基坑開挖及降水井間距對其周圍環境影響的模擬研究

賀武斌，崔向東，劉彥忠

（太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原030024）

隨著社會的發展，人們對地下空間的利用越來越廣泛，為了便于建筑物的施工，需要進行深基坑的開挖和支護，在高水位和含水豐富地區，基坑工程常在地下水位以下含水層中進行，因此進行必要的降水措施是必不可少的，同時基坑開挖過程中也會對基坑周圍產生影響。筆者通過模擬基坑開挖和降水的過程，分析基坑開挖產生的變形，并通過水頭的設置模擬出滲流對基坑產生的影響。由于基坑開挖產生應力場以及滲流產生的滲流場會共同促使基坑周圍土體向坑內移動，導致坑內土體隆起，致使基坑周圍的地表沉陷。根據以上情形，在降水階段布置10 m，15m降水井間距以及設置止水帷幕的情況下分別得出對基坑產生的變形和應力變化；在分析降水時，通過計算在不同降水井間距下產生的總涌水量與實際涌水量進行對比，得出在井間距為15m時，總涌水量與實際相符，同時能夠將水位控制在基坑底部0．5～1m的范圍，并分析出設置止水帷幕可以使基坑底部以及邊坡的水位下降明顯，對工程中基坑降水設置止水帷幕具有一定的參照意義。

1 計算模型的建立

運用MIDAS／GTS軟件模擬在開挖第一階段黃土層對基坑周圍產生的影響，然后通過建立模型模擬在不同降水井間距及止水帷幕的設置產生的影響，并根據三維模型總的涌水量，考慮在經濟條件合理的條件下，選擇合理的降水井間距和止水帷幕的長度。

1．1 參數的選取

土層的力學計算參數結合實際土層的工程地質勘查報告取值如表1所示。

表1 選取材料相關參數

1．2 定義實體模型

結合基坑的平面布置圖，采用MIDAS／GTS軟件對該工程建立三維有限元模型，并對該模型在基坑開挖和降水兩個階段對基坑周圍產生的影響進行分析，所選取的模型長度約為440m，寬度約為220 m，深度為47．5m，建筑物按距基坑最近7m左右考慮，土層的分布從上到下依次為黃土層5．5m、卵石層8m、粗砂層12m、卵石層10m、粗礫層12m，模型圖如圖1所示。

1．3 模擬方法以及程序介紹

圖1 實體模型圖

假定每層土均質且各向同性，土體材料的塑性屈服準則為摩爾－庫侖準則，土體的滲透方向為各向同性，初始水頭以及降水井采用的是節點水頭進行等效模擬。由于降水要求降到基坑底部0．5～1m，根據水頭差等于水位差可知，通過基坑邊界定義42 m的初始總水水頭，在基坑底部1m左右的范圍定義降水水頭為38m，使水頭差（水位差）達到4m左右，在建模過程中各個土層以及接觸單元之間是完全耦合的，各個土體單元分析采用的是土木分析中的彈塑性分析（即采用本構模型為摩爾－庫侖模型來實現）理論。

2 邊界條件以及施工階段定義

2．1 邊界條件

1）邊界支撐條件：外邊界水平方向固定，豎直方向自由；底邊界水平方向和豎直方向固定，以與實際土體約束相符合。

2）設置滲流邊界條件：基坑底部設置降水后的總水頭（降水井內水頭），土體四周設置初始水頭，并在有無帷幕的情況下調整降水井間距為10m，15m。

2．2 求解分析過程（施工階段的定義）

1）激活土體中所有單元，位移場清零，使初始應力與位移狀態為零。

2）開挖黃土層，即鈍化開挖黃土層模擬第一階段開挖，分析其變形變化。

3）由于初始水位在黃土層底部，第二階段開始降水，分析由降水引起位移變化。

4）通過改變降水井間距和設置止水帷幕分析對基坑總涌水量產生的影響。

5）開挖二層卵石層，即鈍化開挖卵石層，模擬基坑的第二階段開挖，分析最終階段位移的變化，得出其對建筑物的影響。

6）對計算結果進行整理分析，并對比在不同降水井間距以及設置帷幕的情況下各個階段的變形大小。

3 計算結果及其分析機理

3．1 布置降水水頭

在土體四周設置初始水頭，基坑底部設置降水水頭，確保基坑內和基坑邊坡周圍的水位線降到基坑底部以下0．5～1m的范圍，水頭的分布如圖2所示。

圖2 水頭布置

由于初始水頭都是42m，布置降水水頭，通過理論公式計算得出降水后的水頭大小、理論公式和滲流變化如圖3如示。

圖3 滲流變化圖

總水頭

3．2 黃土層的開挖

由于地下初始水位在黃土層底部，故第一階段開挖不需要進行降水，此時僅分析開挖過程對基坑周圍土體以及附近建筑產生的影響，開挖變形如圖4所示。

由圖4可知基坑內部變形最大達到0．08m，靠近樓層處其向下變形為0．06m左右，由此可知當土體開挖時，由于土體卸載作用，導致了基坑周圍發生向基坑內的水平側移；與此同時基坑內土體發生回彈，這兩種現象均可能導致外土體地層損失，造成坑外土體地表沉降，進而對周圍建筑物產生影響。

3．3 降水后的變形結果以及水頭分布

1）在開挖第二層卵石層之前需要進行降水，由于前一階段包含有基坑開挖引起的變形，故第一階段開挖以及降水后的變形如圖5所示。

圖4 黃土開挖引起的變形

圖5 降水后引起的變形

由圖5可知最大位置為0．1m左右，在樓層處的變形變成了0．08m，表明降水對周圍樓層產生了影響，分析原因為基坑降水造成基坑內外產生一定的水頭差，在土體中產生滲透力，進而對基坑內的土體產生大的抬升作用，對坑外的土體產生擠密作用，因此基坑降水會對周圍土體及建筑物的沉降產生影響。

2）建立基坑二維切面并設置止水帷幕，降水井間距為10m的情況下，得出基坑的水頭分布如圖6所示。

對基坑內水位降深進行分析可以看出，在該模型底部最深處的水位達到了38m，這遠遠超過了降水的要求，得出在井間距為10m的情況下是不符合實際的。

3）在降水井間距為15m及有無止水帷幕的情況下，分析其水頭變化及總涌水量，如圖7和圖8所示。

當井間距為15m時，其均滿足基坑降水的要

圖6 設置帷幕間距10m的水頭變化

圖7 不設帷幕間距15m的水頭

圖8 設帷幕井距15m的水頭

求，通過基坑降水，總涌水量的計算公式如下

式中：Q為基坑出水量，m3／d；s為基坑設計水位降深值，m；r0為基坑范圍的引用半徑，m；K′為含水層的平均滲透系數，m／d；H 為含水層厚度，m；R為降水影響半徑，m。

根據工程地質手冊其經驗影響半徑R約350m，

基坑的總水量可根據三維有限元模型中的基坑整體的節點流量進行計算，將設置止水帷幕與不設置止水帷幕的情況下基坑總的涌水量進行對比，得出當設置止水帷幕時基坑的涌水量為7 018．778 2 m3，這與實際的計算結果7 142．1m3基本相符。

3．4 卵石層的開挖

在降水結束后要進行卵石層的開挖，開挖后的變形如圖9所示。

圖9 開挖卵石層后總的變形

由圖5和圖9進行對比可以得出，開挖卵石層建筑物及基坑邊坡產生的變形影響不是很大。

4 結論

文章以基坑開挖及降水井間距和止水帷幕的設置對周圍土體以及周圍建筑物的影響為切入點，利用相關分析軟件，得出基坑開挖對建筑物和周圍環境的影響，并通過結果對比，選定合理的降水井間距和止水帷幕的長度，得出如下結論：

1）由于基坑降水使周圍土層產生的沉降成漏斗狀分布，在開挖第一層黃土，對基坑周圍的建筑物產生沉降，當開始降水后，建筑物會發生小的沉降。

2）通過對比在降水井間距為15m且設置止水帷幕的情況下，基坑總涌水量以及變形通過計算與結果相符合；

3）文中采用止水帷幕6m的情況下，在止水帷幕兩側的水頭產生了明顯的變化。在針對止水帷幕長度變化的情形下，文中沒有進行更深入研究，下一步可以探討在不同止水帷幕相同降水井間距的情形下，止水帷幕的長度對基坑內水頭和總涌水量的影響。

［1］ 何世秀，胡其志，莊心善．滲流對基坑周邊沉降的影響［J］．巖石力學與工程學報，2003，22（9）：1551－1554．

［2］ 李濤，曲軍彪，周彥軍．深基坑降水對周圍建筑物沉降的影響［J］．北京工業大學學報，2009，35（12）：1631－1635．

［3］ 胡其志．深基坑降水引起地面沉降分析［D］．武漢：湖北工學院，2001．

［4］ 馮曉臘，熊文林，胡濤，等．三維水－土耦合在深基坑降水計算中的應用［J］．巖石力學與工程學報，2005，4（7）：1195－1200．

［5］ 許錫金，李東霞．基坑降水引起地面沉降計算方法研究［J］．巖土工程技術，2004，18（4）：194－198．

［6］ 胡濤，馮曉臘，熊文林，等．武漢地區基坑降水引起的地面沉降機理及定量預測［J］．土工基礎，2002，16（2）：48－51．

［7］ 范恩海，王宇輝．以粉噴樁作基坑支護結構的實踐［J］．太原理工大學學報，2002，33（1）：92－95．

［8］ 王江濤．滲流對深基坑工程的影響分析［D］．武漢：武漢科技大學，2004．

［9］ 常士驃，張蘇民，等．工程地質手冊［M］．北京：中國建筑工業出版社，2007：82－104．

［10］ 張克恭，劉松玉，等．土力學［M］．第二版．北京：中國建筑工業出版社，2005：62－80．

［11］ 劉國斌，王衛東，等．基坑工程手冊（第2版）［M］．北京：中國建筑工業出版社，2009：244－250．

［12］ 李玉岐．考慮滲流影響的基坑工程形狀研究［D］．杭州：浙江大學，2005．