基坑開挖前降水對圍護變形影響分析

羅 志 華

(1.上?？辈煸O計研究院(集團)有限公司， 上海 200093；2.上海巖土與地下空間綜合測試工程技術研究中心， 上海 200093；3.上海市巖土工程專業(yè)技術服務平臺， 上海 200093)

對高水位地區(qū)基坑工程項目，基坑圍護、截水帷幕、及降水井施工完后，往往預先進行降水試驗，以驗證基坑水位能否降至需求深度，或者檢測基坑圍護及截水帷幕是否發(fā)生滲漏。然而，大多數(shù)基坑圍護變形監(jiān)測是從基坑即將開挖前采集初值，開挖前預降水期間產生的圍護變形被清零處理。實際上，預降水期間由于坑內外土體水壓力發(fā)生變化，基坑圍護可能已產生一定初始變形。由于開挖前預降水期間圍護初始變形監(jiān)測案例較少[1-5]，目前大多數(shù)關于降水對圍護變形的影響研究[6-15]都是基于開挖后降水的案例，而開挖過程中降水，坑內水壓力和土壓力均發(fā)生減小，難以揭示單獨降水對圍護變形的影響規(guī)律。另外，現(xiàn)有規(guī)范[16]也沒有提出基坑開挖前降水對圍護變形影響的計算方法和控制措施。為此，首先基于開挖前降水試驗過程中進行了圍護變形監(jiān)測的工程案例，分析研究單獨降水過程對圍護變形的影響規(guī)律，然后開展三維流固耦合數(shù)值模擬分析，以揭示降水過程對基坑圍護變形的影響機理。

1 工程概況

上海某項目基坑呈矩形分布，長88 m，寬32 m，開挖深度約40 m，設計為地下五層結構。該項目所在區(qū)域主要由黏性土、粉性土和砂土組成，淺部26 m分布②～⑤1層黏性土層，下部分布厚約6 m～8 m的⑤3層粉質黏土和厚約8 m的⑤4層粉質黏土。⑦1層砂質粉土和⑦2層粉砂為第一承壓含水層，受古河道切割影響，層頂有一定起伏，⑦1層頂埋深39.2 m～40.0 m，⑦2層層頂埋深約41.2 m～44.8 m；⑧21層粉質黏土與粉砂互層為弱含水層，層頂埋深59.4 m～60.2 m，該層也具有承壓性；⑨層粉砂為第二承壓含水層，層頂埋深約77.8 m～80.3 m；層粉砂為第三承壓含水層，層頂埋深約100 m。實測第⑦層承壓含水層水位埋深為5.70 m～6.94 m，第⑧21層承壓含水層水位埋深約5.7 m，第⑨層承壓含水層水位埋深約5.3 m，第層承壓含水層水位埋深約6.4 m。

基坑采用明挖順作法施工，共設置9道水平混凝土支撐，部分支撐、立柱結合永久梁、柱設置。基坑底位于第⑦1層中，圍護形式采用厚1 200 mm、深86 m的地連墻，墻趾進入⑨層粉砂約6 m。外設深度為64 m的TRD止水帷幕，進入⑧21層粉質黏土與粉砂互層約4 m，TRD距地連墻約3 m～6 m?；釉O計平面見圖1，剖面圖見圖2。

圖1 基坑設計平面圖

圖2 基坑設計剖面圖

2 降水井及監(jiān)測布置

2.1 降水井布置

根據(jù)地下水分層控制設計原則，基坑開挖面以上進行常規(guī)疏干，坑底以下各含水層進行降壓，降水井布置如表1所示，平面布置圖如圖3所示。

表1 降水井布置統(tǒng)計

2.2 圍護測斜監(jiān)測布置

基坑圍護共設置10個水平變形監(jiān)測點(測斜)，沿圍護均勻布置，編號為P01—P10,如圖3所示。

圖3 降水井及圍護測斜監(jiān)測布置平面圖

3 抽水試驗及結果分析

3.1 抽水試驗概況

(1) TRD與地連墻間⑦層單井抽水。2JG7-3出水量共計855 m3，⑦層觀測井水位變化如表3所示。由于TRD完全隔斷⑦層承壓水，從表中結果可以看出，坑外(TRD外)觀測井水位變化非常小，TRD止水效果較好。

表2 抽水試驗持續(xù)時間及試驗井

3.2 抽水試驗結果

基坑地連墻圍護和TRD止水帷幕完成后，于12月25日前完成第一道混凝土支撐施工，隨后共進行了5次抽水試驗，表2所示為各次抽水試驗持續(xù)時間及抽水的試驗井，同時基坑圍護測斜于1月4日采集監(jiān)測初值。

每年4月，則是學校的“閱讀月”，學校會借此大力倡導學生課外閱讀，并通過一系列行之有效的措施，提高學生課外閱讀的實效性，切實提高學生的閱讀能力，使學生在書籍的影響下健全人格，健康成長。4月23日是聯(lián)合國確定的“世界閱讀日”，也是學校的讀書節(jié)。從2008年至今，學校已開展了九屆讀書節(jié)活動。讀書節(jié)上，學校會評選出“閱讀明星班”和每個班的“閱讀之星”，校長會親自為獲獎的班級和個人頒發(fā)獎狀，鼓勵學生積極閱讀，熱愛閱讀。

基坑圍護水平變形云圖如圖9—圖11所示，圍護水平變形隨抽水工況變化曲線如圖12所示，坑內外水壓力變化如圖13所示。從分析結果可以看出，抽水試驗導致圍護水平變形規(guī)律與實測結果基本吻合，由于⑨層承壓水未被隔斷，地下水補給較快，坑內⑨層抽水對圍護變形影響較小?？觾瘸樗鹂觾人畨毫p小，而坑外(TRD外)水壓力幾乎不變，導致坑外土體向坑內發(fā)生位移，同時也可以看出，由于潛水疏干水位降深較大，對圍護的變形影響最大。

表3 TRD與地連墻間⑦層單井抽水后觀測井水位

(2) 坑內⑨層單井抽水?？觾?Y9-2平均出水量約210 m3/h，⑨層觀測井水位變化如表4所示，由于地連墻及TRD未隔斷⑨層承壓水，因此坑外⑨層觀測井水位有一定下降。

表4 坑內⑨層單井抽水后觀測井水位

傳統(tǒng)轉向架的驅動電機選用異步交流電機，但異步交流電機的輸出特性無法滿足輪對低轉速、高轉矩的特點，需通過傳動齒輪加以調整，從而引發(fā)驅動裝置重量增加、齒輪傳動噪聲和能量損耗等一系列問題。

表5 坑內⑦、⑧21層單井抽水后觀測井水位

圖4 坑內2G7-1和2YG8-1水位變化曲線

張清元自從去河壩子上教訓了那伙放牛娃以后，他就一直存有一個疑問。那些個壞小子們?yōu)樯兑烟菩∏坜粼诘厣蠐崤齑缴系哪穷w美人痣呢？這個疑問一直困繞了他好長時間。其實，張清元一直也在盤算著如何去捏弄一下那顆美人痣。張清元想捏弄是因為他見到唐小芹那顆美人痣后確實有一種說不清道不明的躁動。他仿佛將它看成了唐小芹的另一只眼睛。他見了這只眼，想看又不敢多瞧，像做賊樣的。所以，張清元盡量不去盯著唐小芹的那顆美人痣。

為更深入地研究基坑抽水試驗對基坑圍護水平變形的影響，采用MIDAS/GTS巖土工程數(shù)值分析軟件，結合實際施工及抽水試驗工況(見表7)，建立三維有限元模型，如圖7所示。土體本構采用修正-摩爾庫侖模型；基坑地連墻和TRD止水帷幕采用二維板單元模擬，同時添加不透水界面單元模擬土體接觸，為避免TRD對地連墻圍護變形的影響，TRD板單元不設置抗彎剛度，僅考慮截水效果?；又?、圍檁、立柱及立柱樁均按照基坑設計進行設置。由于滲流與土體應力變形為耦合關系，為充分評估抽水試驗結果，計算時采用滲流應力完全耦合控制方程。降水模擬采用節(jié)點流量邊界，按照承壓水抽水試驗時間及抽水流量、潛水疏干抽水流量設置節(jié)點流量和滲流時間(見圖8)。

(4) 坑內⑨層雙井抽水?？觾?Y9-2、2YB9-1開啟抽水后，2Y9-2平均出水量200 m3/h，2YB9-1平均出水量100 m3/h，抽水結束后各觀測井水位變化如表6所示，其中坑內2G9-1觀測井水位變化曲線如圖5所示。從結果可以看出，由于地連墻及TRD未隔斷⑨層，水位補給迅速，坑內水位下降緩慢，且恢復非?？?，坑外⑦、⑧21層水位影響較小。

表6 坑內⑨層雙井抽水后觀測井水位

圖5 坑內2G9-1水位變化曲線

3.3 基坑圍護測斜變形結果

抽水試驗過程中及結束后進行了基坑圍護測斜監(jiān)測，基坑長邊中心測點P07，以及短邊測點P10、P05測斜隨時間變化曲線如圖6所示。從圖中可以看出，第(1)次抽水試驗結束后(1月9日)，基坑圍護已開始向坑內發(fā)生水平變形，其主要原因是TRD與地連墻間⑦層被隔斷，抽水后TRD外水土壓力大于TRD內側水土壓力，進一步導致基坑圍護向坑內變形；第(4)次抽水試驗結束后(1月14/15日)，基坑長邊P07在40 m～70 m深度已發(fā)生明顯水平變形，最大約22 mm，形狀呈鼓肚形，短邊水平變形較長邊小，但呈現(xiàn)同樣的變形規(guī)律，其中變形較大的深度正好對應⑦、⑧21層，說明主要是由于坑內⑦、⑧21層被隔斷，抽水后水土壓力減小，導致基坑圍護向坑內變形；第(5)次疏干降水結束后(3月16日)，基坑圍護淺部發(fā)生較大水平變形，最大約53 mm，主要是由于坑內淺部土層被疏干后，不能補給恢復，坑內水土壓力減小，導致基坑圍護淺部向坑內發(fā)生較大變形。

4 有限元模擬分析

4.1 模型建立

(5) 潛水疏干降水。疏干井開啟前，初始水位埋深約2 m，開啟疏干井后，水位降至埋深20 m。

(3) 坑內⑦、⑧21層單井抽水?？觾?Y7-1平均出水量約5.9 m3/h，抽水結束后坑內外⑦、⑧21層觀測井水位變化如表5所示，其中坑內2G7-1和2YG8-1觀測井水位變化曲線如圖4所示。從結果可以看出，由于地連墻完全隔斷⑦、⑧21層，坑內水位下降較快，且恢復緩慢，坑外水位影響較小，說明地連墻隔水效果較好。

圖6 基坑圍護P07、P10、P05測斜變化曲線

表7 分析工況

圖7 三維有限元模型

圖8 基坑圍護及止水帷幕

4.2 計算結果分析

死記硬背，也許能在考試中取得好的成績，但是不經思考的記憶，遺忘速度也非?？?。課堂上，面對教師提出的問題，孩子們已經形成了一種思維定勢：反正老師最后會給出正確答案，自己只要記下來、背下來就行了，不用動腦子照樣可以拿高分。可是長此以往，他們的思維就會像困在籠中的小鳥，漸漸失去飛行的意識與能力。因此，我要想辦法幫助學生擺脫依賴情緒，改掉墨守成規(guī)的習慣，讓自由的天性、與生俱來的好奇心得到保護和發(fā)展。

圖9 TRD與地墻間⑦層單井抽水后地墻水平變形云圖

圖10 坑內⑨層雙井抽水后地墻水平變形云圖

圖11 坑內潛水疏干降水后地墻水平變形云圖

圖12 基坑圍護水平變形計算模擬曲線

圖13 坑內外水壓力計算模擬變化曲線

5 結 論

以某項目基坑開挖前抽水試驗為工程背景，對抽水試驗引起的基坑圍護變形結果進行了分析和數(shù)值模擬，得到抽水試驗對基坑圍護水平變形影響規(guī)律。主要結論包括：

(1) 含水層隔斷后降水迅速，水位恢復緩慢，同時坑內水壓力下降，進一步導致坑外土體向坑內位移，引起圍護水平變形。

綜上所述，胃癌骨轉移發(fā)生機率較小，一般是淋巴結、肝肺轉移合并骨外轉移，一旦發(fā)生骨轉移，預后極差，生存率僅為半年左右。因此對胃癌晚期患者要密切觀察，有效預防及治療骨轉移，對胃癌骨轉移灶進行及時有效的減癥治療，以期提高患者的生存率。

(2) 敞開式含水層降水時，水位下降緩慢，補給迅速，對圍護變形影響較小。

(3) 基坑支護前降深過大會引起基坑較大水平變形，因此對于周邊環(huán)境變形敏感的基坑工程，降水前應評估抽水對變形的影響。