可見(jiàn)，最低水位隨著隔斷比增大而逐步上升，即連續(xù)墻對(duì)滲流場(chǎng)的阻隔作用更好，基坑坑內(nèi)減壓降水對(duì)坑外水位的影響越小。這主要是因?yàn)榧哟笾顾∧簧疃饶軠p小承壓含水層中的過(guò)水?dāng)嗝?，增大了坑?nèi)外地下水滲流的繞流路徑，從而控制承壓含水層的滲流，減小基坑外地下水對(duì)基坑內(nèi)地下水的補(bǔ)給，進(jìn)而減小基坑降水對(duì)坑外水頭的影響。

3.2止水帷幕深度對(duì)地面沉降的影響

不同止水條件下坑外地面沉降的分布曲線如圖3。當(dāng)R=2/6時(shí)，隔斷比最小，基坑外地面的最大沉降為28.978 mm；當(dāng)R=6/6時(shí)，止水帷幕完全隔斷承壓含水層，基坑外的地面最大沉降為18.770 mm。

不同止水帷幕深度時(shí)的基坑外100 m處的地面沉降依次為12.679 mm、11.888 mm、11.577 mm、9.459 mm和7.853 mm，連續(xù)墻越深，沉降越小。連續(xù)墻完全隔斷時(shí)基坑外100 m處的沉降量約為連續(xù)墻隔斷比R=2/6時(shí)的60%，而且承壓水層完全隔斷時(shí)，地面沉降3 mm的位置對(duì)應(yīng)在基坑外約170 m處，隔斷比最?。≧=2/6）時(shí)，地面沉降3 mm的位置對(duì)應(yīng)在基坑外約215 m處。

圖2　基坑外承壓含水層水位沿水平方向分布Fig.2 Horizontal distribution curves of water level outside pit

圖3　地面沉降分布曲線Fig.3 Distribution curves of ground settlement

最大沉降隨止水帷幕深度變化圖如圖4所示，由圖可見(jiàn)，止水帷幕越深，基坑外的水位變化越小，基坑外的地面沉降越小，而且地面沉降的影響范圍也越小，加大止水帷幕深度可以有效地控制承壓水降水引起的地面沉降。R小于4/6時(shí)，最大沉降隨止水帷幕加深變化較明顯，R大于4/6，最大沉降隨止水帷幕加深變化幅度很小，所以止水帷幕深度為50 m，超過(guò)抽水井深度12 m時(shí)，止水帷幕的作用效果最優(yōu)。

圖4　最大沉降隨止水帷幕深度變化Fig.4 Change of maximum settlement with depth of diaphragm wall

4　坑外地下水回灌的影響分析

在基坑外20 m處設(shè)置回灌井，回灌井深度和抽水井相同，取為38 m，對(duì)承壓水進(jìn)行人工回灌。定義回灌流量與承壓水抽水流量之比為F，分別取F為0（相當(dāng)于無(wú)回灌）、1/20、1/10、1/5和1/2五種情況進(jìn)行研究。

4.1坑外回灌對(duì)地下水位的影響

四種不同地下水回灌條件和無(wú)回灌時(shí)的基坑外承壓水水位沿水平方向的分布圖如圖5所示。從圖中可以看出，隨著回灌流量的增加，基坑外承壓水的孔壓在增大，基坑外的承壓水水位降深在減小。當(dāng)回灌量達(dá)到抽水量的1/5時(shí)，承壓水水位比無(wú)回灌時(shí)上升了1.8 m，當(dāng)回灌量達(dá)到1/2時(shí)，承壓水水位比F=1/5的水位上升了2.6 m，回灌的流量越大，對(duì)承壓水水位的影響幅度也越大。

圖5　基坑外承壓含水層水位沿水平方向分布Fig.5 Horizontal distribution curves of water level outside pit

4.2坑外回灌對(duì)地面沉降的影響

不同回灌條件下地面沉降的分布曲線如圖6所示。當(dāng)無(wú)地下水回灌時(shí)，基坑外地面的最大沉降為28.978 mm，此時(shí)的地面沉降最大；當(dāng)回灌量達(dá)到抽水流量的1/2時(shí)，基坑外的地面最大沉降為22.863 mm。

不同的回灌條件下基坑外100m處的地面沉降如表2所示，回灌量越大，沉降越小，回灌抽水比為1/2時(shí)基坑外100 m處的沉降量約為無(wú)回灌時(shí)的75%，而且回灌量最大（F=1/2）時(shí)，地面沉降3 mm的位置對(duì)應(yīng)在基坑外約185 m處，無(wú)回灌時(shí)，地面沉降3 mm的位置對(duì)應(yīng)在基坑外約215 m處。

增加地下水回灌也會(huì)減小基坑外的水位變化，從而控制基坑外的地面沉降，回灌流量越大，地面沉降越小。當(dāng)F小于1/5時(shí)，回灌對(duì)地面沉降的影響不明顯，當(dāng)F大于1/5時(shí)，尤其是回灌量達(dá)到抽水量的一半時(shí)，回灌可以顯著地減小地面沉降量。

表2　基坑外100 m處的地面沉降Table 2 Ground settlement at 100 m outside pit

圖6　地面沉降分布曲線Fig.6 Distribution curves of ground settlement

圖7　最大沉降隨回灌量變化圖Fig.7 Change of maximum settlement with recharge amount

5　結(jié)論

本文采用考慮流固耦合的數(shù)值模擬方法，研究了止水帷幕和坑外回灌對(duì)地面沉降的影響進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）止水帷幕對(duì)承壓含水層的止水作用會(huì)影響承壓水的滲流，止水帷幕隔斷越深基坑外的水位變化越小，地面沉降越小，影響范圍也越小。在深厚承壓含水層中，當(dāng)止水帷幕無(wú)法完全隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系時(shí)，應(yīng)至少保證止水帷幕深度超過(guò)抽水井深度10 m以上。

（2）坑外回灌可控制回灌點(diǎn)以外的地下水頭下降量，在基坑周邊較小范圍內(nèi)形成局部的滲流場(chǎng)平衡，從而減小地面沉降，減弱地面沉降的影響范圍；回灌流量越大，地面沉降會(huì)越小。回灌量達(dá)到1/5的抽水量時(shí)，回灌才會(huì)對(duì)地面沉降有明顯的控制作用，回灌量達(dá)到抽水量1/2時(shí)，回灌對(duì)地面沉降的控制效果較好。

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Analysis on the Measures Controlling the Ground Settlement Induced by Rainfall and Excavation

LIU Shuai-jun，ZHANG Yang-qing
Department of Civil Engineering/Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

As environmental impact induced by deep excavation and drainage in complex urban condition gets increasing attention，ground surface settlement controlling has been a hot study area.This paper mainly focused on impacts caused by various sealing curtain depth in the confined aquifer and groundwater recharge outside the excavation.To analysis the overall excavation process，a two dimensional numerical model which took fluid-solid coupling mechanics into consideration was adopted in this paper.The numerical calculation indicated that a deeper sealing curtain and a larger groundwater recharge volume would result in an effective controlling for ground surface settlement.To be specific，a 10 m-sealing curtain and a recharge quantity which equaled 20%of the pump-out would minimize the environmental impact.

Rainfall and excavation；ground settlement；control measures

P642.26

A

1000-2324（2016）05-0760-05

2015-01-16

2015-03-12

國(guó)家自然基金項(xiàng)目（41372282）

劉帥君（1989-），男，碩士研究生，研究方向樁基工程與巖土工程數(shù)值分析.E-mail：lsjsjtu@sjtu.edu.cn