沿海軟土地基深大基坑開挖施工降水數(shù)值模擬

朱成凱

0 引言

寧波市軌道交通2 號線二期工程紅聯(lián)站地下車站工程位于寧波市北侖區(qū)渡口路與江南東路交叉口，沿江南東路敷設，跨渡口路，是遠期規(guī)劃6 號線與2 號線的“T”型換乘站站點。紅聯(lián)站地下車站為地下三層雙柱三跨（局部單柱雙跨）箱型混凝土結(jié)構(gòu)，車站總長376.00m，頂板覆土厚度約2.60～3.25m。地下車站工程換乘節(jié)點以西為C 基坑，換乘節(jié)點以東為D 基坑。C 基坑標準段寬21.2m，深24.34，端頭井寬約26.7m，深約25.86～26.66m，基坑長分別為221.25m。地下車站工程C基坑支護采用地連墻（1 000mm 厚）+內(nèi)支撐的型式，地下連續(xù)墻標準段深53m，入土比約1.1，南端頭井地連墻深約55m，北端頭井深約48m。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)條件

紅聯(lián)站地基土共劃分為9 個工程地質(zhì)層組，19 個工程地質(zhì)亞層。由于本文以C 基坑為例進行模擬分析，此處詳細介紹層頂標高-44.24～-29.65m 及以上的地質(zhì)資料。

①層：雜填土，松散，主要由碎石、塊石及黏性土組成，土質(zhì)均一性差，層厚為1.00～2.80m，平均厚度為1.92m。①層：黏土，灰黃色，以黏土為主，部分為粉質(zhì)黏土；平均厚度為1.55m。①層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰色，土質(zhì)均勻，平均厚度為2.45m。②層：淤泥，灰色，流塑，含少量貝殼碎屑，物理力學性質(zhì)極差，平均厚度為9.15m。②層：淤泥質(zhì)黏土，灰色，流塑，土質(zhì)較均勻，平均厚度為6.73m。④層：黏土，具高壓縮性，平均厚度為10.62m。⑤層：粉質(zhì)黏土，平均厚度為7.55m。⑤層：黏質(zhì)粉土，具中等壓縮性，層頂標高-44.24～-29.65m，層厚0.70～6.20m，平均厚度為2.47m。

1.2 水文條件

紅聯(lián)站C 基坑場地內(nèi)埋藏分布有深部第I 含水層組（Q）、第II 含水層組（Q）孔隙承壓含水層，其中第I 含水層組又分為I和I承壓水。

第I層孔隙承壓水主要賦存于⑤層黏質(zhì)粉土、⑥層粉砂中。第I層孔隙承壓水賦存于⑧層細砂、⑧層礫砂中。⑧層細砂、⑧層礫砂透水性好，水位埋深為2.00～2.10m，相應標高為0.70～0.80m，本場地⑧層細砂、⑧層礫砂僅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 有限元三維模型

三維滲流分析采用Midas 公司的GTS NX 軟件。有限元計算模型根據(jù)地質(zhì)剖面圖建立，由于地層分布較復雜，對模型中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行了適當?shù)母呕?。模型依?jù)降水井設計剖面揭露的地層建立，對②層以下的黏土、粉質(zhì)黏土等不透水層合并為黏土質(zhì)隔水層，將細砂和礫砂層合并為砂礫層。模型以C基坑為主要研究對象，包含了A 基坑的一部分。模型以沿基坑軸線指向東北方向為X 軸正向，垂直基坑軸線指向西北方向為Y 軸正向，豎直向上為Z 軸正向。X 向范圍取600m，Y 向范圍取400m，Z 向自-95m 取至地表。模型共包括55218 個節(jié)點，101682 個單元。整體模型計算網(wǎng)格圖見圖1。

圖1 C 基坑整體模型計算網(wǎng)格圖

根據(jù)降水設計方案，C 基坑端頭井區(qū)域加深地下連續(xù)墻，墻底標高-62.0m，穿透承壓水層，其余部分地下連續(xù)墻墻底標高-51m。利用承壓降水井降壓，端頭井區(qū)域水位降深7.35 m，其余部位降深5.0m。在端頭井區(qū)域布置有5 個降壓井，其余部分共布置8 個降壓井。地下連續(xù)墻有限元模型網(wǎng)格見圖2。

圖2 C 基坑地下連續(xù)墻模型計算網(wǎng)格圖

2.2 計算參數(shù)

基坑降水及沉降分析方法為流固耦合分析，涉及土體的力學計算參數(shù)和滲流計算參數(shù)。根據(jù)地質(zhì)資料和類似工程經(jīng)驗，滲透系數(shù)取值1.2×10cm/s，其他參數(shù)詳見表1。

表1 C 基坑及周邊巖土體力學參數(shù)取值表

3 有限元模擬分析

3.1 基坑降水分析

根據(jù)基坑及周邊地質(zhì)情況，⑧層（⑧層）承壓含水層水位埋深2.00～2.10m，標高0.70～0.80m，本次分析定義砂礫層承壓水初始總水頭為0.8m。根據(jù)設計資料，端頭井區(qū)域設計降深為7.35m，其他區(qū)域設計降深為5.00m。為分析C 基坑在不同降水深度下抽水量的變化，計算模擬了降水深度從1～7.35m，8 種不同降深，不同降深下排水井的抽水量見表2。

表2 不同降水深度排水井井流量表

三維有限元模擬計算結(jié)果中提取基坑軸線剖面、端頭井橫剖面（第三口排水井所在剖面，樁號K36+544）、其余部分橫剖面（樁號K36+624）三個剖面及整體的計算結(jié)果進行分析，以降水5m 深為例進行說明，詳見圖3～6。

圖3 水位降深5m 模型總水頭等勢線圖

圖4 水位降深5m 基坑軸線剖面總水頭等勢線圖

圖5 水位降深5m 端頭井橫剖面（K36+544）總水頭等勢線圖

圖6 水位降深5m 橫剖面（K36+624）總水頭等勢線圖

由計算結(jié)果可知，各降水深度下，基坑土體的等勢線分布規(guī)律一致，基坑區(qū)域水頭基本降至設計水位。從排水井流量看，隨著降水深度的增加，端頭井區(qū)域的5 個排水井排水量逐漸增加，由于地下連續(xù)墻深入基巖，完全隔斷了砂礫層的承壓水，所以排水井流量較小，達到最大降深7.35m 時，排水量為16.57m/d。一般區(qū)域由于砂礫層未被完全隔斷，在降水過程中不斷有地下水補給，排水井流量明顯高于端頭井區(qū)域，當降水在5m 以內(nèi)時，排水井流量逐步增大，在降水深度為5m 時，排水井流量為110.38m/d。之后當端頭井降水深度超過5m 后，由于砂礫石層中承壓水水位降低，一般區(qū)域的排水井流量開始變小，當端頭井區(qū)域降水達到預定深度后，一般區(qū)域的排水井流量為103.68m/d。

3.2 基坑變形分析

3.2.1 初始應力場計算

在計算基坑周邊沉降之前應首先計算初始應力場，由于模型地表和地層層面基本為水平，所以應力分布很均勻，最大主應力最大壓應力為-2.14MPa，最小主應力最大壓應力為-0.57MPa，最大拉應力為57kPa。應力分布圖如圖7～8 所示。

圖7 初始最大主應力分布圖

圖8 初始最小主應力分布圖

3.2.2 降水后基坑變形分析

降水后，由于有效應力的增加，土體產(chǎn)生附加沉降，本次分析針對設計降深7.35m 的情況進行流固耦合分析，應力計算結(jié)果見圖9～10，變形見圖11～14。

圖9 降水后最大主應力分布圖

圖10 降水后最小主應力分布圖

圖11 降水后基坑位移圖

圖12 降水后基坑軸線剖面變形示意圖

圖13 降水后端頭井橫剖面（K36+544）變形示意圖

圖14 降水后橫剖面（K36+624）變形示意圖

由計算結(jié)果看，降水后，整體的應力分布形式?jīng)]有明顯的變化，最大主應力和最小主應力同降水前變化較小，這是由于計算結(jié)果統(tǒng)計的是總應力，在降水過程中總應力水平變化不大，變形的產(chǎn)生是由于有效應力的增加。由變形計算結(jié)果可知，在現(xiàn)有的降水條件下，模型土體的變形規(guī)律是整體向下沉降，四周向基坑內(nèi)側(cè)變形，水平向最大變形約為3.7cm，豎直向最大變形約為8.1cm，整體最大變形為8.13cm。由剖面的變形分布情況可以看出，由于端頭井區(qū)域降水幅度較大，降水后變形最大值出現(xiàn)在這一區(qū)域的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中，基坑外側(cè)靠近地下連續(xù)墻的土體由于水位下降也比較明顯，最大沉降變形約為7cm。

4 結(jié)論

（1）按降水設計方案，C 基坑端頭井區(qū)域地下連續(xù)墻墻底標高-62.0m，穿透砂礫石層進入基巖，阻斷了外水補給，降水效果良好，達到設計要求的7.35m 降深時，排水量為16.57m/d，排水量較小，能夠滿足施工要求。

（2）C 基坑一般區(qū)域，雖然地下連續(xù)墻未隔斷砂礫石層，但含水層層厚較薄，降深只有5.0m，降水幅度不大，排水量最大為110.38m/d，能夠滿足施工要求。

（3）由于C 基坑位于軟土區(qū)域，地基土的模量較低，降水后因有效應力的增加而引起了一定范圍的沉降變形，變形最大點出現(xiàn)在沿基坑軸線方向地連墻外側(cè)的土體中，最大沉降為7.2cm，基坑內(nèi)土體的最大沉降為6.92cm，施工中應注意監(jiān)測周邊地表沉降，必要時采取回灌等措施。

（4）采用GTS NX 軟件建立三維有限元模型，基坑降水及沉降分析為流固耦合分析可滿足類似項目的分析需要，本項目參數(shù)選擇適當，可為類似項目的降水方案驗證和指導施工提供技術(shù)支撐。