深基坑降承压水对墙体变形和地表沉降的影响

2020-11-04郑启宇夏小和李明广张扬清

上海交通大学学报 2020年10期

郑启宇，夏小和，李明广，张扬清

(上海交通大学土木工程系；海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

上海地处杭州湾，位于长江入海口，土层主要为第四纪沉积土，地下水资源丰富，分布有潜水层和交错分布的承压含水层[1].近年来，随着地下空间开发深度的不断增加，基坑工程不可避免地需要对承压含水层进行处理，若承压含水层上覆土重过小，基坑会失稳并出现突涌破坏[2].在深厚承压含水层地区，常采用悬挂式止水帷幕对承压含水层进行隔断，并在开挖过程中进行减压降水.此举将不可避免地引起墙体两侧水头差，从而影响其受力和水平变形.此外，坑外水头降低也将引起土体的压缩变形，加剧对周边环境的影响[3-4].因此，研究深基坑开挖和降承压水对基坑变形的影响十分重要.

关于基坑变形，已有研究主要关注坑外地表沉降分布，分析开挖和降承压水的影响.许多学者采用理论研究、现场实测、室内试验和数值模拟等方法对开挖和减压降水耦合作用下的地表沉降进行研究.理论方面，大多为计算开挖和减压降水单独作用下产生的坑外地表沉降，将两者的结果线性叠加获得地表总沉降量[5]，但该方法未考虑开挖和减压降水之间的耦合影响.另有学者对现场实测和室内试验的数据进行研究.郑刚等[6]和Zhu等[7]对实测数据进行分析，获得基坑减压降水引起的地表沉降范围远大于开挖的影响，且地表沉降和深部土体的变形存在差异的结论.Wang等[8]通过模型试验研究深基坑减压降水引起的考虑回弹土体的沉降，但其并未考虑基坑开挖的影响.还有部分学者采用数值分析方法研究基坑开挖和降承压水过程，探究两者耦合作用下地表沉降的分布特性.叶为民等[9]建立二维耦合模型研究3种不同减压降水方案的地面沉降规律.Wang等[10]建立三维数值模型，着重研究了不同降水井的滤管深度对基坑降水引起的地表沉降的影响.综上，关于深基坑开挖和减压降水引起地表沉降的研究，大多关注地表总沉降或开挖引起的沉降，少有研究深基坑降水引起的墙体变形和坑外附加地表沉降(本文的基坑降水均特指基坑降承压水).

本文以宜山路站基坑的数值模型为例，阐述一种能较好地反映开挖降水对基坑变形影响的数值模拟方法，并通过比对计算结果和监测数据验证该方法的合理性与准确性.为进一步探究有无降水条件下基坑变形的普适性规律，在上述方法的基础上，基于上海典型标准基坑和工程地质条件建立三维数值模型.重点分析深基坑降水对基坑变形特性的影响，并剖析其引起的坑外附加地表沉降分布与机理.

1 流固耦合数值模拟方法验证

本文采用的数值模拟方法能较好反映基坑开挖降水引起的环境变形问题，主要通过模型设置与模拟方案实现.在完全流固耦合的基础上对模型单元、边界条件、参数取值和开挖降水方案进行设置.数值模拟采用有限差分软件FLAC3D，控制单独渗流计算和单独力学计算的时间步，使两者交替迭代以反映流固耦合的影响[11].为更好地阐述该方法并论证其合理性，以上海地铁9号线宜山路站基坑为例进行数值模拟.

图1 宜山路车站的局部平面布置Fig.1 Partial layout of Yishan Road Station

1.1 模型概况

宜山路车站的局部平面布置如图1所示.针对宜山路站Z2基坑的A-A断面，建立准三维模型进行数值分析，工程概况参考文献[7].考虑到模型的真实性以及边界条件对计算结果的影响，设基坑宽为24.1 m，深为29.3 m，模型尺寸为900 m×14.4 m×80 m，支护结构按照实际情况布置.土层分布按照实际情况设置，潜水层的初始水位设于地表，承压含水层的初始水位设于地表以下9 m，降压井布置于模型中心处.

模型单元的设置为土体采用Zone实体单元，地下连续墙采用Liner单元，混凝土支撑和钢支撑均采用Beam单元，混凝土底板采用Shell单元，立柱和立柱桩采用Pile单元.其中的结构单元均假设为各向同性的线弹性材料，弹性模量为30 GPa，泊松比为0.2.

1.2 模型边界条件及参数选取

土体的位移边界条件为在模型底部，约束土体在各个方向上的位移，认为此深度以下的土体不受基坑施工影响；在对称面和远端边界面，约束土体单元在平面法向上的位移，并约束结构单元在平面法向的位移和另两个方向上的转动；对称面具备对称性，远端边界面以外的土体不受基坑施工影响.

流体的边界条件为远端边界面模拟有补给的水力边界条件，即透水边界；模型的顶部、底部、对称面的孔压可自由变化，即无水头补给的不透水边界.

模型的计算参数取值为土体的本构依据弹-理想塑性的Mohr-Coulomb准则[12]，具体参数如表1所示.其中：E为弹性模量；c为黏聚力；hi为第i层土的厚度；γsi为第i层土的重度；γ、孔隙比e和渗透系数K等参数通过试验确定[7].对于其他参数，根据Hsieh等[13]，Lim等[12,14]和Dong等[15]的研究确定，黏性土层采用不排水强度参数，砂土层采用排水强度参数；土体剪切模量G随深度变化，且有G=0.5G0=0.5(20+2z)，其中：z为深度，G0为小应变剪切模量；黏性土黏聚力的不排水抗剪强度Su随深度变化，且有Su=20+2z；黏性土和砂土的内摩擦角分别为0° 和35°，泊松比分别为0.495和0.35.

1.3 开挖降水方案

通过精细的步骤方案模拟实际工况，以此真实地反映施工过程，并体现降水和开挖交替作用的影响.根据支撑的分布将基坑范围内所需开挖的土层分为9层，并在每层土体开挖前单独设置一步模拟支撑的施工.关于降水模拟，主要分为潜水疏干降水模拟和承压水减压降水模拟.潜水疏干降水均在该层土体开挖前完成，且保证水位降至开挖面以下1 m处.承压含水层减压降水主要是为了避免坑底发生突涌破坏，其水位降深的设计根据基坑工程技术标准[16]中的公式进行控制：∑hiγsi≥FsγwHw，其中：γw为水的重度；Hw为承压含水层水头；Fs为安全系数，此处取为1.1.对于本算例，当开挖至地表下26.3 m时，需要进行承压水减压降水，借助“apply pwell”命令控制抽水流量实现.

表1 宜山路站基坑土层参数Tab.1 Parameters of soil layers in excavation of Yishan Road Station

1.4 计算结果与监测数据对比

基坑开挖至坑底时的坑外地表沉降分布曲线与墙体测斜分布曲线如图2所示.其中：δv为地表竖向位移；H为深度；D为墙后距离；δh为墙体变形.由图2可知，坑外地表最大的总沉降位于墙后约18 m处，墙体的最大水平测斜位于地表下约29 m处，为基坑的开挖深度位置.测点C3处的地表沉降与时间的关系如图3所示，其中t为时间.第69 d时开挖至坑底，地表沉降随着开挖深度的增加而增加.

由上述两图可知，该模拟方法所获得的结果符合规律，且与实测数据吻合良好，故采用该方法对深基坑开挖和降承压水的模拟能够较真实地反映基坑变形的特性.因此该模拟方法较为合理，可用于研究深基坑降承压水对墙体变形和地表沉降的影响.

图2 坑外地表总沉降及墙体测斜Fig.2 Ground surface settlements and wall deformation

图3 坑外C3测点地表总沉降随时间的变化Fig.3 The varies of ground surface settlements with time at point C3

2 基坑降承压水的三维数值模拟

上述数值分析模型以宜山路站基坑为原型，如仅在此数值模型的基础上进一步开展研究很可能会使得结论具有较强的局限性，难以获得更具普遍意义的规律性结论.基于此原因，并考虑到准三维模型的局限性，以上海典型的标准基坑及其地质条件为原型，建立更具一般性的标准化三维数值分析模型，在此基础上进行深入研究.

2.1 模型基本信息

三维数值分析模型的平面尺寸为80 m×80 m，深度为24 m，其示意图如图4所示，其土层参数如表2所示.其中：n为孔隙率；φ为内摩擦角；*表示对于不含承压含水层的数值模型，渗透系数取为4.6×10-10m/s.地层中各承压含水层的水头高度均位于地表下5 m.考虑到模型边界对水位变化和地表沉降的影响，并利用土层分布和基坑结构的对称性，计算时取1/4模型，即290 m×290 m×80 m.地下连续墙厚为1 m，深为40 m；立柱(桩)直径为800 mm，长为50 m；基坑断面图中每道支撑处均布置有断面为0.8 m×1 m的钢筋混凝土支撑，沿深度方向上共布置6道，水平间距为8 m.由于数值模拟方法相同，关于模型单元的选取、边界条件的设置、参数的选取等与前文均相同.

图4 基坑断面及其三维模型示意图(m)Fig.4 Cross section and its three-dimensional model of deep excavation (m)

表2 理想模型的土层参数Tab.2 Parameters of soil layers in ideal model

2.2 施工开挖及降水方案

该模型的开挖降水方案设计原则与前文的数值模拟方法相同.根据其支撑的分布将所需开挖土层分为7层，各层土分步开挖，每步挖深均为1 m，并在每层土体开挖后模拟支撑的施工.工况命名方式为“层数-步数”，如工况5-2为第5层土的第2步(基坑开挖至地表下15 m，每个工况历时2 d).根据水位降深的设计公式[16]，工况5-2时，基坑开始减压降水.另外，工况7-3时基坑开挖至坑底(24 m).

为方便说明，文中将此模型称为“降水模型”.为进一步分析承压含水层减压降水对基坑变形的影响，需模拟不考虑减压降水条件下的基坑.在“降水模型”中仅减小承压含水层的渗透系数，其余保持不变，以此获得“无降水模型”.下文中，将这两个模型合称为“基本模型”.

3 开挖降水耦合作用对基坑变形的影响

对于“降水模型”和“无降水模型”，二者区别仅在于是否考虑承压含水层的减压降水，故可通过两者在减压降水前(工况5-1)和降水后且开挖至坑底(工况7-3)的基坑变形特性，研究减压降水对基坑变形特性的影响.基于上述两个工况的结果，将重点对比墙体水平变形和坑外地表沉降.

图5 开挖降水耦合作用下的墙体水平变形对比Fig.5 Comparison of wall horizontal deformations when excavation and dewatering coupled

图6 开挖降水耦合作用下的坑外地表总沉降对比Fig.6 Comparison of ground surface settlements when excavation and dewatering coupled

“降水模型”和“无降水模型”的坑外地表总沉降对比如图6所示，其中He为开挖深度.由图6可知，两个模型在减压降水前的地表沉降曲线基本重合，而在降水后且开挖到坑底时的地表沉降曲线出现了较大差异.其主要原因为：① 虽然两者的地表最大沉降均位于0.6He附近，但减压降水加剧了坑外的地表沉降量.0.6He处无降水工况下的地表沉降约为90 mm (0.375%He)，若进行降水，则其引起的附加地表沉降约为12 mm (0.050%He)；2He处无降水工况下的地表沉降约为2 mm (0.008%He)，若进行降水，则其引起的附加地表沉降约为15 mm (0.062%He).② 减压降水加大了地表沉降的影响范围.对于“无降水模型”，其开挖降水的影响范围约为坑外2He；而对于“降水模型”，其影响范围可达10He.承压含水层的减压降水改变了基坑及其周围土体的受力状态，进而将影响土体变形，故两者的地表总沉降存在差异.

4 降承压水引起的坑外附加地表沉降分析

4.1 坑外附加地表沉降分布特征

变形特性分析表明，基坑开挖过程中如果采用减压降水措施将导致墙体最大水平变形减小(见图5)、地表总沉降量及其影响范围增加(见图6)，故基坑开挖过程中的减压降水对地表沉降的影响因素非常复杂.基于工况7-3(降水后)，将深基坑降水引起的坑外附加地表沉降曲线剥离出来单独分析.

基坑降水引起的基于流固耦合计算的坑外附加地表沉降曲线(δd,e)分布如图7所示.该曲线可通过对图6中降水后的两条地表沉降曲线作差获得(即δd,e=Sd-Se).将此时的承压含水层水头分布Hw情况添加至图7中.由图7可以看出，受减压降水的影响，水头分布随着距离的增加而增加，呈抛物线分布：墙后水头最低处为11 m，远端10He处的水头为25 m.然而，坑外附加地表沉降却在坑外近端约1.5He内出现了波动.

图7 降承压水引起的坑外附加地表沉降Fig.7 Dewatering-induced additional ground surface settlements

4.2 坑外附加地表沉降产生机理分析

从上述研究中可以看出，开挖影响下降水引起的坑外附加地表沉降曲线的形状与水位分布的形状存在差异.因此，降水引起的附加地表沉降的大小除了受减压降水因素的影响外，还受基坑开挖的影响.下文将从这两方面对坑外附加地表沉降产生的机理做进一步的分析.

首先是水位变化引起的附加地表沉降，开挖影响下降水引起的坑外附加地表沉降曲线如图8所示.其中：δd为基于图7中的水位变化情况，采用一维固结理论计算得到的地表沉降曲线，具体经验公式参考文献[17]；τ0为基本模型中墙土间的切向强度大小.该经验公式适用于降水稳定状态下的地表沉降计算，不考虑墙土接触的边界效应，常用于单层均质各向同性的承压含水层.由图8可以看出，深基坑降水引起的坑外附加地表沉降分布并非完全与距离呈负相关，而是随距离出现波动，附加地表沉降的最大值出现于墙后1.5He附近，并非水位降深最大处.此外，在墙后1.5He范围内的坑外附加地表沉降明显小于经验公式的计算结果；而在墙后1.5He范围外与后者基本一致.由此可以得出，坑外1.5He以外的地表沉降主要由降水引起.

其次是开挖对降水引起的附加地表沉降的影响.考虑到上述两条曲线(δd,e和δd)的计算方法不同(经验公式不考虑支护结构的影响)，故1.5He范围内深基坑降水引起的附加地表沉降的沉降差异可归因于墙土共同作用的影响.为探究墙土共同作用对地表沉降的影响，基于“降水模型”建立一个存在围护结构的自由场地降水模型(简称“无开挖模型”).在图8中添加该模型的坑外地表沉降曲线(1.0τ0).由图8可知，“无开挖模型”(1.0τ0)的坑外地表沉降在1.0He范围内呈凹槽状，且其沉降数值较小.这归因于地下连续墙与土体的共同作用，主要体现为墙土间的摩擦作用.

为进一步分析墙土间摩擦作用的大小对1.5He范围内沉降差异的影响，通过调整墙土接触的切向强度来改变墙土接触面粗糙程度.具体方法为基于“无开挖模型”，调整墙土接触面的切向黏聚力ct、切向残余强度Cr和切向摩擦角ψ这3个参数改变粗糙程度，分别绘制工况7-3时降水引起的地表沉降曲线于图8：① 强度参数同时扩大1.5倍的1.5τ0曲线；② 强度参数同时扩大3倍的3.0τ0曲线；③ 强度参数同时扩大7倍的7.0τ0曲线.由图8可知，墙土接触的切向强度越大，墙土接触面越粗糙，降水引起的墙后地表沉降越小.