深基坑外回灌對(duì)地連墻變形影響的數(shù)值分析

周可璋 周浩 盧寧 何中聯(lián) 王偉

【摘要】以Biot方程為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)值方法分析了深基坑外回灌對(duì)基坑圍護(hù)地連墻作用。以上海某深基坑回灌施工為例，驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。通過(guò)參數(shù)分析，研究了回灌井施工的封堵效果以及回灌井與地連墻的距離變化對(duì)地連墻變形的影響。在數(shù)值分析的基礎(chǔ)上對(duì)城市密集區(qū)域深基坑外回灌施工提出了一些建議。

【關(guān)鍵詞】深基坑 回灌??地連墻 ?數(shù)值分析

1?引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，建筑基坑施工規(guī)模和深度不斷增加，基坑降水引起的地面沉降及工程場(chǎng)地附近構(gòu)筑物的變形引起了人們的關(guān)注。為了降低坑內(nèi)降水的環(huán)境效應(yīng)，通常采取坑外回灌的措施來(lái)減少坑外土體的沉降變形。但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)于坑外回灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工還處于經(jīng)驗(yàn)摸索階段[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于地下水回灌的研究已有半個(gè)多世紀(jì)[7;?4]，關(guān)于回灌作用時(shí)自由場(chǎng)地下水的流場(chǎng)[6;?5]、地表回彈已有一定的理論[3]、試驗(yàn)[2]成果。然而對(duì)于基坑工程施工過(guò)程中，回灌引起的超孔壓水頭對(duì)結(jié)構(gòu)的影響還鮮有研究。受工程場(chǎng)地的限制，回灌井一般根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況布置。已有工程經(jīng)驗(yàn)表明，回灌井工作過(guò)程中對(duì)基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力及坑內(nèi)外水頭等均有明顯的影響。本文結(jié)合工程實(shí)例，從數(shù)值分析的角度，研究了回灌作業(yè)對(duì)基坑地連墻水平方向的變形的影響。

2?計(jì)算模型

2.1簡(jiǎn)化分析模型介紹

結(jié)合工程施工實(shí)際情況，同時(shí)考慮到計(jì)算的簡(jiǎn)便，本文采用平面應(yīng)變假設(shè)分析了基坑圍護(hù)中部地連墻在回灌作用下的變形。計(jì)算模型簡(jiǎn)化為圖1，假定基坑開(kāi)3挖深度為D時(shí)開(kāi)始坑外回灌，回灌井距離地連墻的距離d，由于回灌井較深，實(shí)際施工過(guò)程中很難保證將過(guò)濾器上部土體與鋼管之間的空隙充填密實(shí)，設(shè)該段松散體從地連墻底部開(kāi)始的高度為h，本文考慮了其變化對(duì)地連墻變形的影響。

圖1平面簡(jiǎn)化分析模型

2.2控制方程

本文采用Biot方程為土體的控制方程，即

上式中、為位移場(chǎng)函數(shù)，為海床土骨架體積壓變，為超孔隙水壓力，、為L(zhǎng)ame常數(shù)（，為Poisson比。），、為海床在水平和豎直方向上的滲透系數(shù)，為孔隙率，為孔隙水的壓縮系數(shù)。

在本文的算例中，基坑開(kāi)挖面和坑外地表為自由邊界，地連墻支撐處為固定約束，模型的底部及側(cè)部邊界條件為固定約束及不透水界面，回灌井底部孔壓為第一類(lèi)邊界條件，即

為回灌壓力。

COMSOL?Multiphysics是一款高級(jí)的大型數(shù)值仿真軟件，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于聲學(xué)、生物、化學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算。COMSOL?Multiphysics是以有限元法為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)值求解微分方程來(lái)實(shí)現(xiàn)用數(shù)學(xué)方法描述真實(shí)世界的物理現(xiàn)象，具有高效的計(jì)算性能和突出的多場(chǎng)耦合分析能力。而且，COMSOL?Multiphysics在非線(xiàn)性方程的求解上，較其它力學(xué)應(yīng)用軟件更容易實(shí)現(xiàn)。本文即以COMSOL?Multiphysics為計(jì)算工具來(lái)計(jì)算方程組（1）、（2）、（3）在邊界條件（4）下的解。

2.3工程實(shí)例分析

上海某超高層項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)陸家嘴貿(mào)易區(qū)，本工程地下4層，本工程基坑面積約3萬(wàn)㎡，裙樓區(qū)域開(kāi)挖深度20.30m，塔樓區(qū)域開(kāi)挖深度23.25m～28.30m。為了減小由于抽水引起周邊馬路及管線(xiàn)的影響，沿基坑外側(cè)布設(shè)了若干回灌井。

場(chǎng)地內(nèi)自地表面140.0m深度范圍內(nèi)所揭露的土層，主要有軟弱的粘性土，粉性土和中密～密實(shí)的砂土組成，具有成層分布的特點(diǎn)。本場(chǎng)地內(nèi)對(duì)工程有影響的地下水屬于潛水類(lèi)型，水位埋深為0.3～1.5m。地下水高水位埋深為0.5m，低水位埋深為1.5m。本場(chǎng)地在深度約29m以下的第7層草黃色粉性土、砂土層和約75m以下的第9層灰色砂土層為承壓含水層，本場(chǎng)地第7層和第9層承壓水貫通，根據(jù)上海市長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)調(diào)查，其水位埋深呈周期性變化，一般為3.0～12.0m。

本工程基坑開(kāi)挖深度按20.3m考慮，承壓水位埋深按5.5m考慮，驗(yàn)算承壓含水層的上覆土重與承壓水頭之比小于1.05，因此可以判定：基坑開(kāi)挖20.3m時(shí)，本場(chǎng)地第一承壓含水層第⑦層承壓水對(duì)基坑產(chǎn)生不利影響，需采取相應(yīng)的降水防護(hù)措施，確保基坑安全。為了減小抽承壓水對(duì)坑外環(huán)境的影響，在抽承壓水的同時(shí)，采取坑外回灌的措施?；毓嗌罹讖綖?50mm，井管過(guò)濾器內(nèi)層為圓孔過(guò)濾器，外包纏絲，外層為橋式過(guò)濾器，管外回填中粗砂濾料。

在施工現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)大水箱，通過(guò)安裝的加壓泵，對(duì)水體自然壓力進(jìn)行補(bǔ)償，從而增加回灌壓力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回灌試驗(yàn)成果，回灌期間回灌壓力優(yōu)先選擇0.08～0.10MPa。當(dāng)本基坑開(kāi)挖地層層土體（裙房、塔樓及其局部小深坑），坑內(nèi)外承壓水水頭分別為-16.55～-19.78m和-14.85～-16.99m（注初始水頭為-7.7m）時(shí)，坑外開(kāi)啟6口回灌井。采取加壓回灌，其回灌壓力平均為0.08MPA，每口回灌井回灌量平均約為5立方米/小時(shí)。回灌3天后，坑外觀(guān)測(cè)井水位上升約40cm到100cm之間?；毓嗳煲蚧毓嘁粋?cè)圍護(hù)測(cè)斜變形日變化量增大及其地墻底部接縫處有滲水現(xiàn)象。經(jīng)參建各方開(kāi)會(huì)討論決定暫停回灌運(yùn)行，待回灌一側(cè)圍護(hù)邊基坑大底板澆筑完畢后，開(kāi)挖塔樓深坑時(shí)再視情況回灌。

應(yīng)用上節(jié)物理模型及控制方程，本節(jié)通過(guò)算例分析，研究了緊臨基坑外回灌時(shí)地連墻的變形規(guī)律。計(jì)算參數(shù)如下：基坑開(kāi)挖深度20m，地連墻厚1.2，深度為36m?？觾?nèi)4道支撐分別位于水平面下1m、6m、11m、15m，支撐厚度為0.8m.??????坑外土體分為3層，上層土體代表淺層覆土，厚10m，彈性模量為30MP，滲透系數(shù)為1.0×10-5m/s，土層孔隙率為0.4。第二層土體為粘土層，厚26m，彈性模量為25MP，滲透系數(shù)為2.0×10-7m/s，土層孔隙率為0.3。第三層土體為承壓水層，計(jì)算厚度為10m，彈性模量為30MP，滲透系數(shù)為5.0×10-4m/s，土層孔隙率為0.5。坑外回灌井深41m，孔徑0.65m，回灌壓力為0.08MPa。

圖3給出了地連墻及其附近土體中由于回灌引起的超孔隙水頭及水平方向的位移分布，由圖可知，回灌井過(guò)慮器上方影響區(qū)域水頭壓力梯度非常大，可以推知，地連墻底部受到較大的附加孔壓力。圖4給出了地連墻及土體的水平位移分布，由圖可知，回灌井底部坑外土體的位移遠(yuǎn)大于地連墻側(cè)的土體的位移。

圖3地連墻附近超孔隙水頭分布

圖4地連墻及附近土體水平位移分布

圖5地連墻水平位移

圖5給出了比較了計(jì)算出來(lái)的地結(jié)果連墻水平位移與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，由圖可知，地連墻的“踢腳”效應(yīng)非常明顯，實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，但二者變化趨勢(shì)基本一致。由于實(shí)際施工過(guò)程中，回灌和坑內(nèi)挖土同時(shí)進(jìn)行，實(shí)際地墻的變形還受到坑內(nèi)土體卸荷及坑外施工荷載的影響，本文的數(shù)值計(jì)算僅考慮了回灌壓力的影響，因此二者的結(jié)果存在一定的差別。