深基坑外回灌對地連墻變形影響的數值分析

周可璋 周浩 盧寧 何中聯 王偉

【摘要】以Biot方程為基礎，應用數值方法分析了深基坑外回灌對基坑圍護地連墻作用。以上海某深基坑回灌施工為例，驗證了計算的準確性。通過參數分析，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地連墻變形的影響。在數值分析的基礎上對城市密集區域深基坑外回灌施工提出了一些建議。

【關鍵詞】深基坑 回灌??地連墻 ?數值分析

1?引言

隨著城市建設的發展，建筑基坑施工規模和深度不斷增加，基坑降水引起的地面沉降及工程場地附近構筑物的變形引起了人們的關注。為了降低坑內降水的環境效應，通常采取坑外回灌的措施來減少坑外土體的沉降變形。但是目前國內對于坑外回灌系統的設計、施工還處于經驗摸索階段[1]。國內外對于地下水回灌的研究已有半個多世紀[7;?4]，關于回灌作用時自由場地下水的流場[6;?5]、地表回彈已有一定的理論[3]、試驗[2]成果。然而對于基坑工程施工過程中，回灌引起的超孔壓水頭對結構的影響還鮮有研究。受工程場地的限制，回灌井一般根據施工現場實際情況布置。已有工程經驗表明，回灌井工作過程中對基坑的圍護結構受力及坑內外水頭等均有明顯的影響。本文結合工程實例，從數值分析的角度，研究了回灌作業對基坑地連墻水平方向的變形的影響。

2?計算模型

2.1簡化分析模型介紹

結合工程施工實際情況，同時考慮到計算的簡便，本文采用平面應變假設分析了基坑圍護中部地連墻在回灌作用下的變形。計算模型簡化為圖1，假定基坑開3挖深度為D時開始坑外回灌，回灌井距離地連墻的距離d，由于回灌井較深，實際施工過程中很難保證將過濾器上部土體與鋼管之間的空隙充填密實，設該段松散體從地連墻底部開始的高度為h，本文考慮了其變化對地連墻變形的影響。

圖1平面簡化分析模型

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

在本文的算例中，基坑開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邊界條件，即

為回灌壓力。

COMSOL?Multiphysics是一款高級的大型數值仿真軟件，目前已經廣泛應用于聲學、生物、化學等領域的科學研究以及工程計算。COMSOL?Multiphysics是以有限元法為基礎，通過數值求解微分方程來實現用數學方法描述真實世界的物理現象，具有高效的計算性能和突出的多場耦合分析能力。而且，COMSOL?Multiphysics在非線性方程的求解上，較其它力學應用軟件更容易實現。本文即以COMSOL?Multiphysics為計算工具來計算方程組（1）、（2）、（3）在邊界條件（4）下的解。

2.3工程實例分析

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

場地內自地表面140.0m深度范圍內所揭露的土層，主要有軟弱的粘性土，粉性土和中密～密實的砂土組成，具有成層分布的特點。本場地內對工程有影響的地下水屬于潛水類型，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，本場地第7層和第9層承壓水貫通，根據上海市長期觀測調查，其水位埋深呈周期性變化，一般為3.0～12.0m。

本工程基坑開挖深度按20.3m考慮，承壓水位埋深按5.5m考慮，驗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：基坑開挖20.3m時，本場地第一承壓含水層第⑦層承壓水對基坑產生不利影響，需采取相應的降水防護措施，確保基坑安全。為了減小抽承壓水對坑外環境的影響，在抽承壓水的同時，采取坑外回灌的措施。回灌深井孔徑為650mm，井管過濾器內層為圓孔過濾器，外包纏絲，外層為橋式過濾器，管外回填中粗砂濾料。

在施工現場布設大水箱，通過安裝的加壓泵，對水體自然壓力進行補償，從而增加回灌壓力。根據現場回灌試驗成果，回灌期間回灌壓力優先選擇0.08～0.10MPa。當本基坑開挖地層層土體（裙房、塔樓及其局部小深坑），坑內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，坑外開啟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。回灌3天后，坑外觀測井水位上升約40cm到100cm之間。回灌三天因回灌一側圍護測斜變形日變化量增大及其地墻底部接縫處有滲水現象。經參建各方開會討論決定暫停回灌運行，待回灌一側圍護邊基坑大底板澆筑完畢后，開挖塔樓深坑時再視情況回灌。

應用上節物理模型及控制方程，本節通過算例分析，研究了緊臨基坑外回灌時地連墻的變形規律。計算參數如下：基坑開挖深度20m，地連墻厚1.2，深度為36m。坑內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，計算厚度為10m，彈性模量為30MP，滲透系數為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，回灌井過慮器上方影響區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大于地連墻側的土體的位移。

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給出了比較了計算出來的地結果連墻水平位移與現場實測值，由圖可知，地連墻的“踢腳”效應非常明顯，實測值大于計算值，但二者變化趨勢基本一致。由于實際施工過程中，回灌和坑內挖土同時進行，實際地墻的變形還受到坑內土體卸荷及坑外施工荷載的影響，本文的數值計算僅考慮了回灌壓力的影響，因此二者的結果存在一定的差別。