回灌對減小降水引起地面沉降的數(shù)值分析

李 明

(太原市拓達巖土工程勘察檢測有限公司，山西 太原 030024)

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回灌對減小降水引起地面沉降的數(shù)值分析

李 明

(太原市拓達巖土工程勘察檢測有限公司，山西 太原 030024)

通過FLAC3D軟件模擬，建立了同性滲流模型,探討了采用回灌的方法解決降水引起的地面沉降問題，并結(jié)合已完成工程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析其實際回灌效果，結(jié)果指出，在一定范圍內(nèi)，隨著帷幕樁長度的增加，地面沉降量會相應變小；適當增大回灌壓力，地面沉降量也會減小。

水壓力，沉降量，回灌壓力，基坑

0 引言

在城市工程建設中，開挖規(guī)模較大以及較深的基坑面臨越來越復雜的降水問題。降水成功與否直接影響基坑的開挖進度和支護結(jié)構的安全性[1]。因為降水不當造成基坑周邊環(huán)境和構筑物及管線的破壞時有發(fā)生，產(chǎn)生了很多建筑安全隱患以及工程糾紛，給工程建設和社會都帶來了很大的困擾。故此，基坑設計過程中，除了需做好支護結(jié)構安全性外，基坑的降水和回灌也需要做好充分的工作[2]。

1 降水引起的沉降機理分析

土體由土體顆粒，孔隙水和氣體組成，當孔隙水排出后，土體間空隙體積增大，土體骨架進而發(fā)生錯動，造成土粒重新排列引起沉降。具體為在降水的過程中，水位下降后，土層中的孔隙水壓力降低，土體顆粒間的有效應力會相應增加，土體產(chǎn)生壓縮，引起地面沉降[3,4]。

根據(jù)太沙基有效應力原理考慮，地面下深度z處，土體所承受總應力為σ，有效應力為σ＇，孔隙水壓力為u，即有：σ=σ＇+u。

在降水過程中，隨著水位降低，孔隙水壓力u變小，假使變化量為Δu，孔隙水壓力為(uw-Δu)，但土體所承受總應力為σ在降水過程中保持不變，故有效應力會增大Δu，也即：

σ=(σ＇+Δuw)+(uw-Δuw)。

有效應力的增加，導致了土體骨粒產(chǎn)生壓縮沉降[5]。

2 降水引起地面沉降的理論計算

根據(jù)地下土層的透水性，降水方式以及計算考慮方向，不同的計算方法對降水引起的地面沉降做了很多全面的計算，各個計算模型之間也存在比較大的差異。目前該方向的計算方法主要分為簡化計算，基于經(jīng)典彈性理論的計算，考慮含水層組參數(shù)變化的計算，采用貯水系數(shù)進行估算[6]。

有限單元法的數(shù)值計算模擬降水對土體沉降影響時，將土體做彈塑性材料考慮，并對地下水滲透的作用也進行了模擬分析[7]。

該計算中滲流方程：

壓密方程：

ηi(t)=γwaibiΔφ(t)。

其中，kri,kzi分別為第i含水層的水平向、豎向水力滲透系數(shù),m/d；ai為第i含水層土骨架的經(jīng)驗壓縮系數(shù)；bi為第i含水層土骨架的初始厚度；ni為第i含水層土骨架的孔隙率；ηi為第i含水層土骨架的豎向壓縮變形；φ為地下水位勢函數(shù)；β為水的彈性壓縮系數(shù)(按1/kPa取值)；γ,Z分別為柱坐標系中的水平向、豎向坐標。

地面沉降總量η為每層含水層土顆粒骨架的豎向壓縮變形ηi(t)之和[8]，用下式表示：

3 FLAC3D簡介及模型建立

3.1 FLAC3D軟件簡介

美國ITASCA公司研發(fā)了FLAC分析軟件，用于對土體、巖體等材料體進行三維模擬計算。其應用范圍已拓展到了交通、水利、建筑等多種領域。它包括了11種材料本構模型，例如摩爾—庫侖模型、D-Y模型等，有5種計算方法，可根據(jù)計算分析需要進行相對合理的匹配[9]。

3.2 模型建立

采用了摩爾—庫侖彈塑性實體模型，根據(jù)計算需求設置了100 m(x)×100 m(y)×35 m(z)土體，周全封閉式止水帷幕位于土體邊界50 m處。其中體積模量K和切變模量G之間的轉(zhuǎn)換方程式如下[10]：

為了計算方便，土體采用了接近與該工程實際的均質(zhì)土體，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 土體主要參數(shù)表

模型示意圖如圖1所示。

4 數(shù)值模擬

4.1 帷幕樁(三軸水泥土攪拌樁)長度不同時地面沉降變化規(guī)律

基坑開挖深度為13.8 m，土體參數(shù)按表1取值，回灌井深入基底以下8 m，回灌壓力取144 kPa。當改變止水帷幕深度時，整理有回灌和無回灌時地面沉降變化曲線如圖2所示。

分析圖2曲線得出，當止水帷幕(三軸水泥土攪拌樁)長度加長時，降水后地面沉降量在減小。此次模擬中，當止水帷幕樁長度超過24 m后，增加止水帷幕樁長度，地面沉降量變化較小。當止水帷幕長度保持不變時，進行回灌處理后地面沉降量相對于沒有進行回灌處理的地面沉降量減小50%。增長止水帷幕長度和進行回灌處理能有效減小基坑周邊土體因為降水造成的沉降。

4.2 回灌井長度不同時地面沉降變化規(guī)律

基坑開挖深度為13.8 m，土體參數(shù)按表1取值，止水帷幕長度為24 m。回灌井深度取22 m，23 m，24 m,25 m，26 m。當回灌井深度為22 m時，靜水壓力按(22-6)×10=160 kPa考慮，超壓25 kPa后回灌壓力為185 kPa；依此，回灌井深度為23 m時，超壓后回灌壓力為195 kPa；回灌井深度為24 m時，超壓后回灌壓力為205 kPa；回灌井深度為25 m時，超壓后回灌壓力為215 kPa；回灌井深度為26 m時，超壓后回灌壓力為225 kPa。整理回灌井長度變化時地面沉降變化曲線如圖3所示。

分析圖3曲線得出，隨著回灌井長度增加和回灌壓力增大后，地面沉降量也在逐漸減小。說明在適當范圍內(nèi)增加回灌井深度有助于減小由降水引起的土體沉降。

4.3 回灌壓力不同時地面沉降變化規(guī)律

基坑開挖深度為13.8 m，土體參數(shù)按表1取值，止水帷幕長度為24 m，回灌井深度為24 m，回灌壓力依次取165 kPa,175 kPa,185 kPa,195 kPa,205 kPa,215 kPa,225 kPa。整理回灌壓力變化時地面沉降變化曲線如圖4所示。

分析圖4曲線得出，隨著回灌壓力的增大，地面沉降量會相應逐漸減小。當回灌壓力增大到一定值后，增加回灌壓力，地面沉降量變化不明顯。

5 工程監(jiān)測數(shù)據(jù)

該工程為陜西省西安市土門街心花園項目基坑支護及降水工程，位于西安市豐鎬東路與西二環(huán)十字。

5.1 地基土構成及巖性特征

5.2 地下水

勘察期間測得本場地地下水穩(wěn)定水位介于4.30 m～7.50 m之間，工程計算以及模型建立中按6.0 m考慮。地下水類型為潛水，勘察期間為豐水期；水位變幅約1.0 m。

5.3 基坑開挖深度及周邊環(huán)境

基坑開挖深度為13.8 m，基坑北側(cè)7.0 m處為市政雨水管線和電纜，基坑東側(cè)11.0 m處有6層建筑物，基坑南側(cè)4.5 m處為2層臨建，基坑西側(cè)4.0 m外為城市主干道。

5.4 工程支護及降水方案

本著技術先進、經(jīng)濟合理、環(huán)境保護和安全適用的原則，基坑支護形式采用鋼筋混凝土灌注樁加內(nèi)支撐的支護形式。

為滿足基坑開挖需求，基坑止水采用三軸水泥土攪拌樁，降水采用鋼管井降水。三軸水泥土攪拌樁深入基坑底以下10.0 m，降水井(回灌井長度同降水井)井底標高同三軸水泥土攪拌樁樁底標高相同。實際施工過程中，基坑內(nèi)最終降水水位位于基坑底面以下0.5 m左右。考慮到基坑周邊建筑物和管線對地面沉降及變形的要求，決定采用回灌井進行回灌處理。

平面布置如圖5所示。

5.5 現(xiàn)場檢測結(jié)果

基坑周邊監(jiān)測點共計10個。基坑開挖到底后，基坑東側(cè)監(jiān)測點4位移最大，其中最大水平位移量為20.1 mm，最大豎向位移量為35.9 mm。隨著基坑降水及開挖，監(jiān)測點4位移變化數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 監(jiān)測點4監(jiān)測數(shù)據(jù)

5.6 工程實際數(shù)據(jù)

該工程止水帷幕(三軸水泥土攪拌樁)長度為23.8 m，降水井和回灌井深度均為23 m，回灌壓力為205 kPa。基坑降水后開挖，基坑外側(cè)采用回灌井進行回灌處理，基坑頂部地面平均沉降量為29.13 mm，大于模擬計算沉降量。考慮到施工現(xiàn)場基坑周邊荷載變化情況以及時間效應作用，該沉降量與模擬計算相較吻合。

6 結(jié)論與展望

結(jié)論：通過模型建立后計算分析，在基坑開挖降水過程中，會對土體產(chǎn)生一定的沉降影響。

1)開挖深度不變時，適當增加止水帷幕深度，能減小降水造成的地面沉降；

2)基坑外不需要降水區(qū)域進行回灌處理，能較大改善該區(qū)域土體沉降問題；

3)進行回灌處理時，應選擇合適的回灌井深度和回灌壓力，回灌井過長和回灌壓力過大后，對減小沉降量影響不太明顯，同時會造成一定的經(jīng)濟負擔。

展望：該數(shù)值模擬中沒有充分考慮回灌水對不同的土層沉降量影響。由于現(xiàn)場監(jiān)測點各種原因造成的破壞，給檢測的數(shù)據(jù)帶來了一定的影響，且缺少地面沉降量隨基坑開挖時間的變化規(guī)律。基坑周邊地面沉降量一部分是由于土方開挖和地面荷載的作用造成，模型模擬中沒有進行進一步的研究，故此模擬沉降量與實際沉降量不一致。

希望在以后的計算中能給予更充分細致的研究。

[1] 陳幼雄.井點降水設計與施工[M].上海:上海科學普及出版社,2004.

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[6] 劉國彬,王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

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[9] JGJ 120—2012,建筑基坑支護技術規(guī)程[S].

[10] 龔曉南.高等土力學[M].杭州:浙江大學出版社，2010.

On numeric analysis of reducing ground settlement caused by rainfalls with recharge

Li Ming

(TaiyuanTuodaGeotechnicalEngineeringSurveyandInspectionCo.,Ltd,Taiyuan030024,China)

By simulating with FLAC3D software, the paper establishes the same leakage model, explores the adoption of the recharge to solve the ground settlement caused by the rainfalls, analyzes the factual recharge effect by combining with the engineering inspection data, and points out by the result that the ground settlement can be reduced with the increasing length of the curtain walls within some extent and the ground settlement reduces with the increasing recharge pressure.

water pressure, settlement volume, recharge pressure, foundation pit

1009-6825(2017)18-0061-03

2017-04-16

李 明(1988- )，男

TU463

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