工程降水引起基坑及土体变形的规律

2021-11-02崔向军

水利科技与经济 2021年10期

唐铃，崔向军，宗丽

(四川省冶勘设计集团有限公司，成都 610000)

1 概述

随着我国经济的快速发展，我国的城市化进程发展十分迅速，这导致城市土地资源匮乏，从而越来越多的大型建筑出现，建筑也向着更高趋势发展。随着土地的开发，越来多的基坑工程涌现，这其中有很多深基坑。基坑降水的时长也随着基坑开挖深度的增加而加长，承压水对基坑工程的影响也更加显著。

国外学者很早就对地下水运动规律展开一系列的研究，并取得了丰硕的成果，为地下水运动理论奠定了坚实的基础[1-3]。近年来，由于地下水处理不当而导致基坑事故，因此国内学者将研究重点放在基坑降水的影响上。张莲花[4]基于总应力变化理论求解有效应力增量，同时考虑降水影响，获得了解析解。谢康和等[5]基于一维固结理论，获得了基坑周边土体变形规律，并给出了基坑降水引起地表沉降的解析方法。冯晓腊等[6]通过有限元软件建立三维数值模型，分析了基坑降水过程，研究结果表明数值手段可以很好地探究基坑降水过程。李琳[7]通过数值手段研究了基坑降水引起的周边地表和建筑物的影响，分析了降水深度等敏感参数对沉降的影响，并获得地表沉降规律。凌俊峰[8]对某实际工程进行研究，分析了降水井井点深度、渗透系数等敏感参数的影响。本文基于某基坑工程，对基坑降水的影响进行研究，研究结论对于今后类似工程具有重要的参考和借鉴价值。

2 工程概况

某拟建建筑东侧为学校办公楼，南侧为3栋居民楼和1个公共建筑。建筑物地上27层，地下共3层，工程总建造面积156 581 m2。其基坑深度为11 m，基坑采用双排桩+内支撑支护结构。

根据现场探勘和试验，表1给出了土层条件及相关参数。潜水水位埋深约为0.8～2.9 m，第一、第二、第三承压层水位埋深分别为3.26、4.12和5 m。

表1 土层参数

3 三维数值模型

3.1 有限元模型的建立

模型整体尺寸为200 m×120 m×80 m。基坑深度为11 m，基坑支护采用双排桩+内支撑联合支护。模型示意图见图1。基坑中布置三排降水井。

图1 模型示意图

3.2 计算参数

土层采用修正剑桥本构模型，土体修正剑桥模型参数见表2。表2中，K0为土体侧压力系数，KH为土体水平向渗透系数，KV为土体竖直向渗透系数，ecs为参考压力(取单位压力)下土体的临界状态孔隙比，λ为剑桥模型压缩系数，κ为剑桥模型回弹系数，M为临界状态应力比。双排桩和内支撑的重度均为25 kN/m3，弹性模量均为30×106kPa、泊松比均为0.3。

表2 土层剑桥模型参数

4 计算结果分析

4.1 降压时长的影响

因为土层沉积时间上的区别，地底下常常有多层承压含水层，它们之间为弱透水层。潜水含水层补给第一承压含水层，而地表水又直接补给潜水含水层，而第二承压含水层受第一承压含水层补给。所以不同层次的承压含水层的补给条件有区别，这导致降压后土体的变形规律也不一致。本节研究不同降压时长的影响。对第二承压含水层进行单井降压，模拟时长200 d。

图2为不同降压时长下基坑东北角P1降水井处土体沉降随深度的变化曲线。从图2中可以看出，不同降压时长下土体沉降随着深度缓慢增大，在深度约30 m处沉降达到峰值，随后迅速减小，在深度50 m以后区趋于稳定。土体发生沉降峰值的深度随着降压时长的增加缓慢上移，当降压时长超过20 d后达到稳定状态，发生沉降峰值的位置在第一承压含水层底板，而不是发生在地表处，这是由于补给条件的区别。

图2 不同降压时长下P1降水井处土体沉降曲线

图3为不同降压时长下P1降水井处孔隙水压力随深度的变化曲线。由图3可知，第二承压含水层进行单井降压时，其上覆土层持续释放水，孔隙水压力持续变小，最终达到稳定状态，即地下水向下渗流。对于第一承压含水层而言，上次潜水层和远处的补给速度超过了弱水层释放水的速度，这导致第一承压含水层的孔隙水压力不会变小。

图3 不同降压时长下P1降水井处孔隙水压力曲线

图4为不同降压时长下P1降水井处土体附加应力曲线。由图4可知，第二承压含水层降压到稳定状态后，第二承压含水层内的土体有较大的附加压应力，但紧邻其范围内的土体有一定的附加拉应力。该范围之外的土体基本无附加应力。

图4 不同降压时长下P1降水井处土体附加应力曲线

4.2 土体渗透性的影响

4.2.1 承压层上层弱透水层渗透性的影响

本节研究上层弱透水层不同渗透性的影响。基于4.1节研究，对第二承压含水层上部弱透水层的不同渗透系数进行模拟，选取6种渗透系数工况进行研究，即0.000 1、0.000 5、0.001、0.005、0.01和0.05 m/d(其他参数保持不变)。

图5和图6分别为第二承压含水层降压200 d后，不同渗透系数下P1降水井处土体沉降和孔隙水压力曲线。由图5和图6可知，当渗透系数为0.000 1、0.000 5和0.001 m/d时，3种工况下的土体变形和孔隙水压力几乎一致，可见该范围内的渗透系数变化对土体变形和孔隙水压力无影响。这说明当渗透系数不超过0.001 m/d时，第一承压含水层底板隔水性很好。由图5可以看出，土体沉降峰值发生在第一承压含水层底板处。

图5 不同渗透系数下P1降水井处土体沉降曲线(承压层上层)

图6 不同渗透系数下P1降水井处孔隙水压力曲线(承压层上层)

当渗透系数超过0.001 m/d后，随着渗透系数的增大，第一承压含水层范围内土体变形和孔隙水压力显著增大，且沉降峰值位置逐步上移。这说明当渗透系数超过0.001 m/d后，第一承压含水层底板透水性能增大。但渗透系数的变化对第二承压含水层及下部土体变形和孔隙水压力无影响。

4.2.2 承压层下层弱透水层渗透性的影响

本节研究下层弱透水层不同渗透性的影响。基于4.1节研究，对第二承压含水层上部弱透水层的不同渗透系数进行模拟，选取6种渗透系数工况进行研究，即0.000 1、0.000 5、0.001、0.005、0.01和0.05 m/d(其他参数保持不变)。

图7和图8分别为承压层下层弱透水层不同渗透系数下P1降水井处土体沉降和孔隙水压力曲线。由图7和图8可知，当渗透系数在0.001 m/d范围内时，下面承压层无水力联系，隔水性能较好，此范围各渗透系数下土体变形和孔隙水压力基本无影响。由于第二承压含水层因渗流力导致隆起，其峰值发生在弱透水层底板位置。当渗透系数超过0.001 m/d时，弱透水层有较好的透水性，第二承压含水层和第三承压含水层有水力联系。土体变形在整个土层随着渗透系数的增大而整体增大，且第三承压含水层中孔隙水压力也因渗透系数的增大而减小。