超深基坑承壓水降排引起的深層土體變形規(guī)律研究

王新新張學(xué)進(jìn)蔡永生

1. 上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114；2. 上海建工集團(tuán)股份有限公司總承包部 上海 200080；3. 上海勘察設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200093

隨著地下空間開(kāi)發(fā)不斷向深層發(fā)展，深基坑安全施工不可避免地涉及對(duì)深層承壓水降排處理的問(wèn)題。基坑施工承壓水降排控制不當(dāng)將加劇坑外地表沉降及對(duì)基坑周邊的構(gòu)筑物造成危害[1]。同時(shí)，承壓含水層降水所引起的坑外土體變形的影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了基坑開(kāi)挖的影響范圍，可達(dá)到坑外10倍開(kāi)挖深度以上[2-3]。由此可見(jiàn)，承壓含水層減壓降水誘發(fā)的土體變形是深基坑施工過(guò)程中普遍存在的現(xiàn)象。

然而，現(xiàn)階段對(duì)承壓水降水工程中深層土體變形規(guī)律的研究較少，為此，本文從實(shí)際工程出發(fā)，結(jié)合數(shù)值計(jì)算手段，對(duì)降水引起的滲流場(chǎng)變化和土體變形規(guī)律進(jìn)行深入的分析和探討，研究承壓含水層降水引起的水頭變化和地表沉降的分布規(guī)律，為深基坑安全施工及承壓含水層降水提供有益指導(dǎo)。

1 工程概況

某工程基坑呈梯形，面積約2 000 m2，周長(zhǎng)約200 m，周邊場(chǎng)地標(biāo)高2.5～3.0 m。基坑開(kāi)挖深度31 m，基坑下伏的第⑦1層承壓含水層頂板埋深較淺，最淺為30.5 m，承壓水頭埋深取5 m；基坑開(kāi)挖直接揭穿該層含水層，需將水位降至坑底以下1 m。基坑止水帷幕采用1 m厚地下連續(xù)墻，墻深58.47～64.97 m，整個(gè)墻底基本進(jìn)入第⑧2層粉砂層中2 m左右，未隔斷基坑內(nèi)外承壓含水層之間的聯(lián)系，工作井基坑及坑底亦面臨第⑧2層承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)（圖1）。

圖1 基坑平面、剖面示意

2 有限元模型

根據(jù)基坑剖面的對(duì)稱性，選取一半的基坑剖面建立簡(jiǎn)單的二維數(shù)值模擬模型。充分考慮降水開(kāi)挖的影響范圍，模型寬度取100 m，模型高度取80 m（圖2），土體采用修正劍橋本構(gòu)模型，具體施工工況詳見(jiàn)表1。

圖2 有限元模型

表1 施工工況

3 滲流場(chǎng)及土體變形分析

基坑工程中進(jìn)行承壓含水層的減壓降水不可避免地會(huì)引起坑外的承壓含水層水頭的降低，使得坑外土體有效應(yīng)力出現(xiàn)改變，進(jìn)而引起深層土體發(fā)生變形，影響地表沉降。下文將從第一承壓含水層的水頭變化、地表沉降、深層土體變形及土層壓縮變形等幾個(gè)方面進(jìn)行討論分析。

3.1滲流場(chǎng)分析

圖3為不同施工階段的孔壓分布云圖。圖中深藍(lán)色部分是孔壓為負(fù)值的區(qū)域，即為降水的疏干區(qū)。隨著降水時(shí)間的不斷增加，地下水水位逐漸降低。每一級(jí)降水后，水位都位于開(kāi)挖面以下1～3 m的位置，達(dá)到了疏干降水的要求。

圖3 孔壓分布云圖

圖4顯示了基坑外35 m深度處孔壓分布情況。從圖中可以看出，基坑在開(kāi)挖完成后及持續(xù)降水20 d這2種工況下，在基坑1倍開(kāi)挖深度范圍內(nèi)孔壓恢復(fù)的速率較快，距離基坑30 m處，基坑開(kāi)挖至31 m深（Step12）的孔壓為348 kPa，基坑開(kāi)挖至31 m深，持續(xù)降水20d（Step13）的孔壓為346 kPa，水位降深分別恢復(fù)了99.4%、98.8%；在基坑1倍開(kāi)挖深度范圍以外的孔壓接近350 kPa；總體來(lái)說(shuō)，35 m深度處承壓水水頭壓力變化不大，主要是由于地下連續(xù)墻隔斷了第1層承壓水，模擬中只考慮了在坑內(nèi)布井進(jìn)行減壓，由于隔水層的存在，第1層承壓水與第2層承壓水的水力補(bǔ)給很小。

圖4 基坑外的孔壓分布（35 m深度處）

3.2土體沉降分析

圖5為不同施工階段土體豎向位移分布云圖。由圖中可以看出在降水開(kāi)挖耦合過(guò)程中，不同施工階段地表整體呈沉降趨勢(shì)，且沉降影響范圍隨降水和開(kāi)挖深度的增加而增大。

圖5 土體豎向位移分布云圖

圖6為地表沉降曲線圖。由圖中可知基坑開(kāi)挖完成后地表最大沉降值為17.50 mm（Step12），持續(xù)降水20 d后的地表最大沉降值為17.45 mm（Step13）；基坑底板施工完成后的實(shí)測(cè)最大沉降值為19.50 mm。從圖中可以看出數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，不同施工階段地表整體呈下沉趨勢(shì)。

圖6 地表沉降曲線

圖7為不同施工階段地表沉降曲線圖。由圖中可知基坑開(kāi)挖至－7.90 m（Step2）時(shí)，地表最大沉降值為10.90 mm，距基坑邊的距離約為14 m；開(kāi)挖至－22.65 m（Step8）時(shí)，地表最大沉降值為15.80 mm，距基坑邊的距離約為22 m；開(kāi)挖至－31 m（Step12）時(shí)，地表最大沉降值為17.50 mm，距基坑邊的距離約為28 m。由各級(jí)開(kāi)挖的地表沉降曲線可以看出，隨著降水開(kāi)挖深度的增加，地表最大沉降值和沉降影響范圍逐漸增大。

圖7 不同施工階段地表沉降曲線

為分析土體深層變形，進(jìn)一步解釋減壓降水引起的土體變形規(guī)律，取基坑外0.5及2.0倍開(kāi)挖深度處的土體沿深度方向的豎向變形。如圖8所示，圖中橫坐標(biāo)正值表示土體隆起，負(fù)值表示土體下沉。從圖中可以看出基坑開(kāi)挖至坑底－31 m（Step12）和持續(xù)降水20 d后（Step13）的各層土體的豎向變形差異不大，也驗(yàn)證了相關(guān)地表沉降的模擬的正確性。在0.5倍開(kāi)挖深度處，基坑開(kāi)挖面以上土體總體變形以壓縮變形為主，坑底以下土體由于承壓水降排，土體產(chǎn)生向上的隆起變形；在2.0倍開(kāi)挖深度處，基坑開(kāi)挖面以上土體以豎向壓縮變形為主，坑底以下土體基本上不變形或者僅產(chǎn)生輕微的向上隆起變形。

圖8 不同工況下坑外不同距離處土體沿深度方向的豎向變形

圖9為同一工況下坑外不同距離處土體沿深度方向的豎向變形，由圖可知基坑開(kāi)挖至－31 m（Step12），同一深度處土體距基坑越近，土體豎向變形越大。

圖9 同一工況下坑外不同距離處土體沿深度方向的豎向變形

3.3圍護(hù)變形分析

圖10為圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比示意。從圖中可以看出數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值具有較好的符合性。基坑降水開(kāi)挖完成后，持續(xù)降水導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形持續(xù)增大。

圖10 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖11為不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形對(duì)比示意。從圖中可以看出，隨著基坑降水開(kāi)挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形值逐漸增大，變形最大位置逐步下移。

圖11 不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某深基坑降水開(kāi)挖施工，開(kāi)展了深基坑減壓降水對(duì)滲流場(chǎng)及土體變形影響的分析研究，具體結(jié)論如下：

1）由于地下連續(xù)墻隔斷了第1層承壓水，在坑內(nèi)降水開(kāi)挖過(guò)程中，坑外第一承壓含水層水頭變化不大。

2）在降水開(kāi)挖耦合過(guò)程中，不同施工階段地表整體呈沉降趨勢(shì)，且沉降影響范圍隨降水和開(kāi)挖深度的增加而增大。在基坑外0.5倍開(kāi)挖深度處，基坑開(kāi)挖面以上土體總體變形以壓縮變形為主，坑底以下土體由于承壓水降排，土體產(chǎn)生向上的隆起變形；在基坑外2.0倍開(kāi)挖深度處，基坑開(kāi)挖面以上土體以豎向壓縮變形為主，坑底以下土體基本上不變形或者僅產(chǎn)生輕微的向上隆起變形。

3）隨著基坑降水開(kāi)挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形值逐漸增大，變形最大位置逐步下移。