某深基坑降水開挖對地表沉降影響研究

(武漢理工大學土木工程與建筑學院 湖北 武漢 430070)

一、概述

工程依托項目為武漢市K2地塊，項目地層為中軟土層，其地下水位較淺，開挖深度深，開挖面積大，基坑開挖深度12米，基坑開挖分2大層，第一層開挖高度2m，第二層開挖高10m。并且K2地塊項目基坑位于繁華城區，如果不采取合理的基坑施工方法以及有效的地面沉降控制措施，基坑周邊的地面沉降問題將對周邊環境造成嚴重的影響。本文主要通過收集、分析現場監測數據并借助FLAC3D強大的流固耦合計算功能對整個降水開挖流程進行模擬，從而獲得漢口傳奇K2地塊項目深基坑降水開挖的地面沉降規律，并分析采取不同的控制措施對基坑坑內降水效果以及地面沉降的影響，以此對漢口傳奇K2地塊項目基坑的地面沉降控制方案進一步優化，并為今后國內類似工程的設計與施工提供相關參考。

二、理論分析

(一)Biot[1]固結理論。太沙基是在眾多理論假設的基礎上建立了太沙基一維固結理論，因此這一理論在實際中的應用十分受限，而Biot基于太沙基一維固結理論并將理論中忽略的問題考慮其中，從而推導了土體固結的三維固結方程。Biot固結理論更為嚴謹，計算結果更為精確，對指導工程問題更為實用。

(二)地下水滲流基本定律[2]。達西[3](1855)研究了均質砂土中的滲流并做了大量的滲流試驗，最后得到了處于層流狀態下單位面積滲流量Q與水力坡降i的關系，即達西定律。為了對達西定律進行理論推導，Dupuit[4](1863)等構建了大量的物理模型，例如毛細管模型，其原理就是借助毛細管模擬土體中的孔隙通道，從而對毛細管中水的運動規律進行研究分析。

(三)基坑地面沉降變形機理。周邊地表土體沉降變形主要有兩種模式：三角型沉降和凹槽型沉降[5]。當基坑開挖尚淺時，支護樁樁后土體沉降大小與離支護樁樁體邊緣的距離成反比，靠近支護樁樁體處的土體位移最大，整體呈現出倒三角形。當圍護結構變形呈現出拋物線形狀時，此時最大位移處左右兩側位移量均逐漸減小呈現出凹槽型。

三、數值模擬分析

(一)數值模型建立。基于Biot固結理論和流固耦合理論，運用FLAC3D有限差分軟件對深基坑進行降水開挖耦合分析。模型大小280m×220m×60m，模型總共43319個單元、31498個節點。

(二)數值模擬結果。1.基坑后地面沉降分析。基坑施工模擬跟現場一樣是一次降水分成開挖，在最后一步基坑開挖結束，其地面沉降云圖如圖1所示。2.支護樁樁豎向位移分析。在FLAC3D進行基坑計算過程中利用了History命令在支護樁樁頂設置豎向位移監測點以監測基坑降水開挖期間支護樁樁頂豎向位移的變化情況，如圖2為基坑施工結束時支護樁豎向位移。

圖1 基坑開挖至坑底(step6)地面沉降云圖

圖2 基坑施工結束時支護樁豎向位移

(三)數值模擬結果與監測數據對比分析。1.地表沉降對比分析。如圖3為基坑施工結束后的地面沉降結果對比曲線。由圖可知，在不同工況下現場地面沉降規律與模型模擬的地面沉降規律基本一致，曲線變化趨勢也比較吻合。但整體看來數值模擬結果要比現場實測結果偏小，模擬結果中工況一的基坑地面沉降最大值位置在離坑邊5m處，工況二、工況三的則位于7m處，也與現場所監測的結果比較一致。2.支護樁樁頂豎向位移對比分析。如圖4為CX02、CX05、CX09支護樁樁頂豎向位移對比分析曲線。由圖可知，對比工況一模型與監測點CX02、工況二模型與監測點CX05、工況三模型與監測點CX09的支護樁樁頂豎向位移變化曲線，發現兩條曲線的變化趨勢也基本一致，但數值模擬結果要比現場監測結果要小一些，這是由于數值模擬分析過程，對施工現場進行了簡化處理。

圖3 地面沉降規律對比圖 圖4 支護樁樁頂豎向位移對比分析曲線

四、結論

對坑后地面沉降的分析表明，由于粘聚力小、滲透系數大，并且地下存在的承壓水對基坑施工影響較大，因此兩種工況下地面沉降的最大值位置都距離基坑較近，但工況三的最大地面沉降位置要更靠近坑邊，幾乎在基坑邊緣附近，故止水帷幕深度加深、地下水回灌程度加大等可以控制降水開挖引起的周邊地表沉降。