基坑开挖前降水对围护变形影响分析

2021-05-13罗志华

水利与建筑工程学报 2021年2期

罗志华

(1.上海勘察设计研究院(集团)有限公司，上海 200093；2.上海岩土与地下空间综合测试工程技术研究中心，上海 200093；3.上海市岩土工程专业技术服务平台，上海 200093)

对高水位地区基坑工程项目，基坑围护、截水帷幕、及降水井施工完后，往往预先进行降水试验，以验证基坑水位能否降至需求深度，或者检测基坑围护及截水帷幕是否发生渗漏。然而，大多数基坑围护变形监测是从基坑即将开挖前采集初值，开挖前预降水期间产生的围护变形被清零处理。实际上，预降水期间由于坑内外土体水压力发生变化，基坑围护可能已产生一定初始变形。由于开挖前预降水期间围护初始变形监测案例较少[1-5]，目前大多数关于降水对围护变形的影响研究[6-15]都是基于开挖后降水的案例，而开挖过程中降水，坑内水压力和土压力均发生减小，难以揭示单独降水对围护变形的影响规律。另外，现有规范[16]也没有提出基坑开挖前降水对围护变形影响的计算方法和控制措施。为此，首先基于开挖前降水试验过程中进行了围护变形监测的工程案例，分析研究单独降水过程对围护变形的影响规律，然后开展三维流固耦合数值模拟分析，以揭示降水过程对基坑围护变形的影响机理。

1 工程概况

上海某项目基坑呈矩形分布，长88 m，宽32 m，开挖深度约40 m，设计为地下五层结构。该项目所在区域主要由黏性土、粉性土和砂土组成，浅部26 m分布②～⑤1层黏性土层，下部分布厚约6 m～8 m的⑤3层粉质黏土和厚约8 m的⑤4层粉质黏土。⑦1层砂质粉土和⑦2层粉砂为第一承压含水层，受古河道切割影响，层顶有一定起伏，⑦1层顶埋深39.2 m～40.0 m，⑦2层层顶埋深约41.2 m～44.8 m；⑧21层粉质黏土与粉砂互层为弱含水层，层顶埋深59.4 m～60.2 m，该层也具有承压性；⑨层粉砂为第二承压含水层，层顶埋深约77.8 m～80.3 m；层粉砂为第三承压含水层，层顶埋深约100 m。实测第⑦层承压含水层水位埋深为5.70 m～6.94 m，第⑧21层承压含水层水位埋深约5.7 m，第⑨层承压含水层水位埋深约5.3 m，第层承压含水层水位埋深约6.4 m。

基坑采用明挖顺作法施工，共设置9道水平混凝土支撑，部分支撑、立柱结合永久梁、柱设置。基坑底位于第⑦1层中，围护形式采用厚1 200 mm、深86 m的地连墙，墙趾进入⑨层粉砂约6 m。外设深度为64 m的TRD止水帷幕，进入⑧21层粉质黏土与粉砂互层约4 m，TRD距地连墙约3 m～6 m。基坑设计平面见图1，剖面图见图2。

图1 基坑设计平面图

图2 基坑设计剖面图

2 降水井及监测布置

2.1 降水井布置

根据地下水分层控制设计原则，基坑开挖面以上进行常规疏干，坑底以下各含水层进行降压，降水井布置如表1所示，平面布置图如图3所示。

表1 降水井布置统计

2.2 围护测斜监测布置

基坑围护共设置10个水平变形监测点(测斜)，沿围护均匀布置，编号为P01—P10,如图3所示。

图3 降水井及围护测斜监测布置平面图

3 抽水试验及结果分析

3.1 抽水试验概况

(1) TRD与地连墙间⑦层单井抽水。2JG7-3出水量共计855 m3，⑦层观测井水位变化如表3所示。由于TRD完全隔断⑦层承压水，从表中结果可以看出，坑外(TRD外)观测井水位变化非常小，TRD止水效果较好。

表2 抽水试验持续时间及试验井

3.2 抽水试验结果

基坑地连墙围护和TRD止水帷幕完成后，于12月25日前完成第一道混凝土支撑施工，随后共进行了5次抽水试验，表2所示为各次抽水试验持续时间及抽水的试验井，同时基坑围护测斜于1月4日采集监测初值。

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基坑围护水平变形云图如图9—图11所示，围护水平变形随抽水工况变化曲线如图12所示，坑内外水压力变化如图13所示。从分析结果可以看出，抽水试验导致围护水平变形规律与实测结果基本吻合，由于⑨层承压水未被隔断，地下水补给较快，坑内⑨层抽水对围护变形影响较小。坑内抽水引起坑内水压力减小，而坑外(TRD外)水压力几乎不变，导致坑外土体向坑内发生位移，同时也可以看出，由于潜水疏干水位降深较大，对围护的变形影响最大。

表3 TRD与地连墙间⑦层单井抽水后观测井水位

(2) 坑内⑨层单井抽水。坑内2Y9-2平均出水量约210 m3/h，⑨层观测井水位变化如表4所示，由于地连墙及TRD未隔断⑨层承压水，因此坑外⑨层观测井水位有一定下降。

表4 坑内⑨层单井抽水后观测井水位

传统转向架的驱动电机选用异步交流电机，但异步交流电机的输出特性无法满足轮对低转速、高转矩的特点，需通过传动齿轮加以调整，从而引发驱动装置重量增加、齿轮传动噪声和能量损耗等一系列问题。

表5 坑内⑦、⑧21层单井抽水后观测井水位

图4 坑内2G7-1和2YG8-1水位变化曲线

张清元自从去河坝子上教训了那伙放牛娃以后，他就一直存有一个疑问。那些个坏小子们为啥要把唐小芹摁在地上抚弄她嘴唇上的那颗美人痣呢？这个疑问一直困绕了他好长时间。其实，张清元一直也在盘算着如何去捏弄一下那颗美人痣。张清元想捏弄是因为他见到唐小芹那颗美人痣后确实有一种说不清道不明的躁动。他仿佛将它看成了唐小芹的另一只眼睛。他见了这只眼，想看又不敢多瞧，像做贼样的。所以，张清元尽量不去盯着唐小芹的那颗美人痣。

为更深入地研究基坑抽水试验对基坑围护水平变形的影响，采用MIDAS/GTS岩土工程数值分析软件，结合实际施工及抽水试验工况(见表7)，建立三维有限元模型，如图7所示。土体本构采用修正-摩尔库仑模型；基坑地连墙和TRD止水帷幕采用二维板单元模拟，同时添加不透水界面单元模拟土体接触，为避免TRD对地连墙围护变形的影响，TRD板单元不设置抗弯刚度，仅考虑截水效果。基坑支撑、围檩、立柱及立柱桩均按照基坑设计进行设置。由于渗流与土体应力变形为耦合关系，为充分评估抽水试验结果，计算时采用渗流应力完全耦合控制方程。降水模拟采用节点流量边界，按照承压水抽水试验时间及抽水流量、潜水疏干抽水流量设置节点流量和渗流时间(见图8)。

(4) 坑内⑨层双井抽水。坑内2Y9-2、2YB9-1开启抽水后，2Y9-2平均出水量200 m3/h，2YB9-1平均出水量100 m3/h，抽水结束后各观测井水位变化如表6所示，其中坑内2G9-1观测井水位变化曲线如图5所示。从结果可以看出，由于地连墙及TRD未隔断⑨层，水位补给迅速，坑内水位下降缓慢，且恢复非常快，坑外⑦、⑧21层水位影响较小。

表6 坑内⑨层双井抽水后观测井水位

图5 坑内2G9-1水位变化曲线

3.3 基坑围护测斜变形结果

抽水试验过程中及结束后进行了基坑围护测斜监测，基坑长边中心测点P07，以及短边测点P10、P05测斜随时间变化曲线如图6所示。从图中可以看出，第(1)次抽水试验结束后(1月9日)，基坑围护已开始向坑内发生水平变形，其主要原因是TRD与地连墙间⑦层被隔断，抽水后TRD外水土压力大于TRD内侧水土压力，进一步导致基坑围护向坑内变形；第(4)次抽水试验结束后(1月14/15日)，基坑长边P07在40 m～70 m深度已发生明显水平变形，最大约22 mm，形状呈鼓肚形，短边水平变形较长边小，但呈现同样的变形规律，其中变形较大的深度正好对应⑦、⑧21层，说明主要是由于坑内⑦、⑧21层被隔断，抽水后水土压力减小，导致基坑围护向坑内变形；第(5)次疏干降水结束后(3月16日)，基坑围护浅部发生较大水平变形，最大约53 mm，主要是由于坑内浅部土层被疏干后，不能补给恢复，坑内水土压力减小，导致基坑围护浅部向坑内发生较大变形。

4 有限元模拟分析

4.1 模型建立

(5) 潜水疏干降水。疏干井开启前，初始水位埋深约2 m，开启疏干井后，水位降至埋深20 m。

(3) 坑内⑦、⑧21层单井抽水。坑内2Y7-1平均出水量约5.9 m3/h，抽水结束后坑内外⑦、⑧21层观测井水位变化如表5所示，其中坑内2G7-1和2YG8-1观测井水位变化曲线如图4所示。从结果可以看出，由于地连墙完全隔断⑦、⑧21层，坑内水位下降较快，且恢复缓慢，坑外水位影响较小，说明地连墙隔水效果较好。

图6 基坑围护P07、P10、P05测斜变化曲线

表7 分析工况

图7 三维有限元模型

图8 基坑围护及止水帷幕

4.2 计算结果分析

死记硬背，也许能在考试中取得好的成绩，但是不经思考的记忆，遗忘速度也非常快。课堂上，面对教师提出的问题，孩子们已经形成了一种思维定势：反正老师最后会给出正确答案，自己只要记下来、背下来就行了，不用动脑子照样可以拿高分。可是长此以往，他们的思维就会像困在笼中的小鸟，渐渐失去飞行的意识与能力。因此，我要想办法帮助学生摆脱依赖情绪，改掉墨守成规的习惯，让自由的天性、与生俱来的好奇心得到保护和发展。