工程降水引起基坑及土體變形的規(guī)律

唐 鈴，崔向軍，宗 麗

(四川省冶勘設(shè)計集團有限公司，成都 610000)

1 概 述

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的城市化進程發(fā)展十分迅速，這導(dǎo)致城市土地資源匱乏，從而越來越多的大型建筑出現(xiàn)，建筑也向著更高趨勢發(fā)展。隨著土地的開發(fā)，越來多的基坑工程涌現(xiàn)，這其中有很多深基坑?；咏邓臅r長也隨著基坑開挖深度的增加而加長，承壓水對基坑工程的影響也更加顯著。

國外學(xué)者很早就對地下水運動規(guī)律展開一系列的研究，并取得了豐碩的成果，為地下水運動理論奠定了堅實的基礎(chǔ)[1-3]。近年來，由于地下水處理不當(dāng)而導(dǎo)致基坑事故，因此國內(nèi)學(xué)者將研究重點放在基坑降水的影響上。張蓮花[4]基于總應(yīng)力變化理論求解有效應(yīng)力增量，同時考慮降水影響，獲得了解析解。謝康和等[5]基于一維固結(jié)理論，獲得了基坑周邊土體變形規(guī)律，并給出了基坑降水引起地表沉降的解析方法。馮曉臘等[6]通過有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析了基坑降水過程，研究結(jié)果表明數(shù)值手段可以很好地探究基坑降水過程。李琳[7]通過數(shù)值手段研究了基坑降水引起的周邊地表和建筑物的影響，分析了降水深度等敏感參數(shù)對沉降的影響，并獲得地表沉降規(guī)律。凌俊峰[8]對某實際工程進行研究，分析了降水井井點深度、滲透系數(shù)等敏感參數(shù)的影響。本文基于某基坑工程，對基坑降水的影響進行研究，研究結(jié)論對于今后類似工程具有重要的參考和借鑒價值。

2 工程概況

某擬建建筑東側(cè)為學(xué)校辦公樓，南側(cè)為3棟居民樓和1個公共建筑。建筑物地上27層，地下共3層，工程總建造面積156 581 m2。其基坑深度為11 m，基坑采用雙排樁+內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)。

根據(jù)現(xiàn)場探勘和試驗，表1給出了土層條件及相關(guān)參數(shù)。潛水水位埋深約為0.8～2.9 m，第一、第二、第三承壓層水位埋深分別為3.26、4.12和5 m。

表1 土層參數(shù)

3 三維數(shù)值模型

3.1 有限元模型的建立

模型整體尺寸為200 m×120 m×80 m?；由疃葹?1 m，基坑支護采用雙排樁+內(nèi)支撐聯(lián)合支護。模型示意圖見圖1?；又胁贾萌沤邓?。

圖1 模型示意圖

3.2 計算參數(shù)

土層采用修正劍橋本構(gòu)模型，土體修正劍橋模型參數(shù)見表2。表2中，K0為土體側(cè)壓力系數(shù)，KH為土體水平向滲透系數(shù)，KV為土體豎直向滲透系數(shù)，ecs為參考壓力(取單位壓力)下土體的臨界狀態(tài)孔隙比，λ為劍橋模型壓縮系數(shù)，κ為劍橋模型回彈系數(shù)，M為臨界狀態(tài)應(yīng)力比。雙排樁和內(nèi)支撐的重度均為25 kN/m3，彈性模量均為30×106kPa、泊松比均為0.3。

表2 土層劍橋模型參數(shù)

4 計算結(jié)果分析

4.1 降壓時長的影響

因為土層沉積時間上的區(qū)別，地底下常常有多層承壓含水層，它們之間為弱透水層。潛水含水層補給第一承壓含水層，而地表水又直接補給潛水含水層，而第二承壓含水層受第一承壓含水層補給。所以不同層次的承壓含水層的補給條件有區(qū)別，這導(dǎo)致降壓后土體的變形規(guī)律也不一致。本節(jié)研究不同降壓時長的影響。對第二承壓含水層進行單井降壓，模擬時長200 d。

圖2為不同降壓時長下基坑?xùn)|北角P1降水井處土體沉降隨深度的變化曲線。從圖2中可以看出，不同降壓時長下土體沉降隨著深度緩慢增大，在深度約30 m處沉降達到峰值，隨后迅速減小，在深度50 m以后區(qū)趨于穩(wěn)定。土體發(fā)生沉降峰值的深度隨著降壓時長的增加緩慢上移，當(dāng)降壓時長超過20 d后達到穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生沉降峰值的位置在第一承壓含水層底板，而不是發(fā)生在地表處，這是由于補給條件的區(qū)別。

圖2 不同降壓時長下P1降水井處土體沉降曲線

圖3為不同降壓時長下P1降水井處孔隙水壓力隨深度的變化曲線。由圖3可知，第二承壓含水層進行單井降壓時，其上覆土層持續(xù)釋放水，孔隙水壓力持續(xù)變小，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)，即地下水向下滲流。對于第一承壓含水層而言，上次潛水層和遠處的補給速度超過了弱水層釋放水的速度，這導(dǎo)致第一承壓含水層的孔隙水壓力不會變小。

圖3 不同降壓時長下P1降水井處孔隙水壓力曲線

圖4為不同降壓時長下P1降水井處土體附加應(yīng)力曲線。由圖4可知，第二承壓含水層降壓到穩(wěn)定狀態(tài)后，第二承壓含水層內(nèi)的土體有較大的附加壓應(yīng)力，但緊鄰其范圍內(nèi)的土體有一定的附加拉應(yīng)力。該范圍之外的土體基本無附加應(yīng)力。

圖4 不同降壓時長下P1降水井處土體附加應(yīng)力曲線

4.2 土體滲透性的影響

4.2.1 承壓層上層弱透水層滲透性的影響

本節(jié)研究上層弱透水層不同滲透性的影響?；?.1節(jié)研究，對第二承壓含水層上部弱透水層的不同滲透系數(shù)進行模擬，選取6種滲透系數(shù)工況進行研究，即0.000 1、0.000 5、0.001、0.005、0.01和0.05 m/d(其他參數(shù)保持不變)。

圖5和圖6分別為第二承壓含水層降壓200 d后，不同滲透系數(shù)下P1降水井處土體沉降和孔隙水壓力曲線。由圖5和圖6可知，當(dāng)滲透系數(shù)為0.000 1、0.000 5和0.001 m/d時，3種工況下的土體變形和孔隙水壓力幾乎一致，可見該范圍內(nèi)的滲透系數(shù)變化對土體變形和孔隙水壓力無影響。這說明當(dāng)滲透系數(shù)不超過0.001 m/d時，第一承壓含水層底板隔水性很好。由圖5可以看出，土體沉降峰值發(fā)生在第一承壓含水層底板處。

圖5 不同滲透系數(shù)下P1降水井處土體沉降曲線(承壓層上層)

圖6 不同滲透系數(shù)下P1降水井處孔隙水壓力曲線(承壓層上層)

當(dāng)滲透系數(shù)超過0.001 m/d后，隨著滲透系數(shù)的增大，第一承壓含水層范圍內(nèi)土體變形和孔隙水壓力顯著增大，且沉降峰值位置逐步上移。這說明當(dāng)滲透系數(shù)超過0.001 m/d后，第一承壓含水層底板透水性能增大。但滲透系數(shù)的變化對第二承壓含水層及下部土體變形和孔隙水壓力無影響。

4.2.2 承壓層下層弱透水層滲透性的影響

本節(jié)研究下層弱透水層不同滲透性的影響?；?.1節(jié)研究，對第二承壓含水層上部弱透水層的不同滲透系數(shù)進行模擬，選取6種滲透系數(shù)工況進行研究，即0.000 1、0.000 5、0.001、0.005、0.01和0.05 m/d(其他參數(shù)保持不變)。

圖7和圖8分別為承壓層下層弱透水層不同滲透系數(shù)下P1降水井處土體沉降和孔隙水壓力曲線。由圖7和圖8可知，當(dāng)滲透系數(shù)在0.001 m/d范圍內(nèi)時，下面承壓層無水力聯(lián)系，隔水性能較好，此范圍各滲透系數(shù)下土體變形和孔隙水壓力基本無影響。由于第二承壓含水層因滲流力導(dǎo)致隆起，其峰值發(fā)生在弱透水層底板位置。當(dāng)滲透系數(shù)超過0.001 m/d時，弱透水層有較好的透水性，第二承壓含水層和第三承壓含水層有水力聯(lián)系。土體變形在整個土層隨著滲透系數(shù)的增大而整體增大，且第三承壓含水層中孔隙水壓力也因滲透系數(shù)的增大而減小。

圖7 不同滲透系數(shù)下P1降水井處土體沉降曲線(承壓層下層)

圖8 不同滲透系數(shù)下P1降水井處孔隙水壓力曲線(承壓層下層)

5 結(jié) 論

本文基于某基坑工程，利用PLAXIS3D有限元軟件建立三維模型，分析了基坑承壓水降水的影響，研究了補給條件和土層滲透性的影響，總結(jié)了土體變形和孔隙水壓力的規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1) 第二承壓含水層上部土體變形呈上部小、下部大的特點，第二承壓含水層發(fā)生沉降峰值的位置隨著降壓時長的增大逐漸上移。

2) 當(dāng)滲透系數(shù)不超過0.001 m/d時，透水層的隔水性較好，其土體變形和孔隙水壓力無影響。當(dāng)滲透系數(shù)超過0.001 m/d時，透水層表現(xiàn)出良好的透水性，土體變形和孔隙水壓力隨著滲透系數(shù)變化而顯著變化。