深基坑止水帷幕参数的优化分析

徐凤旺，张露露

安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001

0 引言

由于城市建筑的不断发展，地下空间的开发也在蓬勃发展，地铁、多层地下停车场、地下商场等都需要占用很多地下空间，伴随而来就是深基坑工程，基坑深度从几米到几十米不等。在深基坑开挖过程中必不可免地要处理地下水问题，对此工程中常通过设置止水帷幕来解决地下水的问题。止水帷幕有着良好的止水效果和一定的挡土作用［1］，止水帷幕设置要经济合理，它与很多因素有关，罗战友等［2］从材料上对水泥搅拌桩帷幕和连续墙帷幕进行了分析对比。何绍衡等［3］分析了帷幕桩深度对地表沉降的影响。席彬彬等［4］利用数值模拟软件研究了不同深度的止水帷幕对基坑渗流的影响。文中以实际工程为背景，利用数值模拟软件分析止水帷幕的长度、桩径和桩的排数变化对坑外水位变化量、桩的水平位移和坑外地表沉降量的影响，分析模拟得到的数据，选用最经济合理的止水帷幕设计方案。

1 工程实例

1.1 工程概况

该项目位于云南大理市，拟建建筑物由2 栋高层（编号A1 住宅楼和A2 住宅楼）、商业及地下室组成。场地北侧有三栋多层房子，距离基坑边界最近约为8.0m，南侧为滇源路，距离基坑边界为2.60～2.90m；西侧为沧浪路，距离基坑边界为6.00～6.20m；东侧紧挨三茂街。深基坑开挖深度为10m，局部为11.5m，基坑周长约为280m，形状呈一个不规则五边形，基坑开挖面积约为4750m2。

1.2 水文地质条件

本工程位于大理市地处金沙江、红河和澜沧江三大水系分水岭地段，区域内地表水系发育。拟建场地北侧为洱海，直线距离约1800m，北西侧为洱河，距离约1650m。根据区域资料结合钻探揭露，拟建场地内的地下水主要为上层滞水、微承压水和承压水。拟建场地勘探深度范围内的主要地层从上至下分别为人工填土、砾砂、有机质粘土、粘土、粉土、粉质粘土和淤泥质粉土组成。

2 三维模型的建立

本节采用修正剑桥模型作为土体的本构模型建模［5］，围护桩采用线弹性模型，等效成一定厚度的地下连续墙，冠梁和腰量采用梁单元，预应力锚杆采用杆体单元，土体采用孔压单元，围护桩桩径900mm，桩长15m，桩间距1.5m。土体与支护桩的接触面采用摩擦模型。

3 桩长对坑外水位变化的影响

本节分别以14m、18m、22m三种桩长对基坑进行模拟开挖，分析止水帷幕长度的变化对坑外水位变化的影响。

由图1 可知，在模拟的前20 天内，止水帷幕的长度与坑外水位变化量大致成反比关系，当桩长为14m 时，坑外最大水位变化量为94cm。桩长为18m 时，最大水位变化量为81cm，与14m 的桩长相比，水位变化量减小了13cm。桩长为22m 时，坑外最大水位变化量为76cm。与18m 的桩长相比，减小了5cm。减幅明显减小。

图1 桩长变化时坑外水位变化曲线

水位变化量在观测到第20 天往后时，水位变化量出现下降的趋势，这可能是由于坑外回灌井的作用和来自降水补给的缘故使得坑外水位略有上升。从第30 天往后水位变化量逐步趋于稳定。并且桩越长这种减缓趋势越明显。

综合上述模拟桩长对水位变化的影响，应尽量选用较长的帷幕桩，但成本也会大幅度增加，考虑到方案要经济合理，桩长宜控制在14～18m 之间。

4 桩排数对地表沉降的影响

本节分别以单排、双排、三排止水帷幕桩对坑外地表的沉降的影响进行数值模拟。

图2 桩排数变化时地表沉降变化曲线

由图2 可知，当设置1 排帷幕桩时，坑外最大地表沉降量为9.48mm，设置2 排帷幕桩时，最大沉降量为8.24mm，与之相比减小了1.24mm，设置3 排帷幕桩时，最大沉降量为8.15mm，较2 排桩相比减少了0.09mm。减幅不明显，说明当排数由2 排增至3 排时，对地表沉降量的影响比较小，效果不明显。

最大地表沉降量均在距离坑边8m 处附近，从8m 处往后，随着坑边距的增加，地表沉降量呈递减趋势。另外帷幕桩的排数越多，地表沉降影响的最远距离就越小。

在保证基坑周边建筑物及管道安全的前提下，选用较为节约材料的方案，排数从1 排增至2 排时，地表沉降量明显减少，效果显著。

5 桩径对水平位移的影响

本节分析的是桩径的变化对支护桩位移的影响，采用350mm、550mm、750m 三种桩的半径进行模拟计算。

由图3 可知，支护桩的水平位移与帷幕桩的桩径成反比关系，当桩径为350mm 时，最大水平位移为27.55mm，桩径为550mm时，最大水平位移为26.13mm。与其相比减少了1.42mm。当桩径为750mm 时，最大水平位移为26.68mm，与桩径为550mm 相比，减小量为0.55mm。随着桩深度的增加，3 种桩径的对支护桩的水平位移量也逐渐减少，最后趋于稳定。

图3 桩径变化时桩水平位移变化曲线

桩径由350mm 增加到550mm 时，最大水平位移量减小明显，相对于770mm 的桩径，更为经济合理，因此桩径宜设计为350～550mm 之间。

6 方案选取

根据模拟得到的数据，本工程采用500mm 的桩径，16m的桩长，在支护桩外侧设置2 排帷幕桩。方案投入使用后，在现场基坑周边布置观测点对基坑开挖进行监测，并将监测数据与模拟数据进行对比，如图4 所示。

图4 实测与模拟数据的对比

模拟数据曲线与实测数据曲线大致吻合，且在基坑开挖过程中没有出现过大的基坑变形和建筑物沉降，表明该方案是切实可行的。

7 结语

通过ABAQUS 软件对基坑开挖进行模拟，分析帷幕桩的长度、桩径和排数变化时对坑外水位变化量、支护桩的水平位移、地表沉降量所产生的影响及变化规律。根据模拟数据选择最优的方案，将方案运用到实践，并将现场监测数据与模拟数据进行对比，数据误差不大，表明该止水帷幕的设计方案是经济安全的，在节约成本的同时保证了基坑的安全。