深基坑懸掛止水帷幕結合回灌對控制沉降數值模擬分析

2023-09-05 02:04:14汪鵬程吳云濤徐永愷

合肥工業大學學報(自然科學版) 2023年8期

汪鵬程, 吳云濤, 徐永愷

(合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽合肥 230009)

近幾十年,隨著地下空間開發的不斷發展,基坑開挖深度迅速增加。沿海地區地下水位高,土層中常埋藏著不同深度的承壓含水層,對各深大基坑工程具有重要影響。在含高承壓水頭的深基坑開挖過程中,基坑底板經受不住高承壓水頭產生的頂托力引發諸如坑底突涌、流砂、管涌等工程事故不斷涌現,這一現象隨著深大基坑開挖時承壓含水層上覆土壓力的減小而更為明顯[1-2]。為防止此類問題發生,往往需要在基坑開挖前對承壓含水層進行降壓處理,但已有諸多研究發現,承壓含水層在降低水頭的同時會引起地表發生沉降,影響周邊環境安全[3-5]。對此,實際工程中常設置止水帷幕來阻隔基坑內外的水力聯系以達到減小坑外地表沉降的效果,實踐證明效果良好[6-7]。在中國沿海地區,承壓含水層厚度較大,埋深較深,若全部截斷含水層則會導致工程造價昂貴,因此工程中多采用懸掛式止水帷幕[8]。但懸掛式止水帷幕不能完全阻隔坑內外水力聯系,當基坑內降水幅度較大時,周邊環境仍會受到基坑降水的影響產生一定的沉降?；毓嗍腔咏邓こ讨杏糜谔Ц叱袎汉畬铀?控制地表沉降,保護周邊建筑的技術,實踐已證明了回灌的可行性[9-10]。因此,為更好地保護周邊建筑物安全,在設置懸掛式止水帷幕的基礎上結合人工回灌來控制深基坑降水對周邊建筑物產生的不良影響開始被用于實際工程中[11]。目前,關于止水帷幕或回灌控制沉降的理論和實踐的研究已經較為成熟,但針對懸掛式止水帷幕結合回灌控制沉降的效應方面研究仍然較少,且多數以現場試驗的監測為主,監測對象多為降水后的水位變化,尚未對地表沉降效應方面進行深入研究。

本文以某深基坑工程為案例,通過有限差分數值模擬方法,利用FLAC3D軟件模擬懸掛式止水帷幕結合回灌作用下,深基坑降水引起承壓層的水位變化和地表沉降發展規律,并對不同方案進行對比,分析懸掛式止水帷幕結合回灌對沉降控制的效果,以期為優化基坑抽水方案提供一定參考。

1 工程概述

1.1 深基坑設計方案

某工程擬開挖50 m×50 m×12 m的深基坑,經勘測,基坑底下存在含有高水頭的承壓含水層。為保證開挖過程中的安全,需在開挖前對基坑底部的承壓層進行降壓處理?；觾炔捎萌壕邓?現場設置有9口23 m深的抽水井(標記為P1～P9),預期將基坑底部承壓含水層的水頭降低15 m?；訓|側為房屋住宅區,距離基坑的垂直距離約為20 m;基坑北側為城區道路,距離基坑的垂直距離為18～22 m。為了研究降水引起住宅區和城區道路的地表沉降規律,在其周邊設有9個監測點(標記為B1～B9),用于記錄觀測點的地表沉降和水位變化,工程平面及監測點布置如圖1所示。

為防止基坑東側和北側的住宅區及道路發生大范圍沉降,擬在基坑四周設置懸掛式止水帷幕,用于阻隔基坑內外的水力聯系,本文采用1 000 mm厚的地下連續墻兼做止水帷幕,深約35 m;水平支撐系統采用3道支撐設計方案:第1道水平支撐采用規格為800 mm×900 mm的鋼筋混凝土支撐體系,距離地表約為2 m;第2道和第3道均采用φ609 mm、壁厚18 mm的鋼支撐,分別位于地表以下6 、10 m左右?；油庠O有6口23 m深的回灌井(標記為R1～R6),井的濾網均位于承壓含水層中,具體地層和基坑結構剖面如圖2所示。

圖2 地層與基坑結構剖面

1.2 深基坑設計方案

根據巖土工程勘察報告,場地樣貌為Ⅱ級階地,地面平坦,地質較為穩定,土體物理、力學參數見表1所列?？碧狡陂g測得地下水埋深約15 m,高出承壓含水層頂板約18 m,地下水位年變化幅度為0.6～0.8 m。

表1 基坑工程的土層情況

2 三維有限差分數值模擬

2.1 模型的建立

選取上述案例作為工程背景,本文使用有限差分軟件FLAC3D對深基坑降水進行三維數值模擬,分析懸掛式止水帷幕結合回灌對地表沉降的控制效果。根據經驗公式求得基坑降水的影響半徑,模型尺寸選取為500 m×500 m×65 m,模型降水中心的區域采用小網格劃分,較遠區域采用網格放射增大劃分,其中模型主體部分如圖3所示。模型計算采用耦合數值方法,本構模型選用摩爾-庫倫,滲流模型選用各向同性,利用Biot固結理論考慮流體-力學相互耦合作用,土層參數見表1。

2.2 邊界條件

模型側邊界為定水頭補給,承壓含水層無越流補給,基坑降水影響半徑外的土體變形和承壓含水層水位未受中心降水影響,模型設有如下邊界條件:模型側面邊界土體在水平方向上位移受到限制,只能在垂直方向自由移動;模型下表面土體在水平和豎直方向上位移受約束;上表面為自由邊界,位移不受約束;模型側邊界使用fix命令固定孔壓,為定水頭邊界;承壓含水層頂板和底板設為不透水材料,土層之間無越流補給;止水帷幕設為不透水材料,對基坑內外水力聯系具有阻隔作用。

2.3 基坑抽水和回灌方案

抽水井設為井壁進水,通過fish語言固定降水井的井壁孔壓以實現降水井恒定抽水,令抽水井的孔壓自上而下為線性變化,使基坑內的水頭降至目標值并達到穩態?；毓嗑O為井壁出水,使用fish語言固定回灌井的井壁孔壓以實現回灌井的恒定補給,使基坑外水頭變化達到穩態,并令回灌井的水頭比承壓層的初始水頭高出2 m,提高回灌效果。

3 結果分析

3.1 地下水位分析

若僅考慮懸掛式止水帷幕的阻隔作用,抽水井以恒定速率抽水,當承壓層內的滲流達穩態后,承壓層頂面的水頭等值線如圖4所示。

圖4 止水帷幕阻擋下的水位等值線

由于基坑內群井抽水速率恒定,基坑外地下水位的等值線圖呈圓形分布并逐級遞減?？觾人^降深為預期的15 m,坑外最大水頭降深為5 m,說明懸掛式止水帷幕對坑內外水力聯系具有一定的阻隔作用。但懸掛式止水帷幕未能完全隔斷坑內外的水力聯系,基坑內大幅度的降水仍使坑外的水頭發生較大的變化,居民樓處最大水頭降深達到了4.5 m。若同時考慮懸掛式止水帷幕和回灌井的作用,承壓層頂面的水頭等值線如圖5所示?；毓嗑a給速率恒定,基坑外回灌井一側水頭降深控制效果尤為明顯,坑外最大水頭降深為2 m,居民樓處最大水頭下降也僅有1 m左右。此外,本文引入文獻[12]的理論公式,驗證數值模擬結果的準確性。

圖5 止水帷幕結合回灌方案下的水位等值線

文獻[12]將基坑等效為大直徑承壓水非完整井,假設抽水點位于承壓含水層,構建一種抽水井插入深度較淺的情況下深基坑外水頭的計算方法,并通過有限元計算分析驗證在止水帷幕插入比L/M> 0.6、基坑半徑與承壓含水層厚度之比r0/M<2.0 時,式(1)～式(3)具有較好的精度。

(1)

Hw=h0+α(H-h0)

(2)

(3)

其中:HR為基坑外距離基坑邊為R處任一點的水頭降深;H為承壓含水層初始水頭;Q2可通過文獻[13]的大井計算公式求得;Hw為坑外井邊水頭;h0為坑內井中水頭;kv為承壓含水層的豎直滲透系數;kh為水平滲透系數;r為大井半徑;R為大井的減壓影響半徑;M為承壓含水層厚度;S為基坑的平面面積;L為止水帷幕插入承壓含水層的長度;B為下部滲流場②區厚度;f0為不完整井貫入度L/M<1.0時所引起附加阻力的局部阻抗,為無量綱值。

為了更直觀地對比不同方案下水頭的控制效果,繪制基坑北側斷面上承壓層頂部水頭的變化曲線,如圖6所示。圖6中:方案1在降水過程中不考慮懸掛式止水帷幕和回灌井的作用;方案2在降水過程中僅考慮懸掛式止水帷幕的阻隔作用;方案3在降水過程中同時考慮懸掛式止水帷幕和回灌井的作用。對比方案2下本文數值模擬結果和文獻[12]的理論曲線,文獻[12]假設抽水井抽水口在承壓層頂端,減弱了實際抽水效果,因此本文模擬所求水頭降深大于理論計算,但兩者曲線趨勢仍較一致,證明本文模型具有較好的真實度。

圖6 不同降水方案下承壓含水層水頭的變化曲線

從圖6可以看出,若深基坑降水過程中不考慮懸掛式止水帷幕和回灌井的作用,基坑內大幅度降水將引起基坑外承壓水位發生大范圍下降,嚴重影響周邊環境的安全,因此合理選取止水方案非常重要。3種降水方案在基坑外引起的最大水頭降深分別為-10、-5、-1 m,易得方案2和方案3的止水效果分別為50%、90%;3種方案在房屋住宅區處引起的最大水頭降深分別為-7.5、-4.5、-0.8 m,易得方案2和方案3的止水效果分別為40.0%、89.3%。對比可知方案3的止水效果遠優于方案2。因此可以得出懸掛式止水帷幕具有隔斷基坑內外水力聯系的作用,但當止水帷幕對承壓含水層的插入比不是特別深,且基坑內降水幅度較大時,止水帷幕對基坑內外水力聯系的阻隔作用有限,而止水帷幕結合人工回灌的方案能夠非常有效地控制該工況下基坑外由群井抽水引起的水頭下降,止水效果可達90%左右。

3.2 沉降分析

不同降水方案下基坑北側的地表沉降變化規律如圖7所示。從圖7可以看出,若不考慮懸掛式止水帷幕和回灌井的作用,基坑內群井降水會引起坑外地表發生較大的沉降,影響范圍甚廣。受基坑降水影響,地表沉降最大值發生在基坑中心,為16.29 mm,房屋住宅區處的最大地表沉降也達到了11.52 mm,易對房屋結構和居住安全造成一定影響。若考慮懸掛式止水帷幕和回灌井的作用,基坑外地表沉降的發展得到了明顯的控制。方案2中房屋住宅區處的最大地表沉降被控制在5.69 mm,而方案3中房屋住宅區處的最大地表沉降僅為2.28 mm。方案2和方案3的地表沉降曲線在離基坑中心25 m處左右斜率符號相反,原因是止水帷幕由混凝土灌注而成,剛度大、變形小,對其兩側土體下沉具有一定阻礙作用,并限制了基坑內的土體沉降向基坑外的發展。此外,對比方案2和方案3的地表沉降曲線,懸掛式止水帷幕的阻隔作用可有效地控制房屋住宅區處的地表沉降,平均控制效率約47.8%,而懸掛式止水帷幕結合回灌井對沉降控制的效果則更為明顯,房屋住宅區處的平均控制效率約80.4%。說明通過懸掛式止水帷幕結合回灌井來控制由降水引起的地表沉降是可行的,且控制效果優異。

圖7 不同方案下地表沉降的變化曲線

監測點(B2～B4、B6～B8)處的地表沉降變化曲線如圖8所示。地表沉降在前期快速發展,而后進入緩慢發展階段。曲線中有向上隆起的趨勢,原因是回灌井啟動晚于抽水井,在抽水井和回灌井形成平衡前,回灌井逐漸增大補給速率會使局部土層發生隆起,尤其以靠近回灌井周圍的監測點最為明顯。對比B3與B7、B6與B8的監測曲線,4點離基坑中心的距離相近,但監測點B3的沉降值要小于B7,B6的沉降值小于B8,原因是房屋住宅區底部的土體在建筑物自重作用下固結度大于周圍土體,故房屋住宅區的地表沉降會偏小。監測點(B1、B4、B5、B9)的地表沉降曲線如圖9所示。

圖8 B2～B4、B6～B8監測點的地表沉降變化曲線

各監測點的地表沉降從小到大依次為B4、B5、B1、B9,監測點B4距離基坑最近但沉降最小,B1和B9距離基坑中心大小相同,但監測點B9的沉降值最大。圖5顯示回灌井的補給水流在回灌井R3和R6附近達到最大,稱作回灌補給中心,則各監測點距離回灌補給中心的大小不同,沉降控制效果差異顯著,可知回灌補給中心是控制沉降的關鍵因素。因此實際工程中若合理排布回灌井的位置,使回灌補給中心靠近目標區域可以實現對建筑物的最佳保護效果。此外,文獻[14]也指出回灌可以有效限制降水引起的建筑物沉降,但通過回灌很難抬升建筑物,無法補償已經發生的建筑物沉降,因此工程中回灌的目的應當以維持水位為主,而不是盲目地大幅度抬升地下水位。

土層變形剖面云圖如圖10所示,土體沉降最大值發生在承壓含水層的隔水頂板處,并在向地表傳遞中逐漸減小。此外,在基坑底部的土層深處發生隆起現象,隆起最大值發生在承壓含水層的隔水底板處。文獻[15]在對承壓水降壓引起上覆土層沉降的分析中提出,承壓含水層降壓后水頭降低,承壓水對上覆土層的頂托力大幅下降,打破了上覆土層降水前的平衡狀態,使得地層應力重新分布,這相當于在上覆土層和承壓層的界面處產生了一個向下的附加作用力,從而使土體發生沉降。同理,承壓層下方的土層會因上部承壓層水頭的降低發生應力重分布,相當于在承壓層和深部土層的界面處施加一個向上的附加作用力,使深部土體產生隆起。