某深基坑降水开挖对地表沉降影响研究

(武汉理工大学土木工程与建筑学院 湖北 武汉 430070)

一、概述

工程依托项目为武汉市K2地块，项目地层为中软土层，其地下水位较浅，开挖深度深，开挖面积大，基坑开挖深度12米，基坑开挖分2大层，第一层开挖高度2m，第二层开挖高10m。并且K2地块项目基坑位于繁华城区，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，基坑周边的地面沉降问题将对周边环境造成严重的影响。本文主要通过收集、分析现场监测数据并借助FLAC3D强大的流固耦合计算功能对整个降水开挖流程进行模拟，从而获得汉口传奇K2地块项目深基坑降水开挖的地面沉降规律，并分析采取不同的控制措施对基坑坑内降水效果以及地面沉降的影响，以此对汉口传奇K2地块项目基坑的地面沉降控制方案进一步优化，并为今后国内类似工程的设计与施工提供相关参考。

二、理论分析

(一)Biot[1]固结理论。太沙基是在众多理论假设的基础上建立了太沙基一维固结理论，因此这一理论在实际中的应用十分受限，而Biot基于太沙基一维固结理论并将理论中忽略的问题考虑其中，从而推导了土体固结的三维固结方程。Biot固结理论更为严谨，计算结果更为精确，对指导工程问题更为实用。

(二)地下水渗流基本定律[2]。达西[3](1855)研究了均质砂土中的渗流并做了大量的渗流试验，最后得到了处于层流状态下单位面积渗流量Q与水力坡降i的关系，即达西定律。为了对达西定律进行理论推导，Dupuit[4](1863)等构建了大量的物理模型，例如毛细管模型，其原理就是借助毛细管模拟土体中的孔隙通道，从而对毛细管中水的运动规律进行研究分析。

(三)基坑地面沉降变形机理。周边地表土体沉降变形主要有两种模式：三角型沉降和凹槽型沉降[5]。当基坑开挖尚浅时，支护桩桩后土体沉降大小与离支护桩桩体边缘的距离成反比，靠近支护桩桩体处的土体位移最大，整体呈现出倒三角形。当围护结构变形呈现出抛物线形状时，此时最大位移处左右两侧位移量均逐渐减小呈现出凹槽型。

三、数值模拟分析

(一)数值模型建立。基于Biot固结理论和流固耦合理论，运用FLAC3D有限差分软件对深基坑进行降水开挖耦合分析。模型大小280m×220m×60m，模型总共43319个单元、31498个节点。

(二)数值模拟结果。1.基坑后地面沉降分析。基坑施工模拟跟现场一样是一次降水分成开挖，在最后一步基坑开挖结束，其地面沉降云图如图1所示。2.支护桩桩竖向位移分析。在FLAC3D进行基坑计算过程中利用了History命令在支护桩桩顶设置竖向位移监测点以监测基坑降水开挖期间支护桩桩顶竖向位移的变化情况，如图2为基坑施工结束时支护桩竖向位移。

图1 基坑开挖至坑底(step6)地面沉降云图

图2 基坑施工结束时支护桩竖向位移

(三)数值模拟结果与监测数据对比分析。1.地表沉降对比分析。如图3为基坑施工结束后的地面沉降结果对比曲线。由图可知，在不同工况下现场地面沉降规律与模型模拟的地面沉降规律基本一致，曲线变化趋势也比较吻合。但整体看来数值模拟结果要比现场实测结果偏小，模拟结果中工况一的基坑地面沉降最大值位置在离坑边5m处，工况二、工况三的则位于7m处，也与现场所监测的结果比较一致。2.支护桩桩顶竖向位移对比分析。如图4为CX02、CX05、CX09支护桩桩顶竖向位移对比分析曲线。由图可知，对比工况一模型与监测点CX02、工况二模型与监测点CX05、工况三模型与监测点CX09的支护桩桩顶竖向位移变化曲线，发现两条曲线的变化趋势也基本一致，但数值模拟结果要比现场监测结果要小一些，这是由于数值模拟分析过程，对施工现场进行了简化处理。

图3 地面沉降规律对比图 图4 支护桩桩顶竖向位移对比分析曲线

四、结论

对坑后地面沉降的分析表明，由于粘聚力小、渗透系数大，并且地下存在的承压水对基坑施工影响较大，因此两种工况下地面沉降的最大值位置都距离基坑较近，但工况三的最大地面沉降位置要更靠近坑边，几乎在基坑边缘附近，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开挖引起的周边地表沉降。