軟土地層中基于沉降控制的地下水回灌研究★

曾超峰 薛秀麗 羅 鵬

(湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

軟土地層中基于沉降控制的地下水回灌研究★

曾超峰 薛秀麗 羅 鵬

(湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

結(jié)合軟土地區(qū)深基坑工程地下水回灌案例，發(fā)現(xiàn)回灌期間坑外被保護(hù)建筑持續(xù)沉降，為控制這部分沉降，對提出的雙回灌井回灌策略進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了副回灌井的回灌量對雙井回灌控沉效果的影響，并得到不同條件下使得受保護(hù)建筑不發(fā)生沉降時的副回灌井回灌量的取值規(guī)律。

深基坑，地面沉降，回灌，有限元計算

0 引言

近年來，我國對地下空間的開發(fā)力度越來越大，在城市擁擠地區(qū)涌現(xiàn)大批基坑工程，基坑變形需要嚴(yán)格控制，在高水位地區(qū)，由于承壓含水層的存在，常需要對基坑進(jìn)行承壓水降水以防止發(fā)生基坑突涌。然而，對于大量采用懸掛式止水帷幕的工程來說，坑內(nèi)承壓水降水必然引起坑外承壓層水位下降，并進(jìn)一步引起地面沉降，目前，常采用地下水回灌來控制這部分沉降[1-3]。不過，回灌井回灌過程中需要進(jìn)行周期性的回?fù)P抽水，該過程會引起承壓層水位短暫下降，由于承壓層的變形對水位十分敏感，因此，即使短暫的回?fù)P抽水也可能引起地面沉降[4,5]，這顯然違背了采用地下水回灌來控制沉降的初衷。

本文針對上述問題開展了工程實測與數(shù)值模擬研究，首先報道了軟土地區(qū)深基坑工程地下水回灌的案例，發(fā)現(xiàn)回灌期間坑外被保護(hù)建筑持續(xù)沉降，為控制這部分沉降，對提出的雙回灌井回灌策略進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了副回灌井的回灌量對雙井回灌控沉效果的影響，并得到不同條件下使得受保護(hù)建筑不發(fā)生沉降時的副回灌井回灌量的取值規(guī)律。

1 工程背景

天津某大面積建筑基坑，如圖1所示，最大開挖深度為24 m，場區(qū)第一承壓含水層埋深21.5 m～34.5 m，第二承壓含水層埋深40.5 m～53.5 m。由于基坑開挖深度進(jìn)入了第一承壓層，故降水井采用了潛水層—承壓層混合疏干井(無砂混凝土管)，井底埋深28 m～31.5 m。場區(qū)抽水試驗表明第一、二承壓層間有一定水力聯(lián)系，由于基坑止水帷幕最深約37 m，未截斷第二承壓層，故坑外承壓層水位會受到坑內(nèi)降水井疏干過程的影響。

為防止基坑內(nèi)降水引起坑外緊鄰建筑(稱為被保護(hù)建筑)處發(fā)生承壓層水位下降進(jìn)而引發(fā)沉降，在被保護(hù)建筑四周設(shè)置了5口承壓層回灌井(H1,H3,H4,H7,H11)，回灌井過濾管范圍為埋深24 m～46 m，即，對第一、二承壓層進(jìn)行回灌。回灌井平面布置見圖1。同時，在基坑與被保護(hù)建筑間設(shè)置了4口承壓層水位觀測井(A3,A4,A11,A12)以動態(tài)觀測被保護(hù)建筑處第一、二承壓層水位。JZ1～JZ14為被保護(hù)建筑沉降監(jiān)測點。

圖2為回灌前后被保護(hù)建筑沉降發(fā)展曲線，可以看出，回灌前，基坑開挖降水引起建筑物持續(xù)沉降，回灌開始后，由于建筑物處承壓層水位下降被限制住，因而建筑物未繼續(xù)發(fā)生沉降，而回灌結(jié)束后，由于被抬升的水位又發(fā)生下降，因而又引起建筑物發(fā)生沉降。值得注意的是，回灌過程中，建筑物仍發(fā)生了一定幅度沉降，只是相對于回灌前和回灌結(jié)束后而言相對較小，因而從圖2不能明顯看出來。事實上，回灌過程中建筑物的沉降是由于回灌井周期性回?fù)P抽水引起的。為防止這部分沉降，鄭剛提出了一種基于雙井組合式回灌的沉降控制方法[6]，該方法指出在基坑與受保護(hù)建筑之間設(shè)置主回灌井，再在主回灌井與受保護(hù)建筑之間設(shè)置副回灌井，讓副回灌井在主回灌井回?fù)P抽水時進(jìn)行回灌，以彌補(bǔ)因主回灌井回?fù)P抽水而引起的地下水位的下降和地面沉降。下文將針對這一方法開展數(shù)值分析，研究在不同雙回灌井井點布置條件下，副回灌井的回灌量對主、副回灌井組合回灌引起地面沉降的影響。

2 數(shù)值模型建立

2.1模型介紹

本文選用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模型，進(jìn)行二維的流固耦合的數(shù)值模擬，主回灌井到受保護(hù)建筑之間的距離為D、副回灌到受保護(hù)之間的距離為d，雙回灌井與被保護(hù)建筑間位置關(guān)系見圖3。顯然，在主回灌井回?fù)P抽水過程中，若副回灌井回灌量合適的話，可以防止主回灌井回?fù)P抽水引起的受保護(hù)建筑位置處發(fā)生水位下降，從而防止受保護(hù)建筑發(fā)生沉降。

采用天津某地鐵車站基坑場地條件[7]建立本文數(shù)值模型(工程地質(zhì)詳細(xì)背景在此不贅述)，土體采用修正劍橋模型模擬，土體參數(shù)見文獻(xiàn)[7]。主、副回灌井的深度均為24 m，過濾管位于埋深19 m～24 m位置處，即，向第④層土砂質(zhì)粉土揚(yáng)水、灌水，模型中通過在主、副回灌井埋深19 m～24 m位置處施加流量來模擬揚(yáng)水和灌水過程。模型的邊界條件設(shè)置參見文獻(xiàn)[8]。

2.2計算工況

本文分析了d/D=0.25,0.5,0.75以及D=10 m,12 m,14 m的九種工況下使得受保護(hù)建筑不發(fā)生沉降時的副回灌井回灌量的取值規(guī)律，主、副回灌井同揚(yáng)同灌21 d。

3 計算結(jié)果與分析

工況1:d/D=0.25,D=10 m,d=2.5 m。

圖4為不同副回灌井回灌量的條件下主、副回灌井同揚(yáng)同灌過程中距副回灌井3 m處地面沉降時程曲線(變形量正值代表隆起，負(fù)值代表沉降，下同)，可以看出，在同揚(yáng)同灌之初，所有工況中受保護(hù)建筑物處地面都發(fā)生了隆起，這主要是因為副回灌井到受保護(hù)建筑之間的距離比主回灌井到受保護(hù)建筑之間的距離小，因此，模擬初期受保護(hù)建筑主要受副回灌井回灌的影響，發(fā)生隆起，而主回灌井對受保護(hù)建筑的影響還很小。隨著同揚(yáng)同灌時間延長，受保護(hù)建筑處地面出現(xiàn)沉降增量，而且副回灌井回灌量越小，沉降越大，當(dāng)副回灌井流量q=0.87 m3/h時，距離副回灌井3 m處地面變形穩(wěn)定后既無沉降也無隆起，而當(dāng)副回灌井流量大于(小于)該臨界值時，將出現(xiàn)地面隆起(沉降)。

工況2：d/D=0.5,D=10 m,d=5 m。

圖5為不同副回灌井回灌量的條件下主、副回灌井同揚(yáng)同灌過程中距副回灌井6 m處(即，被保護(hù)建筑處)地面沉降時程曲線，各曲線變化規(guī)律同圖2中所示，只是使得被保護(hù)建筑處既不發(fā)生沉降也不發(fā)生隆起的副回灌井臨界流量變?yōu)閝=0.89 m3/h，同樣地，當(dāng)副回灌井流量大于(小于)該臨界值時，將出現(xiàn)地面隆起(沉降)。

工況3：d/D=0.75,D=10 m,d=7.5 m。

圖6為不同副回灌井回灌量的條件下主、副回灌井同揚(yáng)同灌過程中距副回灌井8 m處地面沉降時程曲線，各曲線變化規(guī)律同圖4,圖5中所示，當(dāng)副回灌井流量q=0.91 m3/h時，距離副回灌井8 m處地面既無沉降也無隆起，而當(dāng)副回灌井流量大于(小于)該臨界值時，將出現(xiàn)地面隆起(沉降)。

對比分析如下：

以上分析表明，當(dāng)主回灌井與被保護(hù)建筑距離不變時，隨著副回灌井與被保護(hù)建筑距離的增大，使得受保護(hù)建筑不發(fā)生隆沉?xí)r的副回灌井臨界回灌量越大。對于D=12 m,14 m的各工況也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，在此不做贅述。

對于所有工況，將副回灌井臨界回灌量的變化規(guī)律繪制于圖7中，得到q/Q與d/D的關(guān)系。由圖7可以看出，當(dāng)d/D確定時，D越大，q/Q越小，這主要是因為主回灌井距離受保護(hù)建筑越遠(yuǎn)，主回灌井揚(yáng)水對受保護(hù)建筑地面沉降的影響越小，因此當(dāng)D越大時，要保障受保護(hù)建筑地面不沉降，所需的副回灌井回灌量就越小；當(dāng)D確定時，d/D越大，q/Q越大，這主要是因為副回灌井到受保護(hù)建筑的距離削弱了副回灌井回灌的作用，因此當(dāng)d越大時，要保障受保護(hù)建筑地面不沉降，所需的副回灌井回灌量就越大。

4 結(jié)論與建議

本文報道了軟土地區(qū)深基坑工程地下水回灌的案例，發(fā)現(xiàn)回灌期間坑外被保護(hù)建筑持續(xù)沉降，為控制這部分沉降，對提出的雙回灌井回灌策略進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了副回灌井的回灌量對雙井回灌控沉效果的影響，并得到不同條件下使得受保護(hù)建筑不發(fā)生沉降時的副回灌井回灌量的取值規(guī)律。本文主要結(jié)論如下：

1)本文對d/D=0.25,0.5,0.75以及D=10 m,12 m,14 m九種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，對每種工況施加了多種副回灌井回灌流量，通過對比在每種副回灌井回灌流量受保護(hù)建筑物地面的沉降，得到了每種工況下的副回灌井最優(yōu)回灌流量，當(dāng)d/D確定時，副回灌井最優(yōu)回灌流量隨著D的增大而減小；當(dāng)D確定時，副回灌井的最優(yōu)回灌流量隨著d/D的增大而增大。

2)通過對d/D=0.25,0.5,0.75以及D=10 m,12 m,14 m九種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不同工況下，受保護(hù)建筑物地面不沉降時的副回灌井回灌流量，在以后基坑工程回灌施工中，可以根據(jù)實際情況，直接選取最優(yōu)回灌流量。

[1] PHIEN-WEJ N,GIAO P H,NUTALAYA P.Field experiment of artificial recharge through a well with reference to land subsidence control[J].Engineering Geology,1998,50(1-2):187-201.

[2] POWRIE W,ROBERTS T O L.Case history of a dewatering and recharge system in chalk[J].Géotechnique,1995,45(4):599-609.

[3] 鄭 剛,曾超峰,劉 暢,等.天津首例基坑工程承壓含水層回灌實測研究[J].巖土工程學(xué)報,2013,35(S2):491-495.

[4] 鄭 剛,曾超峰,薛秀麗.承壓含水層局部降壓引起土體沉降機(jī)理及參數(shù)分析[J].巖土工程學(xué)報,2014,36(5):802-817.

[5] 曾超峰,鄭 剛,薛秀麗.大面積基坑開挖前預(yù)降水對支護(hù)墻變形的影響研究[J].巖土工程學(xué)報,2017,39(6):1012-1021.

[6] 鄭 剛,曾超峰,薛秀麗.一種基于雙井組合式回灌的沉降控制方法:中國專利,201410027014.2[P].2014.

[7] 鄭 剛,曾超峰.基坑開挖前潛水降水引起的地下連續(xù)墻側(cè)移研究[J].巖土工程學(xué)報,2013,35(12):2153-2163.

[8] 曾超峰,薛秀麗,聞 婷,等.基坑工程地下水回灌控沉數(shù)值模擬[J].山西建筑,2017,43(28):60-61.

Studyofartificialrechargeforsettlementcontrolinsoftground★

ZengChaofengXueXiuliLuoPeng

(HunanProvincialKeyLaboratoryofGeotechnicalEngineeringforStabilityControlandHealthMonitoring,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China)

In this study, a case study of artificial recharge for settlement control in deep excavation is reported. The surrounding protected building settles continuously during artificial recharge. In order to control the building settlement, numerical simulation is conducted to investigate the effect of coupled recharge proposed. The influence of recharge rate of auxiliary recharge well on the control effect of coupled recharge is studied by a series of numerical analyses. The critical recharge rates of auxiliary recharge well under which the surrounding protected building will not settle during the artificial recharge are obtained.

deep excavation, surface settlement, recharge, FEM analysis

1009-6825(2017)30-0058-03

2017-08-13 ★:國家自然科學(xué)基金資助(編號：51708206，11602083)；湖南省自然科學(xué)基金項目(編號：2016JJ6044)；湖南省教育廳資助項目(編號：15C0557)

曾超峰(1987- )，男，博士后，碩士生導(dǎo)師，講師

TU463

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