吳銀柱，瞿大衛(wèi)

（長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春）

引言

基坑降水引起的周邊環(huán)境的沉降破壞是工程中的常見(jiàn)問(wèn)題，過(guò)程長(zhǎng)且復(fù)雜，造成此危害的主要原因是滲流與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用?；咏邓?，土體內(nèi)的水從勢(shì)能高處流向低處，原有土體內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致周邊環(huán)境內(nèi)的地表造成不同程度的破壞。

國(guó)內(nèi)諸多專家針對(duì)降水導(dǎo)致的地表沉降問(wèn)題開(kāi)展了研究，嚴(yán)學(xué)新（2019）以上海某工程為研究區(qū)域，從止水帷幕，復(fù)雜的地層特性，降水井排布三個(gè)方面入手，再結(jié)合數(shù)字計(jì)算和回歸分析，對(duì)工程進(jìn)行了分區(qū)研究處理，提出了針對(duì)復(fù)雜承壓水含水層的控制降水沉降的新方法。王有旗（2022）以青島某車站工程為研究實(shí)例，利用三維有限元模擬軟件對(duì)該工程降水開(kāi)挖引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了模擬分析，得出降水對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)造成的變形量較小，不足10%，比起長(zhǎng)邊地連墻，短邊地連墻對(duì)于降水過(guò)程更為敏感。李建強(qiáng)，楊勛等（2022）結(jié)合武漢長(zhǎng)江中心項(xiàng)目B1 地塊降水工程實(shí)例，針對(duì)武漢特殊的臨江富水水文地質(zhì)情況，并在工程中使用落地式止水帷幕的影響下，對(duì)基坑降水井的布置進(jìn)行優(yōu)化的施工技術(shù)。在施工場(chǎng)地，根據(jù)工程實(shí)際情況，在降水井和止水帷幕方面進(jìn)行了重新布置與調(diào)整，從經(jīng)濟(jì)和安全兩個(gè)角度對(duì)工程進(jìn)行了優(yōu)化。

降水引起的地面沉降問(wèn)題現(xiàn)在多用理論計(jì)算的方式進(jìn)行研究，本文應(yīng)用Midas GTS NX 軟件針對(duì)降水對(duì)周邊土體產(chǎn)生的沉降作用進(jìn)行了研究。

1 工程概況

1.1 工程區(qū)域概況

本工程位于長(zhǎng)春市朝陽(yáng)區(qū)南湖大路以北，寬平大路以西，紅旗街以南。本工程±0.000 標(biāo)高相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高為232.3，場(chǎng)地自然標(biāo)高約為231.90～232.15 m，基坑開(kāi)挖深度約為5.45 和5.75 m，基坑支護(hù)周長(zhǎng)約為169.0 m，基坑安全等級(jí)為二級(jí)基坑，基坑使用年限為一年。

1.2 場(chǎng)區(qū)地層分布

本工程的施工場(chǎng)地，勘探的總深度為23.2 m，根據(jù)勘探孔的勘察數(shù)據(jù)，場(chǎng)地的上部為雜填土層，下部為第四級(jí)沖擊而形成的粉質(zhì)黏土層。土層的物理力學(xué)性能見(jiàn)表1 和表2。

表1 分層土體物理性能

表2 分層土體厚度及物理參數(shù)

1.3 場(chǎng)區(qū)地下水分布

勘查深度內(nèi)，場(chǎng)區(qū)地下水主要為潛水。

潛水主要埋藏于2.1 m 以下的粉質(zhì)黏土層中，根據(jù)2021 年的勘察報(bào)告，此工程的初見(jiàn)地下水位為自然地面下3.5～3.9 m 處，水位標(biāo)高為7.9～8.45 m?？辈鞎r(shí)為豐水期，本場(chǎng)地地下水位標(biāo)高為228.40～229.20 m，基礎(chǔ)位于地下水位以下，本工程基礎(chǔ)施工時(shí)需要進(jìn)行降水，地下水控制方法應(yīng)結(jié)合基坑支護(hù)體系方案，根據(jù)穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果，充分考慮技術(shù)可行性及控制措施的可靠性，經(jīng)綜合分析后確定。建議在擬建場(chǎng)區(qū)內(nèi)安設(shè)地下水位觀測(cè)孔，加強(qiáng)地下水水位的監(jiān)測(cè)工作，根據(jù)水位監(jiān)測(cè)結(jié)果及對(duì)地下水動(dòng)態(tài)分析變化的分析，針對(duì)基坑開(kāi)挖的方案，確定相應(yīng)的地下水控制措施。建議采用封閉式井點(diǎn)降水將地下水位降至基坑開(kāi)挖面以下0.5～1.5 m。各土層滲透系數(shù)如下：

第②層粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)可按0.50 m/d 考慮，第③層粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)可按0.30 m/d 考慮，第④層粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)可按0.20 m/d 考慮，第⑤層粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)可按0.10 m/d 考慮。

2 降水設(shè)計(jì)計(jì)算

若想將地下水降至作業(yè)面之下，主要包括兩種方式，集水明排和井點(diǎn)降水，前者是在基坑中開(kāi)挖集水溝和集水井，將基坑中的地下水，引導(dǎo)入固定路線的集水溝中，再將溝中的水排入集水井，最后利用井中的水泵將水抽出，此種方法稱為集水明排，該種方式施工方便、操作簡(jiǎn)單，但是抽水時(shí)會(huì)帶走土中大量的泥沙，造成流砂，這會(huì)對(duì)施工產(chǎn)生不利影響。只適用于環(huán)境不復(fù)雜，且含水層較薄的施工地帶。后者是采用在基坑周邊一定范圍布置利用管道相互連接的降水井，利用抽水設(shè)備把水從井中抽出，最后統(tǒng)一從管中排出以保持疏干的方式，該種方式適用于地下水位較高的地區(qū)，本文工程即采用井點(diǎn)降水中的管井降水。

基坑降水相關(guān)參數(shù)計(jì)算：

基坑降水井設(shè)置在基坑開(kāi)挖范圍1 m 的范圍內(nèi)，所圍面積大約為1 981.44 m2。根據(jù)JGJ120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》計(jì)算基坑總涌水量

（1） 含水層潛水完整井計(jì)算公式

Q=πk=45.44 m3/d

式中，Q——基坑總涌水量（m3/d）；K——滲透系數(shù)（m/d）；H0——潛水含水層厚度（m）；s0——基坑地下水位設(shè)計(jì)降深（m）；R——降水的影響半徑（m）；r0——基坑等效半徑（m），可按進(jìn)行計(jì)算。

（2） 含水層承壓水完整井計(jì)算公式

Q=2πk

（3） 單井出水量計(jì)算

式中，q——單井允許出水量（m3/d）；R——過(guò)濾器外緣半徑（m）；L——過(guò)濾器工作部分長(zhǎng)度（m）；K——滲透系數(shù)（m/d）。

（4） 確定降水井深度

根據(jù)《工程降水設(shè)計(jì)施工與基坑滲流理論》書中的結(jié)論，降水井深度可按下式確定：

H=H1+h+JL+l=7.55+0.5+1/10×25+0.5+0.5=11.55 m，取12 m

式中，H——降水井深度（m）；H1——井點(diǎn)管埋深至基坑底面的距離（m）；H——基坑底部至降低后的地下水位的距離（m）；J——水力梯度，在降水井分布范圍內(nèi)宜為1/10～1/15；L——井點(diǎn)管至基坑中心的水平距離（m）；L——過(guò)濾器工作部分長(zhǎng)度和沉淀管長(zhǎng)度（m）。

（5） 確定降水井的數(shù)量

降水井?dāng)?shù)量計(jì)算：

式中，n——降水井?dāng)?shù)量；λ——調(diào)整系數(shù)，一級(jí)安全等級(jí)取1.2，二級(jí)安全等級(jí)取1.1，三級(jí)安全等級(jí)取1.0；Q——基坑涌水量（m3/d）；q——單井出水量（m3/d）。

參照長(zhǎng)春本地的工程經(jīng)驗(yàn)，宜按照6.0 m 間距來(lái)布置降水井，公布置34 口降水井。

3 模型建立

為了保證本文可以更快的進(jìn)入問(wèn)題討論的重點(diǎn)，即讓文章更具有針對(duì)性。在模型建立時(shí)遵循以下6 個(gè)基本假設(shè)：

（1） 本降水模型所使用的的材料均為各向同性、均勻。

（2） 土體假設(shè)為理想狀態(tài)下的彈塑性材料。

（3） 假設(shè)土體中液體滲透均符合達(dá)西定律。

（4） 內(nèi)摩擦角、滲透系數(shù)和粘聚力等土體參數(shù)均為恒定，不跟隨時(shí)間變化而發(fā)生變化。

（5） 施工現(xiàn)場(chǎng)中的動(dòng)荷載不納入考量范圍。

（6） 將模型中的降水井模擬為梁?jiǎn)卧瑢⒗摪鍢赌M為2d 板單元。

目標(biāo)區(qū)域的降水井間距為6 m，經(jīng)過(guò)計(jì)算將降水井深度設(shè)置為12 m。降水井的模擬方式大致分為兩種，一種是在坑邊土體上調(diào)整節(jié)點(diǎn)水頭，再通過(guò)調(diào)整初始水位和降水后水位的節(jié)點(diǎn)水頭來(lái)模擬，此種方法較為簡(jiǎn)單便捷，但是不利于表現(xiàn)單個(gè)井位對(duì)于降水過(guò)程的影響。另一種常用方式為使用1d 梁?jiǎn)卧蛘?d實(shí)體單元來(lái)模擬降水井，后通過(guò)直接調(diào)整降水井上的節(jié)點(diǎn)水頭達(dá)到目的，此種方法對(duì)于表現(xiàn)單個(gè)井位降水影響更為直觀。

基坑的開(kāi)挖深度長(zhǎng)、寬、深分別為67.8 m、27.7 m、7.55 m。依據(jù)理論和實(shí)際工程情況相結(jié)合的經(jīng)驗(yàn)，基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍一般在基坑周邊3～5倍，在縱向深度的影響范圍一般在2～3 倍，本文建立的模型范圍長(zhǎng)度、寬度、深度分別為120 m，90 m，20 m。根據(jù)本文依據(jù)工程的地勘報(bào)告，該工程的初見(jiàn)水位為3.3～3.7 m，本文模型將初始水位設(shè)置為3.5 m。

將工程所需材料的材料參數(shù)按實(shí)際情況輸入模型中，之后將2 維CAD 平面圖導(dǎo)入Midas GTS NX 軟件中，使其擴(kuò)展為三維立體模型，運(yùn)用印刻和布爾運(yùn)算功能將基坑嵌入地層土體模型中，使用混合網(wǎng)格生成器生成網(wǎng)格，設(shè)置基坑內(nèi)部土體尺寸為1.5，基坑外土體尺寸為2，降水井尺寸為1.5，共劃分網(wǎng)格64 038個(gè)。邊界約束和重力約束采用軟件自動(dòng)生成，在基坑周邊設(shè)置基坑開(kāi)挖時(shí)的初始水位，將模型中的降水井設(shè)置為邊界水頭。

建立降水模型，共將模型分為5 個(gè)施工階段來(lái)對(duì)基坑降水模型進(jìn)行分析和研究，建立模型僅考慮降水的影響。

（1） 初始滲流場(chǎng)分析：（穩(wěn)態(tài)）把各層土體和鋼板樁地連墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)剛性連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行激活，邊界條件僅激活邊界水頭。

（2） 初始應(yīng)力場(chǎng)分析：（應(yīng)力）將邊界約束和重力約束激活，鈍化上一部中的支護(hù)結(jié)構(gòu)剛性連接網(wǎng)絡(luò)。

（3） 地連墻施工：（應(yīng)力）激活鋼板樁等支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格組，鈍化剛性連接網(wǎng)格。

（4） 降水：（瞬態(tài)）將地下水降為-9m，把降水水頭激活。

（5） 降水固結(jié)：（應(yīng)力）不做其他任何操作。

4 模擬分析

4.1 降水對(duì)周圍地表環(huán)境的沉降影響

此模型中僅考慮降水對(duì)于周邊環(huán)境的影響，忽略開(kāi)挖，圖1 和圖2 為該步驟對(duì)于基坑周邊30 m 范圍內(nèi)的變形沉降值。

圖1 降水固結(jié)變形圖

圖2 沉降變形折線圖

在基坑開(kāi)挖施工前的降水階段，降水所導(dǎo)致周邊土體的沉降影響已經(jīng)較為明顯，如圖3 所示，圖中已降水井為中心，形成了一個(gè)降水漏斗狀的沉降曲線，沉降影響在降水井附近達(dá)到最高，為11.19 mm，越遠(yuǎn)離降水井，沉降影響就越低，距離基坑中心50 m 之外，沉降已經(jīng)降為2.47 mm，幾乎對(duì)土體毫無(wú)影響。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移云圖

4.2 降水對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移影響

由圖4 和圖5 可知，降水造成的鋼板樁的最大位移值在樁體最高處，為1.71 mm，之后位移距離隨著樁體深度開(kāi)始下降，土釘墻的最大位移同樣位于墻體最高處，為1.68 mm，在墻體深度6.04 m 時(shí)達(dá)到最低，為0.93 mm，之后位移重新開(kāi)始上升。從最大沉降值來(lái)判斷，1.71 mm 位移對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響并不大，即降水導(dǎo)致的支護(hù)結(jié)構(gòu)位移效果并不明顯。

圖4 鋼板樁水平位移

圖5 土釘墻水平位移

4.3 分層降水對(duì)于施工環(huán)境周邊土體的影響

將該工程的降水過(guò)程由一次直接降至-9 m 更改為：（1） 每部降水4.5 m，分兩次進(jìn)行。（2） 每部降水3 m，分三次進(jìn)行。

由圖6 可知，分層降水的曲線基本一致，沉降值的大致曲線和趨勢(shì)沒(méi)有發(fā)生太大變化，沉降最大值也出現(xiàn)在同一位置，三種方式的最大值分別為11.19 mm、9.85 mm 和9.07 mm，可見(jiàn)分層降水確實(shí)可以降低降水所導(dǎo)致的土體沉降，由于分層降水每次降水的水量較小，相對(duì)減小了與外界的水頭差值，自然土體沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移都會(huì)減少。以此可知，分層降水對(duì)于降水造成的周邊環(huán)境破壞有良好的控制作用。

圖6 分層降水沉降圖

5 結(jié)論

本文以長(zhǎng)春市某基坑為研究依據(jù)，使用Midas GTS NX 有限元分析軟件對(duì)實(shí)際工程的降水過(guò)程進(jìn)行了模擬，建立了三維基坑降水滲流耦合分析模型，模擬了基坑降水工程對(duì)周邊地表土體的沉降影響。降水過(guò)程對(duì)于周邊地表的沉降以降水井為中心，成降水漏斗狀曲線，沉降最大值為11.9 mm，沉降變形的影響范圍在基坑范圍外30 m 左右，之后影響較為不明顯。降水過(guò)程會(huì)導(dǎo)致鋼板樁和土釘墻產(chǎn)生最多1.71 mm和1.68 mm 的沉降，最大值發(fā)生在樁體墻體的頂部，隨著樁體深度增加呈下滑曲線，總體影響相對(duì)較小。分層降水可較為有效的控制降水引發(fā)的土體沉降，且不同次數(shù)的分層降水曲線基本一致。