基于長春某工程在基坑降水引發(fā)地面沉降方面的影響分析

吳銀柱，瞿大衛(wèi)

（長春工程學院，吉林 長春）

引言

基坑降水引起的周邊環(huán)境的沉降破壞是工程中的常見問題，過程長且復雜，造成此危害的主要原因是滲流與應力場的耦合作用。基坑降水后，土體內(nèi)的水從勢能高處流向低處，原有土體內(nèi)應力發(fā)生變化，進而導致周邊環(huán)境內(nèi)的地表造成不同程度的破壞。

國內(nèi)諸多專家針對降水導致的地表沉降問題開展了研究，嚴學新（2019）以上海某工程為研究區(qū)域，從止水帷幕，復雜的地層特性，降水井排布三個方面入手，再結合數(shù)字計算和回歸分析，對工程進行了分區(qū)研究處理，提出了針對復雜承壓水含水層的控制降水沉降的新方法。王有旗（2022）以青島某車站工程為研究實例，利用三維有限元模擬軟件對該工程降水開挖引起的支護結構變形進行了模擬分析，得出降水對支護結構造成的變形量較小，不足10%，比起長邊地連墻，短邊地連墻對于降水過程更為敏感。李建強，楊勛等（2022）結合武漢長江中心項目B1 地塊降水工程實例，針對武漢特殊的臨江富水水文地質(zhì)情況，并在工程中使用落地式止水帷幕的影響下，對基坑降水井的布置進行優(yōu)化的施工技術。在施工場地，根據(jù)工程實際情況，在降水井和止水帷幕方面進行了重新布置與調(diào)整，從經(jīng)濟和安全兩個角度對工程進行了優(yōu)化。

降水引起的地面沉降問題現(xiàn)在多用理論計算的方式進行研究，本文應用Midas GTS NX 軟件針對降水對周邊土體產(chǎn)生的沉降作用進行了研究。

1 工程概況

1.1 工程區(qū)域概況

本工程位于長春市朝陽區(qū)南湖大路以北，寬平大路以西，紅旗街以南。本工程±0.000 標高相當于絕對標高為232.3，場地自然標高約為231.90～232.15 m，基坑開挖深度約為5.45 和5.75 m，基坑支護周長約為169.0 m，基坑安全等級為二級基坑，基坑使用年限為一年。

1.2 場區(qū)地層分布

本工程的施工場地，勘探的總深度為23.2 m，根據(jù)勘探孔的勘察數(shù)據(jù)，場地的上部為雜填土層，下部為第四級沖擊而形成的粉質(zhì)黏土層。土層的物理力學性能見表1 和表2。

表1 分層土體物理性能

表2 分層土體厚度及物理參數(shù)

1.3 場區(qū)地下水分布

勘查深度內(nèi)，場區(qū)地下水主要為潛水。

潛水主要埋藏于2.1 m 以下的粉質(zhì)黏土層中，根據(jù)2021 年的勘察報告，此工程的初見地下水位為自然地面下3.5～3.9 m 處，水位標高為7.9～8.45 m。勘察時為豐水期，本場地地下水位標高為228.40～229.20 m，基礎位于地下水位以下，本工程基礎施工時需要進行降水，地下水控制方法應結合基坑支護體系方案，根據(jù)穩(wěn)定性驗算結果，充分考慮技術可行性及控制措施的可靠性，經(jīng)綜合分析后確定。建議在擬建場區(qū)內(nèi)安設地下水位觀測孔，加強地下水水位的監(jiān)測工作，根據(jù)水位監(jiān)測結果及對地下水動態(tài)分析變化的分析，針對基坑開挖的方案，確定相應的地下水控制措施。建議采用封閉式井點降水將地下水位降至基坑開挖面以下0.5～1.5 m。各土層滲透系數(shù)如下：

第②層粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)可按0.50 m/d 考慮，第③層粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)可按0.30 m/d 考慮，第④層粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)可按0.20 m/d 考慮，第⑤層粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)可按0.10 m/d 考慮。

2 降水設計計算

若想將地下水降至作業(yè)面之下，主要包括兩種方式，集水明排和井點降水，前者是在基坑中開挖集水溝和集水井，將基坑中的地下水，引導入固定路線的集水溝中，再將溝中的水排入集水井，最后利用井中的水泵將水抽出，此種方法稱為集水明排，該種方式施工方便、操作簡單，但是抽水時會帶走土中大量的泥沙，造成流砂，這會對施工產(chǎn)生不利影響。只適用于環(huán)境不復雜，且含水層較薄的施工地帶。后者是采用在基坑周邊一定范圍布置利用管道相互連接的降水井，利用抽水設備把水從井中抽出，最后統(tǒng)一從管中排出以保持疏干的方式，該種方式適用于地下水位較高的地區(qū)，本文工程即采用井點降水中的管井降水。

基坑降水相關參數(shù)計算：

基坑降水井設置在基坑開挖范圍1 m 的范圍內(nèi)，所圍面積大約為1 981.44 m2。根據(jù)JGJ120-2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》計算基坑總涌水量

（1） 含水層潛水完整井計算公式

Q=πk=45.44 m3/d

式中，Q——基坑總涌水量（m3/d）；K——滲透系數(shù)（m/d）；H0——潛水含水層厚度（m）；s0——基坑地下水位設計降深（m）；R——降水的影響半徑（m）；r0——基坑等效半徑（m），可按進行計算。

（2） 含水層承壓水完整井計算公式

Q=2πk

（3） 單井出水量計算

式中，q——單井允許出水量（m3/d）；R——過濾器外緣半徑（m）；L——過濾器工作部分長度（m）；K——滲透系數(shù)（m/d）。

（4） 確定降水井深度

根據(jù)《工程降水設計施工與基坑滲流理論》書中的結論，降水井深度可按下式確定：

H=H1+h+JL+l=7.55+0.5+1/10×25+0.5+0.5=11.55 m，取12 m

式中，H——降水井深度（m）；H1——井點管埋深至基坑底面的距離（m）；H——基坑底部至降低后的地下水位的距離（m）；J——水力梯度，在降水井分布范圍內(nèi)宜為1/10～1/15；L——井點管至基坑中心的水平距離（m）；L——過濾器工作部分長度和沉淀管長度（m）。

（5） 確定降水井的數(shù)量

降水井數(shù)量計算：

式中，n——降水井數(shù)量；λ——調(diào)整系數(shù)，一級安全等級取1.2，二級安全等級取1.1，三級安全等級取1.0；Q——基坑涌水量（m3/d）；q——單井出水量（m3/d）。

參照長春本地的工程經(jīng)驗，宜按照6.0 m 間距來布置降水井，公布置34 口降水井。

3 模型建立

為了保證本文可以更快的進入問題討論的重點，即讓文章更具有針對性。在模型建立時遵循以下6 個基本假設：

（1） 本降水模型所使用的的材料均為各向同性、均勻。

（2） 土體假設為理想狀態(tài)下的彈塑性材料。

（3） 假設土體中液體滲透均符合達西定律。

（4） 內(nèi)摩擦角、滲透系數(shù)和粘聚力等土體參數(shù)均為恒定，不跟隨時間變化而發(fā)生變化。

（5） 施工現(xiàn)場中的動荷載不納入考量范圍。

（6） 將模型中的降水井模擬為梁單元，將拉森鋼板樁模擬為2d 板單元。

目標區(qū)域的降水井間距為6 m，經(jīng)過計算將降水井深度設置為12 m。降水井的模擬方式大致分為兩種，一種是在坑邊土體上調(diào)整節(jié)點水頭，再通過調(diào)整初始水位和降水后水位的節(jié)點水頭來模擬，此種方法較為簡單便捷，但是不利于表現(xiàn)單個井位對于降水過程的影響。另一種常用方式為使用1d 梁單元或者3d實體單元來模擬降水井，后通過直接調(diào)整降水井上的節(jié)點水頭達到目的，此種方法對于表現(xiàn)單個井位降水影響更為直觀。

基坑的開挖深度長、寬、深分別為67.8 m、27.7 m、7.55 m。依據(jù)理論和實際工程情況相結合的經(jīng)驗，基坑開挖對周邊環(huán)境的影響范圍一般在基坑周邊3～5倍，在縱向深度的影響范圍一般在2～3 倍，本文建立的模型范圍長度、寬度、深度分別為120 m，90 m，20 m。根據(jù)本文依據(jù)工程的地勘報告，該工程的初見水位為3.3～3.7 m，本文模型將初始水位設置為3.5 m。

將工程所需材料的材料參數(shù)按實際情況輸入模型中，之后將2 維CAD 平面圖導入Midas GTS NX 軟件中，使其擴展為三維立體模型，運用印刻和布爾運算功能將基坑嵌入地層土體模型中，使用混合網(wǎng)格生成器生成網(wǎng)格，設置基坑內(nèi)部土體尺寸為1.5，基坑外土體尺寸為2，降水井尺寸為1.5，共劃分網(wǎng)格64 038個。邊界約束和重力約束采用軟件自動生成，在基坑周邊設置基坑開挖時的初始水位，將模型中的降水井設置為邊界水頭。

建立降水模型，共將模型分為5 個施工階段來對基坑降水模型進行分析和研究，建立模型僅考慮降水的影響。

（1） 初始滲流場分析：（穩(wěn)態(tài)）把各層土體和鋼板樁地連墻等支護結構剛性連接網(wǎng)絡進行激活，邊界條件僅激活邊界水頭。

（2） 初始應力場分析：（應力）將邊界約束和重力約束激活，鈍化上一部中的支護結構剛性連接網(wǎng)絡。

（3） 地連墻施工：（應力）激活鋼板樁等支護結構網(wǎng)格組，鈍化剛性連接網(wǎng)格。

（4） 降水：（瞬態(tài)）將地下水降為-9m，把降水水頭激活。

（5） 降水固結：（應力）不做其他任何操作。

4 模擬分析

4.1 降水對周圍地表環(huán)境的沉降影響

此模型中僅考慮降水對于周邊環(huán)境的影響，忽略開挖，圖1 和圖2 為該步驟對于基坑周邊30 m 范圍內(nèi)的變形沉降值。

圖1 降水固結變形圖

圖2 沉降變形折線圖

在基坑開挖施工前的降水階段，降水所導致周邊土體的沉降影響已經(jīng)較為明顯，如圖3 所示，圖中已降水井為中心，形成了一個降水漏斗狀的沉降曲線，沉降影響在降水井附近達到最高，為11.19 mm，越遠離降水井，沉降影響就越低，距離基坑中心50 m 之外，沉降已經(jīng)降為2.47 mm，幾乎對土體毫無影響。

圖3 圍護結構位移云圖

4.2 降水對支護結構產(chǎn)生的水平位移影響

由圖4 和圖5 可知，降水造成的鋼板樁的最大位移值在樁體最高處，為1.71 mm，之后位移距離隨著樁體深度開始下降，土釘墻的最大位移同樣位于墻體最高處，為1.68 mm，在墻體深度6.04 m 時達到最低，為0.93 mm，之后位移重新開始上升。從最大沉降值來判斷，1.71 mm 位移對于支護結構的影響并不大，即降水導致的支護結構位移效果并不明顯。

圖4 鋼板樁水平位移

圖5 土釘墻水平位移

4.3 分層降水對于施工環(huán)境周邊土體的影響

將該工程的降水過程由一次直接降至-9 m 更改為：（1） 每部降水4.5 m，分兩次進行。（2） 每部降水3 m，分三次進行。

由圖6 可知，分層降水的曲線基本一致，沉降值的大致曲線和趨勢沒有發(fā)生太大變化，沉降最大值也出現(xiàn)在同一位置，三種方式的最大值分別為11.19 mm、9.85 mm 和9.07 mm，可見分層降水確實可以降低降水所導致的土體沉降，由于分層降水每次降水的水量較小，相對減小了與外界的水頭差值，自然土體沉降和支護結構的位移都會減少。以此可知，分層降水對于降水造成的周邊環(huán)境破壞有良好的控制作用。

圖6 分層降水沉降圖

5 結論

本文以長春市某基坑為研究依據(jù)，使用Midas GTS NX 有限元分析軟件對實際工程的降水過程進行了模擬，建立了三維基坑降水滲流耦合分析模型，模擬了基坑降水工程對周邊地表土體的沉降影響。降水過程對于周邊地表的沉降以降水井為中心，成降水漏斗狀曲線，沉降最大值為11.9 mm，沉降變形的影響范圍在基坑范圍外30 m 左右，之后影響較為不明顯。降水過程會導致鋼板樁和土釘墻產(chǎn)生最多1.71 mm和1.68 mm 的沉降，最大值發(fā)生在樁體墻體的頂部，隨著樁體深度增加呈下滑曲線，總體影響相對較小。分層降水可較為有效的控制降水引發(fā)的土體沉降，且不同次數(shù)的分層降水曲線基本一致。