張冬冬，陳龍珠，孫瑞瑞(.上海交通大學(xué)船建學(xué)院安全與防災(zāi)工程研究所，上海 0040；.上海市地礦工程勘察院，上海 0007)

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真空疏干降水與地表變形控制數(shù)值模擬研究

張冬冬1，陳龍珠1，孫瑞瑞2
(1.上海交通大學(xué)船建學(xué)院安全與防災(zāi)工程研究所，上海 200240；2.上海市地礦工程勘察院，上海 200072)

0 引言

近年來，城市地下空間建設(shè)越來越受重視，長(zhǎng)三角地區(qū)地下水位埋深較淺，地鐵站建設(shè)大多要采取工程降水措施.在低滲透地基中常規(guī)采用真空疏干降水方法降低基坑水位，工程降水引起地表變形不可避免，如何采取有效的圍護(hù)措施減小地表變形顯得尤為重要.目前對(duì)地下水問題的研究，國內(nèi)學(xué)者常采取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方式，數(shù)值計(jì)算的成果也很多，尤其長(zhǎng)三角地區(qū)研究成果也很多.針對(duì)基坑降水問題，對(duì)基坑減壓降水國內(nèi)學(xué)者也有諸多研究，張冬冬[1-4]針對(duì)工程實(shí)例針對(duì)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)地下水滲流和地表變形進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè).Wu Yongxia等[5-6]對(duì)地下水與地表變形性狀進(jìn)行研究.Wang[7]等對(duì)上海軌道交通9號(hào)線宜山路站對(duì)承壓含水層進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)有限控制周邊環(huán)境起到了很好的效果.駱祖江[8]，Dassargues[9]等對(duì)上海第四紀(jì)松散沉積層地下水滲流與地表變形控制進(jìn)行研究.吳林高[10]等對(duì)地下水滲流與工程實(shí)踐結(jié)合，解決很多地下水問題.周念清[11-12]等以徐家匯地鐵站為例，根據(jù)工程條件建立地下水滲流模型，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)反演參數(shù)并建立數(shù)值模型，對(duì)地表變形進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，取得很好效果.在基坑滲流數(shù)值模擬計(jì)算方面，吳林高[1]、駱祖江[2]、Shen S L[3]、許燁霜[4]、Wu Yongxia[5-6]等人將滲流理論與工程實(shí)踐結(jié)合，解決了眾多的工程地下水問題；周念清[7-8]、張冬冬[9-13]針對(duì)工程實(shí)例針對(duì)承壓水進(jìn)行抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)地下水滲流和地表變形進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè).孫瑞瑞[14]針對(duì)軟土地基中基坑滲透破壞機(jī)理和對(duì)策進(jìn)行研究.其他國內(nèi)外學(xué)者[15-18]也針對(duì)具體工程成功應(yīng)用數(shù)值方法進(jìn)行分析.本文中以寧波軌道交通櫻花公園站基坑降水為例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合預(yù)測(cè)，考慮真空度為0.8 MPa，對(duì)有無圍護(hù)結(jié)構(gòu)的兩種工況計(jì)算，對(duì)基坑降水引起的地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，并分析討論滲透系數(shù)和井深在地基中的影響，為地鐵基坑降水設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)作用.

1 工程概況

1.1 工程背景 寧波軌道交通櫻花公園站位于中山東路與中興路，車站結(jié)構(gòu)型式、基坑開挖深度及施工方法見表1.地鐵1號(hào)線與3號(hào)線在此交匯，站臺(tái)呈“L”型相接換乘車站，如圖1所示.

表1 基坑結(jié)構(gòu)及施工方法

圖1 基坑平面布置圖

1號(hào)線中心里程為K13+848.130，主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)為308.19 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度為32.90 m，主體東西向布置，西北側(cè)為櫻花公園，南側(cè)緊鄰中山東路.3號(hào)線中心里程為K18+105.000，主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)為208.300 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度為47.50 m，西臨櫻花公園，北有后塘河，北端東側(cè)楓丹公寓樓房，聯(lián)絡(luò)線近東航大廈4.40 m.地鐵站周邊環(huán)境復(fù)雜，地下管線分布密集、市區(qū)主干道路人車流繁忙，對(duì)周邊環(huán)境的影響要求較高.

1.4 抽水試驗(yàn) 為確定場(chǎng)地的單井涌水量、靜止水位、水位降深、影響半徑等參數(shù)，進(jìn)行抽水試驗(yàn)，當(dāng)真空度為- 0.8 MPa時(shí)，單井涌水量測(cè)試結(jié)果為Q=0.14 m3/h，抽水38 h后水位觀測(cè)和地表變形值見圖4和圖5.

2 數(shù)值模型的建立

2.1 基本思路 本計(jì)算中采用Geo-Studio軟件進(jìn)行平面流固耦合模擬，程序中把滲流模塊SEEP/W計(jì)算的內(nèi)容導(dǎo)入應(yīng)力變形分析模塊SIGMA/W，并作為應(yīng)力變形分析時(shí)的孔隙水壓力分布.

2.2 控制方程 假定流體密度不隨時(shí)間而變化，且無源和匯情況下，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，以z為軸的軸對(duì)稱柱坐標(biāo)系中，土中水分運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程為

(1)

式中，θ為體積含水量，對(duì)于飽和流，θ=n，n為土的孔隙率；qr、qφ、qz分別為相應(yīng)于3個(gè)坐標(biāo)方向上的水分運(yùn)動(dòng)通量.

2.3 地表變形 計(jì)算地下水位的下降就是土體的固結(jié)過程，從含水層抽水引起的固結(jié)作用導(dǎo)致地表變形.太沙基一維固結(jié)理論的基本微分方程為：

圖2 試驗(yàn)井?dāng)?shù)值計(jì)算模型

(2)

壓縮土層厚度為h時(shí)，土體的沉降量為：

(3)

2.4 模型的建立 圖2為試驗(yàn)井?dāng)?shù)值計(jì)算模型.根據(jù)場(chǎng)區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及幾何形狀進(jìn)行剖分.為消除地下水邊界的影響，確定邊界布置在降水井影響半徑之外的原則，通過試算確定基坑中心點(diǎn)為基點(diǎn)，取110.00 m作為模擬計(jì)算區(qū)域，在平面尺寸上可滿足模型計(jì)算精度要求.在垂向方向上，按照實(shí)際地質(zhì)資料進(jìn)行110.00 m深度劃分.井深設(shè)置16.00 m，透水范圍為12.00 m，單井涌水量按現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果取Q=0.14 m3/h.井壁透水部位，施加孔壓-0.8 MPa，計(jì)算時(shí)間取38 h.本數(shù)值模擬中僅考慮地基降水引起的地表沉降，不考慮周邊施工引起的地表沉降.

3 模型驗(yàn)證與預(yù)測(cè)

3.1 模型的識(shí)別與驗(yàn)證 上述描述的數(shù)值模型需通過識(shí)別與驗(yàn)證后，方可用于模型預(yù)測(cè)，選取連續(xù)抽水38 h后地下水狀態(tài)變化趨于穩(wěn)定，對(duì)地下水位和地表沉降觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行擬合.圖3和圖4分別為連續(xù)抽水38 h地下水位和地表變形觀測(cè)點(diǎn)擬合曲線，可見距井中心點(diǎn)2 m和6 m處，井內(nèi)水位變化實(shí)測(cè)值分別為32 cm和18 cm，井內(nèi)水位變化計(jì)算值分別為36 cm和15 cm，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較吻合，其他計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果也較吻合.地表沉降量較小，距井中心點(diǎn)5 m以上，地表沉降量均小于0.2 mm.因現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，基坑周邊正常施工，實(shí)測(cè)地表沉降值比計(jì)算值小.

圖3 連續(xù)抽水38 h地下水位觀測(cè)點(diǎn)擬

圖4 連續(xù)抽水38 h地表沉降觀測(cè)點(diǎn)擬

序號(hào)名稱層厚H/m滲透系數(shù)k/(×10-7cm/s)粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角Φ/(°)彈性模量E/kPa給水度μ①2粘土0.990.52013.6800.035①3淤泥質(zhì)粘土4.9111311.8650.040②2-1淤泥質(zhì)粘土3.6311010.6500.045②2-2淤泥質(zhì)粘土4.3821211.5600.040③2粉質(zhì)粘土3.034001920.2800.030④2粘土1.2111612.5750.030⑤1粘土4.0254314.61800.030⑤2粉質(zhì)粘土3.1533415.21600.030⑤3砂質(zhì)粉土3.911200429.31000.025

從圖3和圖4可看出地下水位和地表沉降的計(jì)算及實(shí)測(cè)值擬合程度較好，模型最終參數(shù)的確定也符合類似試驗(yàn)，因此該模型的識(shí)別具有一定精度和可信度，可以作為研究的計(jì)算依據(jù).

通過對(duì)地下水位和地表沉降的擬合，不斷調(diào)整模型參數(shù)，反演得出各土層的物理力學(xué)參數(shù)見表2. 表2為典型地質(zhì)工程地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)表.

3.2 模型預(yù)測(cè) 根據(jù)建立的滲流數(shù)值計(jì)算模型，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合效果較好，滿足預(yù)測(cè)計(jì)算要求，然后進(jìn)行數(shù)值模擬及地表變形計(jì)算.按照本場(chǎng)地地層分布及邊界條件，選取井底位于②2-2淤泥質(zhì)粘土層的15 m降水井，井底位于⑤1粘土層的22 m降水井，計(jì)算時(shí)考慮井內(nèi)真空度為0.8 MPa，對(duì)有無圍護(hù)結(jié)構(gòu)的兩種工況計(jì)算，分別進(jìn)行抽水10 h、30 h、50 h和70 h的地表變形分析.

圖5 無圍護(hù)結(jié)構(gòu)抽水引起的地表變形分布圖

圖6 有圍護(hù)結(jié)構(gòu)抽水引起的地表變形分布圖

2) 22 m深疏干井.真空疏干降水引起的地表變形與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置有密切關(guān)系，圖7為無圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，地表變形的影響范圍可達(dá)60 m.圖8為設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，地表變形很小，對(duì)保護(hù)周邊環(huán)境起到重要作用.圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于降水引起的地表變形有積極作用.

圖7 無圍護(hù)結(jié)構(gòu)抽水引起的地表變形分布圖

圖8 有圍護(hù)結(jié)構(gòu)抽水引起的地表變形分布圖

4 分析討論

表3 滲透系數(shù)的影響分析

圖9 水位下降的水平影響距離隨滲透系數(shù)變

4.2 井深的影響分析 當(dāng)土體滲透系數(shù)較低時(shí)，抽水對(duì)地下水位的影響范圍較小，地基土滲透系數(shù)為k=10-7cm/s，10 m和16 m深井的地下水位下降的水平影響距離均為4.0 m.抽水流量不變的情況下，抽水井深度越大，地下水位下降的水平影響距離變化不大.因此，低滲透性地基中加大疏干井深度對(duì)地基降水的作用效果不明顯.

5 結(jié)論

1) 真空疏干降水引起的地表變形與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置有密切關(guān)系.無圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，地表變形的影響范圍和沉降量均明顯大于有圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí).圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于降水引起的地表變形有積極作用.

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Numerical simulation of vacuum drying dewatering and control of surface deformation

ZHANG Dongdong1, CHEN Longzhu1, SUN Ruirui2

(1. Institute of Engineering Safety and Disaster Prevention, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

Based on the monitoring data of groundwater and surface deformation about Ningbo Ying-hua park rail station of pumping test, using the Geo-Studio numerical model of fluid-solid coupling, we simulated to dewater of vacuum drying, which was prediction calculation the surface deformation of dewatering, quantitative analysis the influence of structure on surface deformation. Results show that the influence radius of vacuum wells is 1.2—1.5 times than conventional wells, as the effect of increasing the depth is not obvious, the support structure is effectively controlled the surrounding surface deformation.Key words: vacuum drying; numerical simulation; seepage head; surface deformation

2016-11-04

國家自然科學(xué)基金(51379122)資助

張冬冬(1984-)，男，博士生；陳龍珠，通信作者，教授，E-mail：mengdong02@163.com.

1000-2375(2017)03-0264-06

TU46

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.03.010