沿海软土地基深大基坑开挖施工降水数值模拟

朱成凯

0 引言

宁波市轨道交通2 号线二期工程红联站地下车站工程位于宁波市北仑区渡口路与江南东路交叉口，沿江南东路敷设，跨渡口路，是远期规划6 号线与2 号线的“T”型换乘站站点。红联站地下车站为地下三层双柱三跨（局部单柱双跨）箱型混凝土结构，车站总长376.00m，顶板覆土厚度约2.60～3.25m。地下车站工程换乘节点以西为C 基坑，换乘节点以东为D 基坑。C 基坑标准段宽21.2m，深24.34，端头井宽约26.7m，深约25.86～26.66m，基坑长分别为221.25m。地下车站工程C基坑支护采用地连墙（1 000mm 厚）+内支撑的型式，地下连续墙标准段深53m，入土比约1.1，南端头井地连墙深约55m，北端头井深约48m。

1 水文地质条件

1.1 地质条件

红联站地基土共划分为9 个工程地质层组，19 个工程地质亚层。由于本文以C 基坑为例进行模拟分析，此处详细介绍层顶标高-44.24～-29.65m 及以上的地质资料。

①层：杂填土，松散，主要由碎石、块石及黏性土组成，土质均一性差，层厚为1.00～2.80m，平均厚度为1.92m。①层：黏土，灰黄色，以黏土为主，部分为粉质黏土；平均厚度为1.55m。①层：淤泥质粉质黏土，灰色，土质均匀，平均厚度为2.45m。②层：淤泥，灰色，流塑，含少量贝壳碎屑，物理力学性质极差，平均厚度为9.15m。②层：淤泥质黏土，灰色，流塑，土质较均匀，平均厚度为6.73m。④层：黏土，具高压缩性，平均厚度为10.62m。⑤层：粉质黏土，平均厚度为7.55m。⑤层：黏质粉土，具中等压缩性，层顶标高-44.24～-29.65m，层厚0.70～6.20m，平均厚度为2.47m。

1.2 水文条件

红联站C 基坑场地内埋藏分布有深部第I 含水层组（Q）、第II 含水层组（Q）孔隙承压含水层，其中第I 含水层组又分为I和I承压水。

第I层孔隙承压水主要赋存于⑤层黏质粉土、⑥层粉砂中。第I层孔隙承压水赋存于⑧层细砂、⑧层砾砂中。⑧层细砂、⑧层砾砂透水性好，水位埋深为2.00～2.10m，相应标高为0.70～0.80m，本场地⑧层细砂、⑧层砾砂仅分布在配套工程渡口路以南部位。

2 分析方法及有限元模型

2.1 有限元三维模型

三维渗流分析采用Midas 公司的GTS NX 软件。有限元计算模型根据地质剖面图建立，由于地层分布较复杂，对模型中的地质结构进行了适当的概化。模型依据降水井设计剖面揭露的地层建立，对②层以下的黏土、粉质黏土等不透水层合并为黏土质隔水层，将细砂和砾砂层合并为砂砾层。模型以C基坑为主要研究对象，包含了A 基坑的一部分。模型以沿基坑轴线指向东北方向为X 轴正向，垂直基坑轴线指向西北方向为Y 轴正向，竖直向上为Z 轴正向。X 向范围取600m，Y 向范围取400m，Z 向自-95m 取至地表。模型共包括55218 个节点，101682 个单元。整体模型计算网格图见图1。

图1 C 基坑整体模型计算网格图

根据降水设计方案，C 基坑端头井区域加深地下连续墙，墙底标高-62.0m，穿透承压水层，其余部分地下连续墙墙底标高-51m。利用承压降水井降压，端头井区域水位降深7.35 m，其余部位降深5.0m。在端头井区域布置有5 个降压井，其余部分共布置8 个降压井。地下连续墙有限元模型网格见图2。

图2 C 基坑地下连续墙模型计算网格图

2.2 计算参数

基坑降水及沉降分析方法为流固耦合分析，涉及土体的力学计算参数和渗流计算参数。根据地质资料和类似工程经验，渗透系数取值1.2×10cm/s，其他参数详见表1。

表1 C 基坑及周边岩土体力学参数取值表

3 有限元模拟分析

3.1 基坑降水分析

根据基坑及周边地质情况，⑧层（⑧层）承压含水层水位埋深2.00～2.10m，标高0.70～0.80m，本次分析定义砂砾层承压水初始总水头为0.8m。根据设计资料，端头井区域设计降深为7.35m，其他区域设计降深为5.00m。为分析C 基坑在不同降水深度下抽水量的变化，计算模拟了降水深度从1～7.35m，8 种不同降深，不同降深下排水井的抽水量见表2。

表2 不同降水深度排水井井流量表

三维有限元模拟计算结果中提取基坑轴线剖面、端头井横剖面（第三口排水井所在剖面，桩号K36+544）、其余部分横剖面（桩号K36+624）三个剖面及整体的计算结果进行分析，以降水5m 深为例进行说明，详见图3～6。

图3 水位降深5m 模型总水头等势线图

图4 水位降深5m 基坑轴线剖面总水头等势线图

图5 水位降深5m 端头井横剖面（K36+544）总水头等势线图

图6 水位降深5m 横剖面（K36+624）总水头等势线图

由计算结果可知，各降水深度下，基坑土体的等势线分布规律一致，基坑区域水头基本降至设计水位。从排水井流量看，随着降水深度的增加，端头井区域的5 个排水井排水量逐渐增加，由于地下连续墙深入基岩，完全隔断了砂砾层的承压水，所以排水井流量较小，达到最大降深7.35m 时，排水量为16.57m/d。一般区域由于砂砾层未被完全隔断，在降水过程中不断有地下水补给，排水井流量明显高于端头井区域，当降水在5m 以内时，排水井流量逐步增大，在降水深度为5m 时，排水井流量为110.38m/d。之后当端头井降水深度超过5m 后，由于砂砾石层中承压水水位降低，一般区域的排水井流量开始变小，当端头井区域降水达到预定深度后，一般区域的排水井流量为103.68m/d。

3.2 基坑变形分析

3.2.1 初始应力场计算

在计算基坑周边沉降之前应首先计算初始应力场，由于模型地表和地层层面基本为水平，所以应力分布很均匀，最大主应力最大压应力为-2.14MPa，最小主应力最大压应力为-0.57MPa，最大拉应力为57kPa。应力分布图如图7～8 所示。

图7 初始最大主应力分布图

图8 初始最小主应力分布图

3.2.2 降水后基坑变形分析

降水后，由于有效应力的增加，土体产生附加沉降，本次分析针对设计降深7.35m 的情况进行流固耦合分析，应力计算结果见图9～10，变形见图11～14。

图9 降水后最大主应力分布图

图10 降水后最小主应力分布图

图11 降水后基坑位移图

图12 降水后基坑轴线剖面变形示意图

图13 降水后端头井横剖面（K36+544）变形示意图

图14 降水后横剖面（K36+624）变形示意图

由计算结果看，降水后，整体的应力分布形式没有明显的变化，最大主应力和最小主应力同降水前变化较小，这是由于计算结果统计的是总应力，在降水过程中总应力水平变化不大，变形的产生是由于有效应力的增加。由变形计算结果可知，在现有的降水条件下，模型土体的变形规律是整体向下沉降，四周向基坑内侧变形，水平向最大变形约为3.7cm，竖直向最大变形约为8.1cm，整体最大变形为8.13cm。由剖面的变形分布情况可以看出，由于端头井区域降水幅度较大，降水后变形最大值出现在这一区域的淤泥质粉质黏土中，基坑外侧靠近地下连续墙的土体由于水位下降也比较明显，最大沉降变形约为7cm。

4 结论

（1）按降水设计方案，C 基坑端头井区域地下连续墙墙底标高-62.0m，穿透砂砾石层进入基岩，阻断了外水补给，降水效果良好，达到设计要求的7.35m 降深时，排水量为16.57m/d，排水量较小，能够满足施工要求。

（2）C 基坑一般区域，虽然地下连续墙未隔断砂砾石层，但含水层层厚较薄，降深只有5.0m，降水幅度不大，排水量最大为110.38m/d，能够满足施工要求。

（3）由于C 基坑位于软土区域，地基土的模量较低，降水后因有效应力的增加而引起了一定范围的沉降变形，变形最大点出现在沿基坑轴线方向地连墙外侧的土体中，最大沉降为7.2cm，基坑内土体的最大沉降为6.92cm，施工中应注意监测周边地表沉降，必要时采取回灌等措施。

（4）采用GTS NX 软件建立三维有限元模型，基坑降水及沉降分析为流固耦合分析可满足类似项目的分析需要，本项目参数选择适当，可为类似项目的降水方案验证和指导施工提供技术支撑。