不同回灌壓力對(duì)控制建筑沉降的模擬分析

孟令冬　趙敏

【摘 要】針對(duì)黃土基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)臨近建筑物沉降的影響，為了減小其沉降值保證建筑物的安全，采用ANSYS建立基坑及周邊環(huán)境模型，研究對(duì)比不同的回灌壓力對(duì)其沉降的控制作用。結(jié)果表明，合理的回灌壓力對(duì)控制基坑周邊沉降有著良好的作用。在一定范圍內(nèi)，隨壓力的增加，建筑的最終沉降值在減小，壓力過(guò)大導(dǎo)致沉降值驟增，在回灌壓力設(shè)計(jì)中既要考慮黃土具有的特殊性質(zhì)，又要考慮周邊建筑的特點(diǎn)，確定合理的壓力。

【關(guān)鍵詞】黃土基坑；建筑沉降；有限元分析；回灌壓力

0 序言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得西安市內(nèi)的深基坑工程日趨增多，基坑安全至關(guān)重要。在地下水豐富的地區(qū)，為保證基坑土方開(kāi)挖的順利進(jìn)行，通常需要采用人工手段進(jìn)行降水[1]使基坑內(nèi)水位低于開(kāi)挖面。地下水位的降低也對(duì)維持基坑的穩(wěn)定性也有積極的作用，同時(shí)也可以有效的避免諸如流土、管涌、坑底隆起[2]等災(zāi)害對(duì)基坑工程造成的不利影響。然而在諸多優(yōu)勢(shì)的背后，也不能忽視大規(guī)模降低地下水位可能使得地面沉降、樓房開(kāi)裂、地下管線遭到破壞等[3]。基于此在深基坑施工的過(guò)程中，必須采用合理的手段控制其對(duì)周邊環(huán)境的影響，而回灌則是可以有效控制地下水水位。

然而當(dāng)前針對(duì)黃土基坑基坑回灌對(duì)周邊環(huán)境影響的研究比較匱乏[4]，有必要結(jié)合黃土的特性對(duì)其進(jìn)行深入的研究，有限元軟件ANSYS可以對(duì)基坑及其周邊環(huán)境進(jìn)行有效的模擬[5]。本文主要針對(duì)黃土基坑施工過(guò)程中不同的回灌壓力，在止水帷幕深度一定的條件下，采用ANSYS分析其對(duì)控制周邊建筑沉降的效果。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 回灌水量以及壓力的確定

基坑降水中回灌井回灌量的計(jì)算是是個(gè)復(fù)雜綜合的問(wèn)題，影響因素不僅有水頭壓力以及地層參數(shù)，同時(shí)還受井孔結(jié)構(gòu)、施工質(zhì)量等一系列因素的影響[6]。然而一般在設(shè)計(jì)與施工中，一般采用單井回灌理論進(jìn)行計(jì)算，水頭確定、水流為非穩(wěn)定流。其計(jì)算公式為：

Q=2？仔Ts■[■？漬■■■du

其中：s■—初始水位水頭差 T—導(dǎo)水系數(shù)

J■■（u）、y■■（u）—第一、二類貝賽爾系數(shù)

rw—回灌井半徑a=T/S—壓力傳導(dǎo)系數(shù)

S—地層儲(chǔ)水系數(shù)

通過(guò)公式，可以計(jì)算求得回灌井的單井回灌量。根據(jù)已有的研究成果，選取0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa四種工況進(jìn)行模擬。

1.2 有限元模擬物理參數(shù)的確定以及模型的建立

為便于分析，本次模擬采用平面應(yīng)變模型。基坑以及周邊場(chǎng)地建筑模型有限元網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

2 回灌壓力對(duì)建筑沉降值的影響規(guī)律

對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行分析，在回灌壓力為0.10MPa時(shí)得到建筑物最終各點(diǎn)隨著時(shí)間變化的沉降變化曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出臨近基坑邊緣的各點(diǎn)的沉降值比較大且相近，隨著與基坑距離的增大，各點(diǎn)沉降值逐漸減小。在與基坑邊緣相平行的線上，各點(diǎn)的位移值基本一致，且建筑物邊緣的沉降值略大于內(nèi)部。此外，建筑物的沉降左右具有良好的對(duì)稱性，在接下來(lái)的研究中取其左半部分進(jìn)行分析。位于基坑邊緣同一平行線上的最終位移沉降值基本相近。另外，建筑物左側(cè)點(diǎn)位的沉降值要大于內(nèi)部的點(diǎn)，這與建筑物內(nèi)部受的約束較大有關(guān)。

圖3分別為回灌壓力0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa時(shí)沉降值隨時(shí)間的變化曲線，前兩種其變化0.10MPa時(shí)基本相似。其差異主要體現(xiàn)在不同止水帷幕深度條件下各點(diǎn)最終沉降值的差異。可見(jiàn)回灌壓力的增加，對(duì)抑制基坑周邊環(huán)境沉降是有著明顯的效果的。但是結(jié)合圖2進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其變化曲線在0.15MPa、0.15MPa、0.20MPa0三個(gè)壓力所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位其變化速率是基本一致的，壓力越大則沉降值呈線性減少。對(duì)圖3（c）進(jìn)行分析，較之前幾種工況發(fā)現(xiàn)該工況下建筑沉降量驟增，說(shuō)明過(guò)大的回灌壓力不利于建筑物沉降的穩(wěn)定，在此證明合理回灌壓力的重要意義。

在基坑降水設(shè)計(jì)中，合理的回灌壓力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。綜合沉降值以及建筑傾斜率的變化，得出結(jié)論，在滿足該基坑實(shí)際條件下，回灌壓力0.20MPa最為合適。

3 結(jié)論

采用有限元分析軟件模擬基坑降水、開(kāi)挖對(duì)周邊的建筑物沉降影響，對(duì)比四種不同回灌壓力，得到以下結(jié)論：

1）在于基坑邊緣垂直的方向上，基坑降水開(kāi)挖對(duì)周邊的影響變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出隨著各點(diǎn)與基坑距離的增大減小態(tài)勢(shì)，反映在建筑上就是其沉降值以及其減小速率均逐漸減小。

2）回灌壓力的增加，使得建筑的最終沉降值減小。在此過(guò)程中，其變化以一個(gè)較為穩(wěn)定的速率減小，此后，過(guò)大壓力使得回灌井周邊產(chǎn)生突涌，地層中不能形成穩(wěn)定的滲流場(chǎng)。

3）黃土具有較好的滲透性，容易形成穩(wěn)定的滲流場(chǎng)，使得不均勻沉降明顯，故實(shí)際設(shè)計(jì)中，需對(duì)公式進(jìn)行修正，除了應(yīng)考慮基坑的地質(zhì)條件，還要結(jié)合建筑物的實(shí)際情況分析計(jì)算。壓力設(shè)計(jì)中，合理的回灌壓力深度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]欒長(zhǎng)青，闞宏明，唐益群.上海地鐵九號(hào)線宜山路站降水引起的沉降分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010（12）：1961-1968.

[2]丁洲祥，龔曉南，俞建霖，金小榮，祝哨晨.止水帷幕對(duì)基坑環(huán)境效應(yīng)影響的有限元分析[J].巖土力學(xué)，2005，S1：146-150.

[3]陳鵬飛，龔曉南，劉念武.止水帷幕的擋土作用對(duì)深基坑變形的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，S2：254-258.

[4]劉愛(ài)娟，李整建，劉太平.基坑止水帷幕優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J].工程勘察，2011（12）：20-24.

[5]趙敏，厲廣廣，孟令冬.黃土地區(qū)深基坑土壓力監(jiān)測(cè)與分析[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（3）：81-84.

[6]JGJ120-2012.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京：建筑工業(yè)出版社，2012.

[責(zé)任編輯：田吉捷]