軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)數(shù)值模擬研究

施 剛

(1.上海市地礦工程勘察院，上海 200072；2.上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072)

降水會(huì)引起周邊土體、建筑產(chǎn)生沉降[1-3]。由于承壓水含水層滲透系數(shù)較大，抽水時(shí)水量大，降水對(duì)周邊的影響尤其明顯。因此，準(zhǔn)確的滲透系數(shù)對(duì)工程施工、風(fēng)險(xiǎn)控制非常重要[4]。勘察報(bào)告中提供的滲透系數(shù)是由取出的土樣通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定的，取土?xí)r，土體會(huì)受到擾動(dòng)，孔隙率改變[5]，測(cè)出的滲透系數(shù)與原位狀態(tài)有所區(qū)別[6]，而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以得到較為真實(shí)的滲透系數(shù)。因此，現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)對(duì)滲透系數(shù)的確定有重要的作用。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)滲透系數(shù)的反演往往通過(guò)裘布依、Theis公式或Mod fl ow擬合[7-13]。前者為理論公式，存在無(wú)越流補(bǔ)給、平面上無(wú)限擴(kuò)展等假設(shè)[14]。后者M(jìn)od fl ow通過(guò)在節(jié)點(diǎn)施加流量模擬降水[10-11]，沒(méi)有精確模擬降水井結(jié)構(gòu)本身，也無(wú)法進(jìn)行流固耦合分析。

本文擬通過(guò)對(duì)某抽水試驗(yàn)的數(shù)值模擬，確定土體的滲透系數(shù)，并且探索降水井的精確模擬方法，同時(shí)也確定相關(guān)參數(shù)。

1 抽水試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

擬建場(chǎng)地位于上海市普陀區(qū)真北路，屬濱海地貌類型。場(chǎng)地內(nèi)根據(jù)現(xiàn)有勘探資料無(wú)明暗浜分布，地形較為平坦，地面標(biāo)高在3.26～4.38m。場(chǎng)地東側(cè)真北路高架距地下室邊線最近約30m；西側(cè)、北側(cè)居民房距地下室邊線12～20m；南側(cè)居民房距地下室邊線約23m。基坑開(kāi)挖深度為10.4m。

1.2 地層條件

表1為基坑開(kāi)挖區(qū)域的典型土層分布。

表1 典型土層分布Table 1 Typical soil pro fi le

1.3 水文地質(zhì)條件

（1）潛水

場(chǎng)地內(nèi)地下水位埋深高水位按埋深0.50m考慮，低水位按埋深1.50m考慮。

（2）承壓水

根據(jù)勘察報(bào)告，本場(chǎng)地第⑤2-1、⑤2-2層為微承壓含水層，第⑦層及第⑨層為承壓含水層。鑒于第⑤2-1、⑤2-2層與第⑦層相通，對(duì)本工程有影響的承壓水賦存于第⑤2-1、⑤2-2層與第⑦層。

按上海地區(qū)水文地質(zhì)資料，承壓水水頭埋深在3.00～11.00m之間。基坑區(qū)域存在承壓水引起基坑突涌的可能性，需要降承壓水。降水可能會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響，因此，采用抽水試驗(yàn)研究場(chǎng)地的滲透系數(shù)。

1.4 抽水井分布

圖1顯示了抽水井平面布置圖，抽水試驗(yàn)中共布置7口井。

圖2為各個(gè)井的剖面圖。在擬建場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)，布置2口⑤2-1層（微）承壓含水層抽水井，試驗(yàn)井井深23m，濾管長(zhǎng)6m；布置2口位于⑤2-1層、⑤2-2層（微）承壓含水層抽水井，試驗(yàn)井井深27m，濾管長(zhǎng)9m。此外，布置2口觀測(cè)⑤2-1層（微）承壓水位的觀測(cè)井，井深分別為21m、23m，布置1口⑤2-2層（微）承壓含水層觀測(cè)井，井深33m。

圖1 抽水井平面布置圖Fig.1 Plan view of pumping wells

圖2 抽水井剖面圖Fig.2 Elevation view of pumping wells

為完成試驗(yàn)?zāi)康模樗囼?yàn)針對(duì)⑤2層進(jìn)行了單井和群井試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行了水位觀測(cè)和沉降監(jiān)測(cè)，通過(guò)水位埋深－時(shí)間曲線及單井出水量等，確定含水層的水文地質(zhì)參數(shù)以及上下含水層的水力聯(lián)系。抽水試驗(yàn)開(kāi)始前（觀測(cè)時(shí)間2015年11月）實(shí)測(cè)各試驗(yàn)井的初始水位埋深，⑤2-1層（微）承壓水位埋深為5.46～5.81m（以地面設(shè)計(jì)標(biāo)高計(jì)），絕對(duì)標(biāo)高-1.31～-1.66m；后期密切關(guān)注（微）承壓水位的動(dòng)態(tài)變化。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

本文采用ZSoil.PC軟件[15]，該軟件是由Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne開(kāi)發(fā)的真三維巖土工程有限元軟件，其在巖土工程領(lǐng)域已有眾多成功實(shí)踐。

抽水試驗(yàn)?zāi)M的關(guān)鍵在于抽水井的模擬和抽水過(guò)程的模擬。如圖3所示，抽水井結(jié)構(gòu)被精確模擬，包含濾料、透水花管、不透水鋼管等。抽水過(guò)程通過(guò)在透水花管四周施加流量進(jìn)行。

圖3 抽水井模擬Fig.3 Numerical model of pumping wells

圖4展示了模擬的抽水井與周邊土體的連接。由于精確模擬了抽水井的結(jié)構(gòu)，抽水井的節(jié)點(diǎn)與模型中其他土體的節(jié)點(diǎn)存在不兼容的情況。本模擬中采用了ZSoil程序中的節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)（node link technique），可以保持抽水井的節(jié)點(diǎn)與周邊單元的位移、水頭保持一致，以達(dá)到抽水的目的[15]。

圖4 抽水井與周邊土體的連接Fig.4 Nodal link between pumping wells and surrounding soil

2.2 土體與結(jié)構(gòu)模型

本文采用小應(yīng)變硬化土模型[16-17]，該模型可以較為全面地反映土的力學(xué)性質(zhì)，如剛度隨應(yīng)變折減、剛度隨應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力歷史變化等。此外，還可以考慮土在小應(yīng)變范圍內(nèi)的剛度變化特征。

表2為計(jì)算中所用的土體本構(gòu)模型參數(shù)。

表2 土體本構(gòu)模型參數(shù)Table 2 The soil constitutive model parameters

計(jì)算中濾料、透水花管、不透水鋼管均采用線彈性模型。需要注意的是，透水花管（井管）是有開(kāi)口的，因此滲透系數(shù)設(shè)為500m/day，認(rèn)為其滲透系數(shù)相對(duì)其他結(jié)構(gòu)無(wú)限大。而不透水鋼管設(shè)為不透水，與實(shí)際中一致。濾料滲透系數(shù)設(shè)置為5m/day。

3 結(jié)果分析

3.1 單井抽水

圖5顯示了S521-4單井抽水中各觀測(cè)井水頭隨時(shí)間變化的曲線。在24小時(shí)的抽水過(guò)程中，實(shí)測(cè)與計(jì)算水頭均緩緩下降；在停止抽水的24h后，水頭逐漸恢復(fù)。由圖3.1可以看出，計(jì)算的水頭與實(shí)測(cè)水頭吻合較好，說(shuō)明了土體滲透系數(shù)的選擇較合理。

圖6顯示了S521-4單井抽水中各沉降觀測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變化的曲線。從圖中可以看出，各沉降點(diǎn)的變化趨勢(shì)與水頭較為類似。在抽水過(guò)程，土體的有效應(yīng)力增加，土體產(chǎn)生沉降，而水頭恢復(fù)后，有效應(yīng)力降低，土體發(fā)生一定的回彈。值得注意的是，回彈量小于沉降量，也就是說(shuō)，有一部分沉降量是無(wú)法恢復(fù)的。這說(shuō)明了在基坑降水施工中，要盡量保持水頭不變，否則會(huì)出現(xiàn)不可恢復(fù)的塑性變形。

圖5 S521-4抽水中觀測(cè)井水頭與時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between water table and time during dewatering in well S521-4

圖6 S521-4抽水中沉降與時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between soil settlement and time during dewatering in well S521-4

3.2 抽灌試驗(yàn)

圖7顯示了抽灌試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)井水頭隨時(shí)間的變化曲線。在抽灌試驗(yàn)中，首先是對(duì)S521-1進(jìn)行單井抽水，水頭隨時(shí)間緩緩降低。在24小時(shí)后，井S521-1繼續(xù)抽水，同時(shí)開(kāi)啟S521-5進(jìn)行回灌，因此，水頭有所升高。當(dāng)時(shí)間到48小時(shí)，井S521-5和S521-1保持不變，S521-6開(kāi)啟進(jìn)行回灌。隨著時(shí)間的增加，觀測(cè)井水頭繼續(xù)上升。雖然由于施工、地層不均勻等因素導(dǎo)致計(jì)算與實(shí)測(cè)有一定的偏差，兩者總體上較為接近，說(shuō)明了滲透系數(shù)取值的合理性。

圖8為抽灌試驗(yàn)中沉降隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看出，沉降的趨勢(shì)與水頭變化的趨勢(shì)一致。值得注意的是，當(dāng)水頭恢復(fù)時(shí)，沉降沒(méi)有完全恢復(fù)，產(chǎn)生了一定的塑性變形，與上節(jié)中的規(guī)律一致。

圖7 抽灌試驗(yàn)中觀測(cè)井水頭與時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Relationship between water table and time during dewatering and recharging

圖8 抽灌試驗(yàn)中沉降與時(shí)間的關(guān)系Fig.8 Relationship between soil settlement and time during dewatering and recharging

3.3 群井抽水試驗(yàn)

圖9為群井抽水試驗(yàn)中觀測(cè)井水頭與時(shí)間的關(guān)系。在前24小時(shí)里，只有井S521-5開(kāi)啟，水頭下降速率較慢。在接下來(lái)的120小時(shí)里，井S521-5、S521-1、S521-2同時(shí)開(kāi)啟進(jìn)行抽水，水頭下降的速率明顯加快，水位的降深也大大增加。在停止抽水后，水位恢復(fù)，恢復(fù)速率隨時(shí)間減小。停止抽水的3天內(nèi)，水位恢復(fù)值達(dá)到85%。數(shù)值模擬得出的水頭與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的曲線相似，體現(xiàn)了滲透系數(shù)選取的合理性。

圖10為群井抽水試驗(yàn)中地表沉降隨時(shí)間的變化曲線。沉降的總體趨勢(shì)與水頭變化的趨勢(shì)一致，即當(dāng)水頭降低時(shí)，沉降增大。值得注意的是，當(dāng)水位恢復(fù)后，回彈量?jī)H為沉降量的52%，塑性變形較大。因此，施工中應(yīng)盡量通過(guò)回灌等手段保證水頭不變，避免產(chǎn)生無(wú)法恢復(fù)的塑性變形。

圖9 群井抽水試驗(yàn)中觀測(cè)井水頭與時(shí)間的關(guān)系Fig.9 Relationship between water table and time during dewatering in multiple wells

圖10 群井抽水試驗(yàn)中沉降與時(shí)間的關(guān)系Fig.10 Relationship between soil settlement and time during dewatering in multiple wells

4 結(jié)論

本文對(duì)真北路抽水試驗(yàn)進(jìn)行了模擬，確定了合理的滲透系數(shù)、井結(jié)構(gòu)參數(shù)以及抽水井和抽水方法的模擬。基于本文的模型和參數(shù)，得出以下結(jié)論：

（1）本計(jì)算中精確模擬降水井的透水花管（濾管）、不透水鋼管、濾料，并且在透水花管周邊施加流量模擬降水，可以較好地模擬抽水過(guò)程，最大程度地再現(xiàn)了實(shí)際的抽水井和抽水過(guò)程。

（2）井抽水過(guò)程中，水頭逐漸下降，水頭的下降使得孔隙水壓力降低，進(jìn)而導(dǎo)致土體的有效應(yīng)力增大，引起一定的沉降。相反，井回灌過(guò)程中，水頭逐漸上升，水頭的上升使得孔隙水壓力增大，導(dǎo)致土體有效應(yīng)力減小，土體產(chǎn)生回彈。

（3）井抽水停止恢復(fù)的過(guò)程中，水頭逐漸上升，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間可以完全恢復(fù)。但是，沉降無(wú)法恢復(fù)，即井抽水會(huì)使土體產(chǎn)生一定的塑性變形。因此，施工中應(yīng)通過(guò)一定的手段（如回灌井等）盡量維持水頭不變，減少土體的塑性變形。

（4）計(jì)算的水頭與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)和數(shù)值均較為接近，說(shuō)明了本計(jì)算中含水層的滲透系數(shù)取值合理，井結(jié)構(gòu)參數(shù)、抽水回灌過(guò)程的模擬能反映真實(shí)的情況。