软土地区基坑开挖现场抽水试验数值模拟研究

2018-08-04施刚

上海国土资源 2018年2期

施刚

(1.上海市地矿工程勘察院，上海 200072；2.上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072)

降水会引起周边土体、建筑产生沉降[1-3]。由于承压水含水层渗透系数较大，抽水时水量大，降水对周边的影响尤其明显。因此，准确的渗透系数对工程施工、风险控制非常重要[4]。勘察报告中提供的渗透系数是由取出的土样通过室内试验测定的，取土时，土体会受到扰动，孔隙率改变[5]，测出的渗透系数与原位状态有所区别[6]，而现场试验可以得到较为真实的渗透系数。因此，现场抽水试验对渗透系数的确定有重要的作用。

现场试验渗透系数的反演往往通过裘布依、Theis公式或Mod fl ow拟合[7-13]。前者为理论公式，存在无越流补给、平面上无限扩展等假设[14]。后者Mod fl ow通过在节点施加流量模拟降水[10-11]，没有精确模拟降水井结构本身，也无法进行流固耦合分析。

本文拟通过对某抽水试验的数值模拟，确定土体的渗透系数，并且探索降水井的精确模拟方法，同时也确定相关参数。

1 抽水试验简介

1.1 工程概况

拟建场地位于上海市普陀区真北路，属滨海地貌类型。场地内根据现有勘探资料无明暗浜分布，地形较为平坦，地面标高在3.26～4.38m。场地东侧真北路高架距地下室边线最近约30m；西侧、北侧居民房距地下室边线12～20m；南侧居民房距地下室边线约23m。基坑开挖深度为10.4m。

1.2 地层条件

表1为基坑开挖区域的典型土层分布。

表1 典型土层分布Table 1 Typical soil pro fi le

1.3 水文地质条件

（1）潜水

场地内地下水位埋深高水位按埋深0.50m考虑，低水位按埋深1.50m考虑。

（2）承压水

根据勘察报告，本场地第⑤2-1、⑤2-2层为微承压含水层，第⑦层及第⑨层为承压含水层。鉴于第⑤2-1、⑤2-2层与第⑦层相通，对本工程有影响的承压水赋存于第⑤2-1、⑤2-2层与第⑦层。

按上海地区水文地质资料，承压水水头埋深在3.00～11.00m之间。基坑区域存在承压水引起基坑突涌的可能性，需要降承压水。降水可能会对周边环境产生较大影响，因此，采用抽水试验研究场地的渗透系数。

1.4 抽水井分布

图1显示了抽水井平面布置图，抽水试验中共布置7口井。

图2为各个井的剖面图。在拟建场地区域内，布置2口⑤2-1层（微）承压含水层抽水井，试验井井深23m，滤管长6m；布置2口位于⑤2-1层、⑤2-2层（微）承压含水层抽水井，试验井井深27m，滤管长9m。此外，布置2口观测⑤2-1层（微）承压水位的观测井，井深分别为21m、23m，布置1口⑤2-2层（微）承压含水层观测井，井深33m。

图1 抽水井平面布置图Fig.1 Plan view of pumping wells

图2 抽水井剖面图Fig.2 Elevation view of pumping wells

为完成试验目的，抽水试验针对⑤2层进行了单井和群井试验，试验过程中进行了水位观测和沉降监测，通过水位埋深－时间曲线及单井出水量等，确定含水层的水文地质参数以及上下含水层的水力联系。抽水试验开始前（观测时间2015年11月）实测各试验井的初始水位埋深，⑤2-1层（微）承压水位埋深为5.46～5.81m（以地面设计标高计），绝对标高-1.31～-1.66m；后期密切关注（微）承压水位的动态变化。

2 数值模拟

2.1 计算模型

本文采用ZSoil.PC软件[15]，该软件是由Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne开发的真三维岩土工程有限元软件，其在岩土工程领域已有众多成功实践。

抽水试验模拟的关键在于抽水井的模拟和抽水过程的模拟。如图3所示，抽水井结构被精确模拟，包含滤料、透水花管、不透水钢管等。抽水过程通过在透水花管四周施加流量进行。

图3 抽水井模拟Fig.3 Numerical model of pumping wells

图4展示了模拟的抽水井与周边土体的连接。由于精确模拟了抽水井的结构，抽水井的节点与模型中其他土体的节点存在不兼容的情况。本模拟中采用了ZSoil程序中的节点连接技术（node link technique），可以保持抽水井的节点与周边单元的位移、水头保持一致，以达到抽水的目的[15]。

图4 抽水井与周边土体的连接Fig.4 Nodal link between pumping wells and surrounding soil

2.2 土体与结构模型

本文采用小应变硬化土模型[16-17]，该模型可以较为全面地反映土的力学性质，如刚度随应变折减、刚度随应力状态和应力历史变化等。此外，还可以考虑土在小应变范围内的刚度变化特征。

表2为计算中所用的土体本构模型参数。

表2 土体本构模型参数Table 2 The soil constitutive model parameters

计算中滤料、透水花管、不透水钢管均采用线弹性模型。需要注意的是，透水花管（井管）是有开口的，因此渗透系数设为500m/day，认为其渗透系数相对其他结构无限大。而不透水钢管设为不透水，与实际中一致。滤料渗透系数设置为5m/day。

3 结果分析

3.1 单井抽水

图5显示了S521-4单井抽水中各观测井水头随时间变化的曲线。在24小时的抽水过程中，实测与计算水头均缓缓下降；在停止抽水的24h后，水头逐渐恢复。由图3.1可以看出，计算的水头与实测水头吻合较好，说明了土体渗透系数的选择较合理。

图6显示了S521-4单井抽水中各沉降观测点随时间变化的曲线。从图中可以看出，各沉降点的变化趋势与水头较为类似。在抽水过程，土体的有效应力增加，土体产生沉降，而水头恢复后，有效应力降低，土体发生一定的回弹。值得注意的是，回弹量小于沉降量，也就是说，有一部分沉降量是无法恢复的。这说明了在基坑降水施工中，要尽量保持水头不变，否则会出现不可恢复的塑性变形。

图5 S521-4抽水中观测井水头与时间的关系Fig.5 Relationship between water table and time during dewatering in well S521-4

图6 S521-4抽水中沉降与时间的关系Fig.6 Relationship between soil settlement and time during dewatering in well S521-4

3.2 抽灌试验

图7显示了抽灌试验过程中观测井水头随时间的变化曲线。在抽灌试验中，首先是对S521-1进行单井抽水，水头随时间缓缓降低。在24小时后，井S521-1继续抽水，同时开启S521-5进行回灌，因此，水头有所升高。当时间到48小时，井S521-5和S521-1保持不变，S521-6开启进行回灌。随着时间的增加，观测井水头继续上升。虽然由于施工、地层不均匀等因素导致计算与实测有一定的偏差，两者总体上较为接近，说明了渗透系数取值的合理性。

图8为抽灌试验中沉降随时间变化的曲线图。从图中可以看出，沉降的趋势与水头变化的趋势一致。值得注意的是，当水头恢复时，沉降没有完全恢复，产生了一定的塑性变形，与上节中的规律一致。

图7 抽灌试验中观测井水头与时间的关系Fig.7 Relationship between water table and time during dewatering and recharging

图8 抽灌试验中沉降与时间的关系Fig.8 Relationship between soil settlement and time during dewatering and recharging

3.3 群井抽水试验

图9为群井抽水试验中观测井水头与时间的关系。在前24小时里，只有井S521-5开启，水头下降速率较慢。在接下来的120小时里，井S521-5、S521-1、S521-2同时开启进行抽水，水头下降的速率明显加快，水位的降深也大大增加。在停止抽水后，水位恢复，恢复速率随时间减小。停止抽水的3天内，水位恢复值达到85%。数值模拟得出的水头与实测数据的曲线相似，体现了渗透系数选取的合理性。

图10为群井抽水试验中地表沉降随时间的变化曲线。沉降的总体趋势与水头变化的趋势一致，即当水头降低时，沉降增大。值得注意的是，当水位恢复后，回弹量仅为沉降量的52%，塑性变形较大。因此，施工中应尽量通过回灌等手段保证水头不变，避免产生无法恢复的塑性变形。