楊 宏,柳 勇,周 勇,楊校輝

(1.中鐵二十局集團市政工程有限公司,甘肅 蘭州 730020; 2.蘭州理工大學甘肅省土木工程防災減災重點實驗室,甘肅 蘭州 730050; 3.蘭州理工大學西部土木工程防災減災教育部工程研究中心,甘肅 蘭州 730050)

隨著科學技術和人類文明的進步,城市化進程的不斷加快,地面的有限空間已經(jīng)不能滿足人們的要求,城市擁堵日益嚴重,因此,地鐵建設勢在必行。蘭州地鐵1號線車站深基坑工程基坑底面均處于地下水位以下,在基坑開挖前需要將地下水位降至開挖面以下,保證基坑處于干燥的環(huán)境下施工[1]。基坑降水不僅可以有效的防止基坑坡面和基坑底面發(fā)生滲水[2],保證基坑處于干燥的環(huán)境下施工,還可以提高基坑的穩(wěn)定性,避免基坑邊坡及基坑底部的土顆粒流失,防止發(fā)生管涌和流沙現(xiàn)象[3]。但是基坑降水往往會誘發(fā)周圍土體的變形和地表的沉降,對基坑和周圍環(huán)境造成不利的影響,甚至出現(xiàn)基坑坍塌、周圍構(gòu)筑物倒塌、地下管線破裂等工程事故[4-5]。

針對地鐵的開挖與降水,國內(nèi)已有學者做了大量的研究,周勇等[6]以蘭州地鐵車站基坑支護工程為背景,分析了基坑開挖降水對地下管道的影響;柳利麗等[7]以某地鐵車站深基坑降水工程為例,通過現(xiàn)場抽水試驗確定了黃土地區(qū)基坑降水的影響半徑及滲透系數(shù),并總結(jié)了降水的施工工藝流程及基坑降水中應注意的問題;李煒明等[8]以武漢地鐵某車站基坑工程為例,分析了短時強降水對地表沉降的影響,認為降水對基坑短邊的影響較小,對長邊的影響主要集中在基坑中部;楊卓等[9]以北京地鐵朝陽門站深基坑工程為背景,采用有限元軟件模擬了基坑降水對周圍地表沉降的影響,并與實測數(shù)據(jù)對比分析,認為施工順序?qū)Φ乇淼某两狄灿械挠绊?。因?研究將考慮滲流力產(chǎn)生的附加應力對地表沉降的影響,通過與規(guī)范計算對比分析,驗證改進算法的合理性,分析不同監(jiān)測點處地表沉降的變形規(guī)律,以及相同距離處地表沉降差異的原因,進一步對基坑降水引起地面沉降的變形規(guī)律和趨勢,提出相應的治理措施,為以后類似工程做以借鑒。

1 理論計算

1.1 規(guī)范計算方法

目前國內(nèi)大多依據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120-2012)[10]和《建筑深基坑工程施工安全技術規(guī)范》(JGJ311-2013)[11]2個規(guī)范,計算由工程降水誘發(fā)地表沉降,二者均以分層總和法為理論基礎估算降水誘發(fā)的地表沉降量,即

(1)

其中:S為降水所誘發(fā)的地表總沉降量(m);Si為第i計算土層的沉降量(m);Δpi為第i計算土層由降水所誘發(fā)的附加應力(kPa);Ei為第i計算土層的壓縮模量(kPa);Hi為第i計算土層的厚度(m)。

對于沒有越流的潛水含水層,具體參加計算的地層范圍為降水目標含水層及其以上地層。

1.2 考慮滲流力的計算方法

基坑降水使地下水產(chǎn)生運動,從而使降水井周圍土體的滲流場與應力場發(fā)生改變。滲流力產(chǎn)生的附加應力使得失水土層固結(jié)壓密,該附加應力方向與滲流力作用方向近似相同,最終使得土層發(fā)生豎向沉降和側(cè)向變形。忽略群井效應的影響,基于裘布依假設,則降水后井周地下水位面的漏斗曲線方程為

(2)

根據(jù)分析,降水漏斗形成后,在曲線上下分為干土部分、疏干部分和飽和部分。降水前后S0區(qū)土體均位于水位線以上,可近似認為是干土區(qū),始終不含地下水,降水過程中亦不會產(chǎn)生滲流力,不存在附加應力,忽略土體的壓密,則S0=0;在整個降水歷程中,S1區(qū)的土體被疏干,S2區(qū)的土體在降水前后均位于穩(wěn)定地下水位面以下故而始終飽和,如圖1所示。

圖1 降水后疏干區(qū)及飽和區(qū)土層附加應力示意圖Fig.1 Additional stress of soil layers in draining and saturated areas after dewatering

新算法區(qū)別規(guī)范算法,單獨計算三部分土體各自的沉降量,其中疏干部分和飽和土部分考慮滲流力作用[12],由降水誘發(fā)的土層附加應力在數(shù)值上等于土體孔隙水壓力的負增量,即

Δp=Δσ'=γw(h1-h2)。

(3)

對于疏干區(qū),滲流力所在直線斜率與曲線上x0點的斜率相同,即

tanα=y′(x0)=

(4)

由幾何關系可得

(5)

S1區(qū)土層由降水產(chǎn)生的附加應力在豎直方向的分量為

Δpiy疏干=Δpi·sinα=[γw·z+(1-χ)s]·sinα,

(6)

則由規(guī)范公式計算疏干區(qū)內(nèi)土層的沉降量為

(7)

對于飽和區(qū),sinα值與距抽水井相同距離處的疏干區(qū)相同,同理可得

Δpiy飽和=Δp′i·sinα=γw(H-y)·sinα。

(8)

降水后穩(wěn)定水位面下S2區(qū)飽和土的沉降量為

(9)

其中:χ為非飽和土的有效應力參數(shù);s為非飽和土基質(zhì)吸力;x0為S點距井軸水平距離(m);z為計算土層中點至初始地下水位的垂直距離(m);y為計算點的穩(wěn)定漏斗曲線高度(m),其公式為

(10)

綜上所述,基坑降水所引發(fā)的井周地面總沉降量即為三塊區(qū)域的土層產(chǎn)生的沉降量的總和,即

S=S0+S1+S2=S1+S2。

(11)

2 工程概況

2.1 基坑工程概況

蘭州東方紅廣場地鐵車站基坑工程主體長度743.1 m,標準段寬41.30 m,總高14.04 m,結(jié)構(gòu)底板埋深約17.02 m,頂板覆土厚約2.87 m,基坑深度17.0～22.0 m,車站主體建筑面積6 0757.74 m2。圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔咬合樁結(jié)構(gòu),車站分別在南北兩側(cè)各設4個出入口,在車站南北兩側(cè)設置4組風亭。

2.2 水文地質(zhì)情況

表1 土的物理力學指標

2.3 降水方案設計

依據(jù)當?shù)氐慕邓?jīng)驗及其地勘報告,采用管井井點降水加咬合樁止水帷幕加集水明排相結(jié)合的降水措施完成該工程降水任務。設計中取降水井設計降水深度為基坑底面以下2.0 m,考慮到設計降深較大,因此需要的一定長度的沉砂管,場地地下水為孔隙潛水類型,卵石層為主要含水層,且其平均厚度為12.0 m,井點外露高度1.0 m。計算模型采用潛水完整井,水位降深S=9 m,過濾器半徑為0.15 m,含水層厚度H0=12 m(卵石層厚度平均值),滲透系數(shù)K=45 m/d,降水影響半徑R=418.3 m,計算得到管井數(shù)65口。井徑300 mm,井間距22～24 m,盡可能的隔絕周邊水源的側(cè)向補給。

2.3 監(jiān)測點平面布置及沉降結(jié)果觀測分析

各監(jiān)測點平面布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點平面布置圖Fig.2 Monitoring point plan

取8個不同監(jiān)測點進行沉降結(jié)果分析,各監(jiān)測點沉降量隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3 各監(jiān)測點沉降量隨時間變化曲線Fig.3 Change curve of settlement over time at each monitoring point

從圖3可以看出,隨著地下水位的下降,各沉降量走勢基本相同,最大沉降量為10.53 mm,沉降速率隨降水的開展逐漸減小,但沉降依然增加,5月20日左右,由于部分降水井停止抽水,部分沉降出現(xiàn)較小的位移回彈,隨著抽水的繼續(xù)進行,沉降又逐漸增大,當降水達到水位標準時,沉降逐漸趨于穩(wěn)定,基本在10 mm以內(nèi),滿足相關規(guī)范的控制要求。

3 數(shù)值模擬和監(jiān)測結(jié)果對比分析

3.1 數(shù)值模擬建立

采用大型巖土分析軟件FLAC3D內(nèi)置Extrusion建模,幾何模型尺寸依據(jù)圣維南原理選取360 m×210 m×60 m,平面形狀近似等效為1 m×1 m的矩形,最終單元數(shù)66 240,節(jié)點數(shù)71 589,限制模型4個側(cè)壁的法向位移、底面的豎向位移,本構(gòu)模型選取Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[13],幾何模型如圖4所示。

圖4 三維幾何模型Fig.4 3D geometry model

3.2 距坑邊不同距離處沉降結(jié)果分析

通過前文提出的改進算法、規(guī)范算法及數(shù)值模擬,結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),得出了在該工程實例水文地質(zhì)參數(shù)背景下的井周土體各沉降值對比圖,如圖5所示。

圖5 距井軸不同距離地表沉降量計算值與監(jiān)測值對比Fig.5 Comparison between the calculation value and the monitoring value of surface settlement at different distances from the well shaft

從幾種計算結(jié)果來看,數(shù)值模擬、理論計算和現(xiàn)場監(jiān)測變化趨勢基本相同,距坑邊越近地表沉降越大,且呈非線性增長,即距坑邊越近,沉降增長越快[14]。由于未考慮時空效應、地面運動荷載及周邊基坑工程的影響,數(shù)值模擬略小于現(xiàn)場檢測值。規(guī)范法偏于保守,計算結(jié)果值偏大,考慮滲流力的計算方法仍然與實際監(jiān)測值有一定的差距,但相比規(guī)范法更接近于現(xiàn)場監(jiān)測值,即改進算法較合理。

3.3 距坑邊不同距離處沉降結(jié)果分析

取距坑邊15 m處10個不同的監(jiān)測點的沉降結(jié)果分析,各監(jiān)測點最大沉降量如圖6所示。

圖6 地表最大沉降量計算值與監(jiān)測值對比Fig.6 Comparison between the calculation value and the monitoring value of the maximum surface settlement

結(jié)合改進算法、規(guī)范算法、數(shù)值模擬的計算結(jié)果,分析距坑一定距離處的最大沉降量。從圖6可以看出,最大沉降量為9.28 mm,最小沉降量為4.21 mm,平均沉降量為6.066 mm。沉降最大點附近有荷載堆積,且受附近地面運動荷載影響[15]。數(shù)值模擬較接近于平均值,而由于基坑周圍不可控因素,地表沉降與數(shù)值模擬仍有一定差距,而改進算法與規(guī)范算法依然大于最大沉降量,因而也驗證了改進算法的合理性。

4 結(jié)論

研究以基坑工程降水為背景,通過理論計算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測,分析降水過程中地表沉降的變化規(guī)律,并考慮滲流力產(chǎn)生的附加應力,對規(guī)范計算進行了改進。

分析結(jié)果表明,隨著降水深度的增加,地表沉降呈非線性增長,各監(jiān)測點基本走勢相近但不相同,最大沉降量因周圍環(huán)境各有差別;距坑邊越近,沉降增長越快,隨降水穩(wěn)定沉降逐漸趨于穩(wěn)定;改進算法相比規(guī)范算法更接近監(jiān)測值,證明改進算法合理可信。

結(jié)合實際工程地質(zhì)條件,選擇合理的降水方案,并在施工中不斷完善,以達到更好的降水效果。針對可能出現(xiàn)地表沉降較大的地方,建議對該地方加強監(jiān)測,嚴格控制降水,對工程中可能出現(xiàn)的各種情況及時做好預案措施,合理施工,使地表沉降控制在安全范圍內(nèi)。