深厚富水砂性地層深基坑開挖降水變形特性研究

張譽(yù)津, 劉俊城, 譚 勇

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院, 上海 200092)

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,城市化進(jìn)程不斷加快,交通擁堵和城市用地緊張等問題日益突出。作為解決上述問題的重要手段之一,地鐵軌道交通近年來得到了快速發(fā)展,目前城市中已建成或正在建設(shè)的地鐵車站深基坑數(shù)量也在迅速增加。深基坑施工往往會(huì)受到諸多復(fù)雜因素的影響,如地質(zhì)條件、圍護(hù)類型、降排水等[1-2]。其中,承壓含水層減壓降水是基坑工程施工期間引起地表沉降及鄰近建(構(gòu))筑物損害的重要因素[3-4]。已有研究表明,由于減壓降水導(dǎo)致含水層中形成水位降深漏斗,土層中有效應(yīng)力增加,土體發(fā)生固結(jié)壓縮變形[5-8],進(jìn)而引發(fā)坑外一定范圍內(nèi)的地面沉陷,甚至?xí)?dǎo)致基坑變形突增、圍護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等嚴(yán)重后果。因此,在地下水位高、滲透系數(shù)大、自穩(wěn)性差的深厚富水砂性地層開展深基坑開挖時(shí),尤其需要重視承壓水降水所造成的不利影響。

位于長(zhǎng)江三角洲北翼段的南通市,地表以下80 m范圍內(nèi)以粉土和砂土為主,地鐵車站深基坑開挖涉及到深厚富水砂性地層特殊地質(zhì)條件。由于含水層厚度過大,止水帷幕通常難以完全隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系,坑內(nèi)降水(尤其是承壓水降水)會(huì)引起坑外水位明顯下降,從而產(chǎn)生大規(guī)模的地表沉降。此外,在深厚富水砂性地層深基坑中若降水不當(dāng),極易發(fā)生流砂、管涌和坑底突涌等滲透破壞,從而引發(fā)支護(hù)體系失效及坑外地層塌陷,使鄰近建(構(gòu))筑物面臨極大的風(fēng)險(xiǎn)[9]。因此,非常有必要對(duì)深厚富水砂性地層深基坑變形特性展開深入研究,尤其是降水引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移及坑外地表沉降等重要變形規(guī)律。

由于經(jīng)驗(yàn)法和解析法在考慮復(fù)雜地層和邊界條件時(shí)的局限性,近年來數(shù)值分析方法被廣泛應(yīng)用于深基坑變形的相關(guān)研究中[10-14]。Zeng等[12]建立了流固耦合數(shù)值模型,開展一系列數(shù)值分析探究了不同降水條件下的坑外地表沉降分布規(guī)律,指出當(dāng)坑內(nèi)外水力聯(lián)通時(shí),坑內(nèi)降水會(huì)同時(shí)引起坑外水位下降和圍護(hù)墻側(cè)向變形,二者均會(huì)產(chǎn)生坑外地面沉降。然而,既有研究[5-7, 12-14]主要聚焦于軟黏土地層或軟黏土弱透水層/砂土含水層相互交替復(fù)雜地層(如上海、天津等地)深基坑開挖降水引起的總體變形規(guī)律,而對(duì)于砂層厚度非常大、地下水位高的深厚富水砂性地層(如南通等地)的相關(guān)研究則非常少,并且鮮有對(duì)深基坑施工全過程各階段降水及土方開挖對(duì)基坑變形的貢獻(xiàn)程度展開深入探討。基于此,本文結(jié)合南通某地鐵車站深基坑實(shí)例,建立三維有限元流固耦合數(shù)值模型,分析坑內(nèi)降水和土方開挖期間累計(jì)變形特性,并進(jìn)一步分析各施工階段降水和開挖對(duì)深基坑變形的影響程度。通過總結(jié)深厚富水砂性地層基坑開挖降水變形特征,為類似特殊地層條件下深基坑工程施工和設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑概況

某車站位于南通市人民中路與環(huán)城東路交叉口,沿人民中路東西向布置,車站為13 m島式站臺(tái)地下3層車站,車站凈長(zhǎng)162.5 m、凈寬23.1 m。標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為25.9 m,西端頭井開挖深度為27.4 m,東端頭井開挖深度為28.6 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系,基坑各段圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況如下。

標(biāo)準(zhǔn)段采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻,墻深約49 m,設(shè)置7道支撐+1道換撐。其中,第1道和第5道為混凝土支撐,第6道為φ800 mm(t=20 mm)鋼管支撐(φ為鋼支撐直徑,t為內(nèi)壁厚度),其余支撐均為φ609 mm(t=16 mm)鋼管支撐。西端頭井和東端頭井采用1 200 mm厚地下連續(xù)墻,墻深約54 m,設(shè)置8道支撐+1道換撐。其中,第1道和第5道為混凝土支撐,第6道和第7道為φ800 mm鋼管支撐,其余支撐均為φ609 mm鋼管支撐?；訕?biāo)準(zhǔn)段橫剖面圖如圖1所示。基坑監(jiān)測(cè)平面示意圖如圖2所示。

圖1 基坑標(biāo)準(zhǔn)段橫剖面圖(單位: m)

圖2 基坑監(jiān)測(cè)平面示意圖

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

擬建車站場(chǎng)址土體類型復(fù)雜,性質(zhì)差異較大,地層從下更新世至全新世均有發(fā)育,成因類型較多,主要有河流相、河海相等。車站主體基坑坑底位于④-2～④-2t層,開挖深度內(nèi)以砂性土層為主,依次為①層填土、②層砂質(zhì)粉土、③-1層粉砂夾粉土、③-2層粉砂、④-2層粉質(zhì)黏土夾粉土; 開挖面以下依次為④-2t層粉質(zhì)黏土夾粉土、⑤-1層粉砂夾粉土、⑤-t層粉質(zhì)黏土夾粉土、⑤-3層粉砂夾粉土、⑥層粉砂。標(biāo)準(zhǔn)段和端頭井地下連續(xù)墻墻趾均插入⑤-3層粉砂夾粉土。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)勘察及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果[15],確定水文地質(zhì)參數(shù)和沉降有關(guān)參數(shù)。場(chǎng)址土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 場(chǎng)址土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

潛水主要賦存于淺部粉土、粉砂和填土層中,含水層厚度大,含水量豐富。第Ⅰ承壓含水層一般賦存于④-2t層和⑤-1層,第Ⅱ承壓含水層一般賦存于⑤-2層、⑤-3層和⑥層。④-2層和⑤-t層為相對(duì)隔水層,但其厚度較薄并夾雜粉土,導(dǎo)致承壓水與上部潛水存在一定水力聯(lián)系。場(chǎng)地潛水水位埋深2.7 m,相應(yīng)水位標(biāo)高為+3.41 m; ④-2t層承壓水水位埋深4 m,相應(yīng)水位標(biāo)高為+2.11 m; ⑤-2層承壓水水位埋深4.3 m,相應(yīng)水位標(biāo)高為+1.81 m。

2 有限元數(shù)值模擬分析

2.1 流固耦合理論及其模擬

在基坑降水過程中,局部地下水的滲流條件發(fā)生改變,形成人工干擾下的地下水滲流場(chǎng),從而影響周圍土體的穩(wěn)定性。本文的三維流固耦合模型采用Biot固結(jié)理論[16],將土體變形方程與滲流方程相結(jié)合,并考慮地下水滲流與土體變形的動(dòng)態(tài)變化及相互影響。其中,三維Biot固結(jié)方程及三維滲流連續(xù)方程分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

通過式(1)和式(2)的聯(lián)立求解,可以得到求解域內(nèi)的土體變形和滲流結(jié)果。本文利用Midas GTS NX軟件中的“應(yīng)力-滲流-邊坡”耦合分析模塊進(jìn)行基坑開挖降水的相關(guān)模擬,分析中主要考慮了地下水滲流對(duì)應(yīng)力及變形的影響。

2.2 建立數(shù)值模型

利用有限元軟件Midas GTS NX對(duì)該地鐵車站建立三維流固耦合精細(xì)化模型,進(jìn)行基坑開挖降水(含潛水和承壓水降水)全過程模擬。Ou等[17]、Hsieh等[18]認(rèn)為坑外地表沉降影響區(qū)范圍為4He(He為最終開挖深度),其中主、次影響區(qū)范圍均為2He,故選用超過4倍基坑開挖深度(120 m)和超過2倍立柱樁深度(80 m)分別作為主體模型水平向和豎直向的邊界尺寸。主體模型尺寸為410 m×260 m×80 m(長(zhǎng)×寬×高),模型網(wǎng)格單元數(shù)為287 173個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)為191 176個(gè),如圖3(a)所示。此外,為真實(shí)模擬基坑深部承壓水降水影響,結(jié)合場(chǎng)址現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)報(bào)告中承壓含水層抽水估算影響范圍建立外擴(kuò)模型,整體模型尺寸為748 m×610 m×80 m(長(zhǎng)×寬×高),如圖3(b)所示。結(jié)構(gòu)單元服從彈性本構(gòu)模型,其中,實(shí)體單元用于模擬地下連續(xù)墻,梁?jiǎn)卧糜谀M立柱、支撐、冠梁、腰梁等構(gòu)件,結(jié)構(gòu)具體參數(shù)見表2(本文依托的工程項(xiàng)目及所建立的數(shù)值模型中,立柱樁兼作抗拔樁,并未單獨(dú)設(shè)置抗拔樁)。土體的本構(gòu)模型選用了Midas GTS NX軟件內(nèi)置的Hardening-Soil本構(gòu)模型(HS模型),土體強(qiáng)度參數(shù)選取表1中的固結(jié)快剪值c、φ,其他模型所需參數(shù)基于文獻(xiàn)[19-21]已有的取值經(jīng)驗(yàn),再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過不斷試算獲取,見表3。其中,各土層厚度及層底埋深按照?qǐng)鲋贩秶鷥?nèi)各地質(zhì)鉆孔土層埋深的平均值進(jìn)行選取。

表2 圍護(hù)與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 各土層硬化土體模型主要參數(shù)

(a) 主體模型

2.3 模型主要邊界條件和計(jì)算假定

1)本模型應(yīng)力邊界條件按照以下方式設(shè)置: 地表無約束,模型底部邊界采用固定約束,模型側(cè)邊界僅設(shè)置水平向約束。

2)假設(shè)流場(chǎng)為穩(wěn)定滲流,模型水力邊界按照以下方式設(shè)置: 在整體模型表面及側(cè)面設(shè)置節(jié)點(diǎn)水頭來模擬整體水力邊界; 在基坑內(nèi)外相應(yīng)深度處土體網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)設(shè)置水頭條件來模擬各階段深基坑降水邊界。

3)假設(shè)各地層在空間范圍內(nèi)厚度一致,各土層均質(zhì)、各向同性。

4)潛水按需求降至每次開挖面以下3.0 m處(其中最后一次開挖降至坑底以下1.0 m處),承壓水則根據(jù)抗突涌計(jì)算結(jié)果進(jìn)行按需降壓。

2.4 驗(yàn)證數(shù)值模型

為確保參數(shù)選取的合理性和數(shù)值模型的準(zhǔn)確性,將地下連續(xù)墻側(cè)向變形和坑外地表沉降的計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,分別如圖4和圖5(a)所示?？梢?圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值在各施工階段的變形發(fā)展規(guī)律基本一致,且側(cè)移最大值(約87 mm)及其所在墻深位置也較為接近;坑外最大地表沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值也基本一致(約45 mm),且出現(xiàn)位置較為接近。綜上,本數(shù)值模型參數(shù)選取較為合理,模型計(jì)算準(zhǔn)確度較高,可用于后續(xù)的深入分析。

圖4 CX14測(cè)點(diǎn)地下連續(xù)墻側(cè)移對(duì)比圖

(a) 坑外地表沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖5(b)為歸一化地面沉降δv/δvm與距離比D/He之間的關(guān)系。由圖5(b)可知,Clough等[22]基于砂土地層得到的沉降分布包絡(luò)線會(huì)明顯低估深厚富水砂性地層基坑施工引起的地表沉降影響范圍; 而Hashash等[23]基于軟土地層得到的沉降分布包絡(luò)線則會(huì)明顯高估深厚富水砂性地層基坑施工引起的地表沉降量,并在一定程度上低估地表沉降影響范圍。因此,上述學(xué)者基于砂土和軟土地層得到的地表沉降包絡(luò)線難以直接用于深厚富水砂性地層地表沉降變形規(guī)律的估算,所以,非常有必要對(duì)該特殊地層基坑開挖降水引起的地層變形分布和發(fā)展規(guī)律展開進(jìn)一步研究。

3 富水砂性地層深基坑變形特性分析

3.1 確定深基坑概化模型

基于第2節(jié)已驗(yàn)證的數(shù)值模型及合理參數(shù),為便于探究深厚富水砂性地層深基坑變形特性,建立了深基坑概化模型,為典型的狹長(zhǎng)形基坑,基坑尺寸為160 m×24 m×30 m(長(zhǎng)×寬×深),模型地層分布條件和圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖6所示。選用6倍基坑開挖深度(180 m)和超過2倍立柱樁深度(80 m)分別作為主體模型水平向和豎直向的邊界尺寸(模型邊界條件與第2.2節(jié)一致),概化數(shù)值主體模型如圖7所示,主體模型尺寸為520 m×384 m×80 m(長(zhǎng)×寬×高),網(wǎng)格單元數(shù)為382 687個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)為256 497個(gè)。

圖6 深基坑概化模型剖面示意圖(單位: m)

圖7 深基坑概化模型示意圖

本深基坑概化模型共有9個(gè)施工模擬階段,各施工階段分別包括1個(gè)降水階段和1個(gè)土方開挖階段,遵循基坑現(xiàn)場(chǎng)施工順序,即先降水后開挖。各階段潛水按需求降至每次開挖面以下3.0 m處(其中最后一次開挖降至坑底以下1.0 m處)。根據(jù)基坑承壓水抗突涌驗(yàn)算結(jié)果,本模型需在第4—7施工階段進(jìn)行第I承壓含水層降壓,共計(jì)4次,由于第8—9施工階段期間,第Ⅰ承壓含水層已揭露,因此合并至潛水降水; 在第7—9施工階段進(jìn)行第Ⅱ承壓含水層降壓,共計(jì)3次。各施工階段降水工況見表4。此外,為便于后續(xù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行討論,對(duì)相關(guān)概念進(jìn)行定義: 施工x為對(duì)第x層土進(jìn)行施工; 降水x為施工x中的降水階段; 開挖x為施工x的土方開挖階段。

表4 各施工階段降水工況

3.2 地下連續(xù)墻側(cè)向變形

通過對(duì)上述概化模型進(jìn)行基坑施工全過程模擬運(yùn)算,得到各施工階段墻體側(cè)向位移變化發(fā)展規(guī)律,如圖8所示。隨著開挖深度的增加,墻體側(cè)移逐漸增大,坑外深層土體受擾動(dòng)影響范圍逐漸向下擴(kuò)展,墻體最大側(cè)移所在墻體深度也由開挖面以下發(fā)展到開挖面附近。這主要是由于土體開挖卸荷及坑內(nèi)降水導(dǎo)致坑內(nèi)外存在水土壓力差,基坑持續(xù)施工導(dǎo)致該壓力差不斷增大,在此作用下地下連續(xù)墻側(cè)移逐漸發(fā)展,并且當(dāng)開挖深度較大時(shí),墻體側(cè)移增長(zhǎng)會(huì)更加明顯。此外,值得注意的是基坑開挖前的降水Ⅰ階段施工引起的墻體側(cè)向變形量相較其他降水階段更為顯著,且墻頂位置變形量最大,這與曾超峰等[8,12]的結(jié)論一致。該現(xiàn)象主要是由于開挖前基坑首道支撐并未架設(shè),坑內(nèi)降水導(dǎo)致墻體兩側(cè)存在明顯的水壓差,因此,墻體產(chǎn)生較為明顯的側(cè)向變形。當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí),最大側(cè)移量達(dá)到106 mm,位于開挖面以上2 m位置。

圖8 各施工階段墻體側(cè)移

各施工階段墻體側(cè)移最值增量如表5所示。結(jié)合圖8及表5,通過對(duì)比各施工階段基坑降水和土方開挖期間墻體側(cè)移發(fā)展情況,發(fā)現(xiàn)基坑降水引起的墻體最大側(cè)移增量占各施工階段最大側(cè)移增量的20%～40%。其中,第7施工階段占比最大,這是由于該施工階段需同時(shí)進(jìn)行潛水層降水、第Ⅰ和第Ⅱ承壓含水層降水。此時(shí),坑內(nèi)外水頭差顯著增大,進(jìn)而導(dǎo)致坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)抗力顯著減小,因此,墻體向坑內(nèi)出現(xiàn)更大的側(cè)向變形。

表5 各施工階段墻體側(cè)移最值增量

此外,為進(jìn)一步分析富水砂性地層深基坑開挖和降水期間累計(jì)地下連續(xù)墻側(cè)移變形特性以及開挖和降水的貢獻(xiàn)程度,將9個(gè)降水階段與9個(gè)開挖階段引起的墻體側(cè)移增量分別進(jìn)行累加,見圖9?？梢?降水和開挖引起的地下連續(xù)墻累計(jì)側(cè)向變形均呈典型的“鼓肚狀”,在15～40 m深度內(nèi)開挖引起的墻體側(cè)向變形占主導(dǎo)。其中,以地下連續(xù)墻30 m深度處為例,降水貢獻(xiàn)占比約33%,而開挖貢獻(xiàn)占比約67%。在地下連續(xù)墻0～15 m和40～60 m深度內(nèi),降水與開挖引起的地下連續(xù)墻側(cè)移累計(jì)增量基本一致,即貢獻(xiàn)程度相近。

圖9 施工期間降水與開挖引起的地下連續(xù)墻側(cè)移累計(jì)變形

3.3 坑外地表沉降

由于富水砂性地層含水層厚度過大,地下連續(xù)墻無法完全隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系,坑內(nèi)降水(尤其是承壓水降水)會(huì)引起坑外水位下降,上部土層有效應(yīng)力增大,進(jìn)而發(fā)生固結(jié)沉降。各施工階段坑外地表沉降如圖10所示?？梢?隨著開挖深度的增加,地表沉降量逐步增大,最大沉降量位置與基坑邊距離逐漸增大,坑外沉降影響范圍也不斷向外擴(kuò)展。其中,在第9施工階段,基坑施工引起的坑外影響范圍甚至可達(dá)180 m,即6He。各施工階段地表沉降最值增量如表6所示。通過對(duì)比各施工階段基坑降水和土方開挖期間坑外地表沉降發(fā)展情況,發(fā)現(xiàn)基坑降水引起的墻體最大側(cè)移增量占各施工階段最大側(cè)移增量的20%～60%。其中,與墻體側(cè)移發(fā)展規(guī)律類似,在第7施工階段由于同時(shí)進(jìn)行了潛水和承壓水降水,占比達(dá)到最大。上述結(jié)果表明,由于不同施工階段降水方式的差異,相應(yīng)降水階段引起的坑外地表沉降增量也有所不同。因此,有必要對(duì)各個(gè)階段降水和土方開挖引起的坑外地表沉降增量情況進(jìn)行進(jìn)一步討論。

表6 各施工階段地表沉降最值增量

圖10 各施工階段坑外地表沉降

各降水階段坑外地表沉降增量如圖11所示。由圖11可知: 1)第1—3降水階段引起的地表沉降影響范圍較小,僅約40 m; 2)相較于前3個(gè)降水階段,第4—6降水階段引起的地表沉降影響范圍明顯增大,可達(dá)100 m左右,主要是由于這3個(gè)階段除進(jìn)行潛水降水外,還需進(jìn)行第Ⅰ承壓含水層減壓降水,所以引起更明顯的水位下降; 3)相較于前6個(gè)降水階段,第7—9降水階段引起的地表沉降影響范圍進(jìn)一步增大,甚至發(fā)展至坑外180 m以上,這是由于自第7降水階段開始需進(jìn)行第Ⅱ承壓含水層減壓降水,降水漏斗影響范圍進(jìn)一步增大。第6—9降水階段坑外第Ⅱ承壓含水層頂部水位變化見圖12(由于止水帷幕隔斷了坑內(nèi)外潛水以及第Ⅰ承壓含水層的聯(lián)系,施工期間坑外潛水和第Ⅰ承壓含水層無明顯的水位降深,故此處僅對(duì)第Ⅱ承壓含水層水位降深展開分析)。綜上可得,在深厚富水砂性地層中,坑內(nèi)減壓降水引起的坑外地表沉降影響范圍明顯大于潛水降水,這是由于止水帷幕未能完全隔斷第Ⅱ承壓含水層范圍內(nèi)坑內(nèi)外的水力聯(lián)系,因此,坑內(nèi)減壓降水引發(fā)坑外大范圍的水位下降,土體進(jìn)而產(chǎn)生固結(jié)壓縮沉降,坑外地表沉降影響范圍甚至可達(dá)180 m以上。

圖11 各降水階段坑外地表沉降增量

圖12 第6—9降水階段坑外地下水降深分布

各土方開挖階段引起的坑外地表沉降增量如圖13所示?？梢?土方開挖造成的地表沉降影響范圍主要在90 m內(nèi),遠(yuǎn)小于坑內(nèi)降水引起的影響范圍。因此,在90～180 m內(nèi)的地表沉降主要是由于第Ⅱ承壓含水層減壓降水引起的。第7施工階段開挖降水引起的坑外地表沉降增量如圖14所示?？梢钥闯? 1)潛水降水影響較小; 2)第Ⅰ承壓含水層降水引起的地表沉降與土方開挖相當(dāng),影響范圍主要為90 m; 3)第Ⅱ承壓含水層降水在90～180 m產(chǎn)生了較為明顯的沉降。這進(jìn)一步證實(shí)了富水砂性地層第Ⅱ承壓含水層減壓降水是坑外地表沉降范圍較大的重要影響因素,因此,施工時(shí)需盡可能降低其帶來的不利影響。

圖13 各土方開挖階段引起的坑外地表沉降增量

圖14 第7施工階段開挖降水引起的坑外地表沉降增量

此外,為進(jìn)一步分析富水砂性地層深基坑開挖和降水期間累計(jì)地表沉降變形特性以及開挖和降水的貢獻(xiàn)程度,將9個(gè)降水階段與9個(gè)開挖階段引起的坑外地表沉降增量分別進(jìn)行累加,如圖15所示?？梢?降水與開挖引起坑外地表沉降累計(jì)增量最大值均位于距基坑邊約18 m處,其中,降水貢獻(xiàn)占比約為42%,開挖貢獻(xiàn)占比約為58%; 而在距基坑邊90 m(He)以外,降水沉降增量甚至可以達(dá)到100%。

圖15 施工期間降水與開挖引起地表沉降累計(jì)變形

3.4 坑底隆起及深層土體位移

由于坑內(nèi)土體開挖,開挖面以上土體的自重應(yīng)力被釋放,導(dǎo)致坑底土體發(fā)生卸荷回彈。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的約束下,基坑墻側(cè)位置隆起量最小,而基坑中部區(qū)域隆起量最大,呈現(xiàn)“上凸型”[24-25]的分布模式?；痈魇┕るA段引起的開挖面隆起變形如圖16所示(選取自各施工階段深基坑跨中開挖面的隆起變形情況),典型施工階段坑底隆起變形云圖如圖17所示。由圖16可知: 隨著開挖深度的增加,坑底隆起變形由單峰“上凸型”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰“上凸型”; 當(dāng)進(jìn)行第9施工階段時(shí),坑底隆起變形量達(dá)到最大值156.96 mm。

圖16 各施工階段引起的開挖面隆起變形

(a) 第3施工階段

此外,為進(jìn)一步分析施工期間立柱回彈變形發(fā)展規(guī)律,本文選取基坑跨中附近2個(gè)典型的立柱作為分析對(duì)象,即LZ-1和LZ-2,具體位置見圖17(a)。各施工階段立柱回彈變形發(fā)展圖如圖18所示。由圖18可知: 與坑底隆起變形規(guī)律類似,回彈量隨開挖深度的增加而增加,并且始終顯著小于對(duì)應(yīng)施工階段基坑跨中開挖面隆起量,這表明立柱能夠明顯降低坑底隆起變形; 第6—9施工階段期間,立柱回彈量增長(zhǎng)速率顯著降低,這表明該期間立柱起到了更明顯的坑底回彈約束作用。結(jié)合圖16可知,坑底變形模式在第6—9施工階段期間由單峰轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰,這進(jìn)一步證實(shí)了坑底立柱在開挖深度較大時(shí)其抗隆起效果更為明顯的結(jié)論。

圖18 各施工階段立柱回彈變形發(fā)展圖

圖19為基坑開挖至坑底時(shí)(即He=30 m)墻后土體位移分布矢量圖,圖20為不同埋深處墻后深層土體沉降變形圖。可見,由于坑內(nèi)開挖卸荷,墻體在主動(dòng)區(qū)水土合力作用下向坑內(nèi)產(chǎn)生一定側(cè)向變形。其中,對(duì)于鄰近墻體的地層而言,位于開挖面以上的坑外土體主要呈現(xiàn)朝坑內(nèi)斜向下變形的發(fā)展趨勢(shì); 位于開挖面及以下的坑外土體,則主要呈現(xiàn)朝坑內(nèi)斜向上變形的發(fā)展趨勢(shì)。

圖19 墻后土體位移分布矢量圖(單位: m)

圖20 不同埋深處墻后深層土體沉降變形圖

4 結(jié)論與討論

本文借助三維流固耦合數(shù)值軟件對(duì)深厚富水砂性地層深基坑開挖降水引起的變形特性進(jìn)行分析,總結(jié)了土方開挖和坑內(nèi)降水對(duì)墻體側(cè)移和地表沉降變形的貢獻(xiàn)程度分布規(guī)律,主要結(jié)論如下。

1)深厚富水砂性地層開挖前降水會(huì)引起明顯的墻體側(cè)移與地表沉降變形,而后續(xù)各施工階段僅由降水引起的墻體最大側(cè)移增量和地表最大沉降增量分別占其對(duì)應(yīng)階段總增量的20%～40%和20%～60%。其中,當(dāng)同時(shí)進(jìn)行潛水和第Ⅰ、Ⅱ承壓含水層降水時(shí),占比達(dá)到最大值。因此,需尤其重視深基坑承壓含水層降水期間的施工和變形監(jiān)測(cè)工作。

2)由于深厚富水砂性地層中止水帷幕無法隔斷第Ⅱ承壓含水層,坑內(nèi)降水會(huì)導(dǎo)致坑外水位顯著下降,地表沉降影響區(qū)可擴(kuò)展到坑外180 m。其中,降水對(duì)坑外90～180 m的地表沉降貢獻(xiàn)程度將近100%。

3)對(duì)于狹長(zhǎng)形深基坑而言,抗拔樁對(duì)坑底隆起變形的約束作用隨開挖深度的增大而增大,且變形模式由單峰“上凸型”轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰“上凸型”。

4)本文僅對(duì)墻體側(cè)移和地表沉降2個(gè)指標(biāo)展開探討,但實(shí)際工程同樣非常關(guān)心深基坑鄰近建(構(gòu))筑物的損害情況,后續(xù)可在本文基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展富水砂性地層深基坑開挖降水對(duì)鄰近敏感建(構(gòu))筑物的影響研究。