懸掛式止水帷幕在基坑開挖降水中的應(yīng)用

施 剛 邵晨晨 管 飛

(1.上海市地礦工程勘察院，上海 200072； 2.上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海 200072)

0 引言

基坑工程施工中多采用地連墻或三軸攪拌樁墻隔斷含水層。隨著基坑開挖深度的增大，隔斷式止水帷幕經(jīng)濟(jì)性下降，施工難度增加，懸掛式止水帷幕方案為許多項目所采用，但這又導(dǎo)致坑內(nèi)外水力連通，引起坑外地面或建筑物沉降。

本文以一實(shí)際工程為例，采用三維有限元模擬，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，研究懸掛式止水帷幕對周邊環(huán)境的影響。

1 項目概況

1.1 工程簡介

本工程主要建筑物為1幢2層～14層、2幢6層、4幢4層辦公樓，并有整體2層地下室。場地位于上海市普陀區(qū)真北路，屬濱海地貌。場地內(nèi)無明暗浜分布，地形較為平坦，地面標(biāo)高在3.26 m～4.38 m。東側(cè)真北路高架距地下室邊線最近約30 m；西側(cè)、北側(cè)居民房距地下室邊線約12 m～20 m；南側(cè)居民房距地下室邊線約23 m，基坑開挖深度為10.3 m。

1.2 地層條件

表1為基坑區(qū)域的典型土層分布和基本物理力學(xué)參數(shù)。

表1 典型土層分布

1.3 水文地質(zhì)條件

1)潛水。

場地內(nèi)地下水位埋深高水位可按埋深0.50 m考慮，低水位可按埋深1.50 m考慮。

2)承壓水。

根據(jù)勘察報告，本場地第⑤2-1，⑤2-2層為微承壓含水層，第⑦層及第⑨層為承壓含水層。對本工程有影響的承壓水賦存于第⑤2-1，⑤2-2層與第⑦層。

上海地區(qū)承壓水水頭埋深在3.00 m～11.00 m之間。基坑普遍區(qū)域存在承壓水引起基坑突涌的可能性，需要降承壓水。

1.4 基坑圍護(hù)和降水方案

本工程基坑面積18 018 m2，周長661 m，普遍開挖深度約為10.3 m，屬于深大基坑。

擬采用板式支護(hù)體系，鉆孔灌注樁排樁擋土+三軸水泥土攪拌樁止水，排樁插入深度為11 m，止水帷幕插入基坑底部以下18 m，插入微承壓含水層以下約12 m。

設(shè)兩道鋼筋混凝土水平支撐，標(biāo)高為-1.2 m和-6.2 m。

基坑西北側(cè)基坑和采用天然地基的居民樓之間采用一排鉆孔灌注樁作隔離樁。

坑內(nèi)采用真空深井降水(潛水和微承壓含水)，坑外局部設(shè)回灌井對微承壓水層進(jìn)行回灌。

基坑開挖方案采用“整體圍護(hù)、分塊開挖”。

如圖1所示為基坑圍護(hù)典型剖面圖。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

本文采用真三維巖土工程有限元軟件ZSoil.PC v2014進(jìn)行計算，計算模型如圖2a)所示，精確模擬了基坑和周邊建筑物的形狀、大小、高度、位置，以更好評價基坑開挖降水過程中對周邊環(huán)境的影響。

圖2b)著重展示了圍護(hù)結(jié)構(gòu)，包含鉆孔灌注樁、止水帷幕、支撐、棧橋等，尺寸、插入深度、位置均與設(shè)計施工一致。

房屋采用實(shí)體單元模擬。基坑周邊的房屋多為5層、6層磚混結(jié)構(gòu)，由于磚混結(jié)構(gòu)的裂縫會影響到房屋的剛度，對模量進(jìn)行一定的折減，取3 GPa。此外，有兩棟12層框架結(jié)構(gòu)和一棟25層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，由于整體剛度較大，取模量分別為15 GPa和20 GPa。12層和25層建筑采用樁基礎(chǔ)，其中，12層住宅采用PHC400管樁，樁間距2 m，25層建筑采用PHC600管樁，樁間距2.4 m。

本計算中對降水井進(jìn)行了精確模擬，模擬了不透水花管、透水花管(濾管)、濾料。降水井節(jié)點(diǎn)與周邊土體單元利用節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)進(jìn)行連接，保證位移、水頭一致。

2.2 本構(gòu)模型與參數(shù)

本文采用小應(yīng)變硬化土模型，可以較為全面地反映土的力學(xué)性質(zhì)，如剛度隨應(yīng)變折減、剛度隨應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力歷史變化等。此外，還可以考慮土在小應(yīng)變范圍內(nèi)的剛度變化特征。

計算中濾料、透水花管、不透水鋼管、混凝土均采用線彈性模型。三軸攪拌樁土采用庫侖模型。需要注意的是，透水花管(井管)是有開口的，因此滲透系數(shù)設(shè)為500 m/d，認(rèn)為其滲透系數(shù)相對其他結(jié)構(gòu)無限大。而不透水鋼管設(shè)為不透水，與實(shí)際中一致。

3 結(jié)果分析

3.1 地表沉降

整個場地的最大沉降為3 cm，出現(xiàn)在建筑物處。這是因為建筑物自身帶有荷載，使得此處土體初始應(yīng)變較大，模量因此更小。此外，基坑內(nèi)部最大隆起量為8.3 cm。

3.2 坑內(nèi)外水頭變化

圖3為基坑內(nèi)部不同深度點(diǎn)的水位變化圖，各點(diǎn)距離基坑邊的水平距離約為60 m，各點(diǎn)的水位逐漸下降。隨著深度的增加，水位下降的幅度減小。值得注意的是，距離坑底22.6 m的點(diǎn)水位降深也超過6 m，這是由于承壓含水層的滲透系數(shù)較大，導(dǎo)致深層土體的水頭降深較大。

圖4為基坑外不同深度點(diǎn)的水頭變化曲線，各點(diǎn)距離基坑邊線水平距離為20 m。與坑內(nèi)水頭變化趨勢不同的是，坑外水頭降深隨著深度增加而增加。這是由于水需要繞過止水帷幕向坑內(nèi)補(bǔ)給。從圖4中可以看出，雖然距離基坑已經(jīng)有20 m(2倍開挖深度)，各點(diǎn)的水頭降深仍然接近3 m。水頭的降低導(dǎo)致土體的固結(jié)，由此引起了遠(yuǎn)離基坑處的地表沉降。

3.3 周邊建筑物沉降

建筑物A2沉降測點(diǎn)計算和實(shí)測位移對比顯示，隨著基坑的不斷開挖，計算與實(shí)測沉降趨勢一致，數(shù)值較為吻合，數(shù)值模擬的模型和參數(shù)取值較為合理，A2最大沉降為32 mm(如圖5所示)。

從其他沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，距離基坑越遠(yuǎn)的建筑，沉降越小。具有樁基礎(chǔ)的建筑沉降僅有2 mm～4 mm，其他天然地基的建筑物沉降普遍大于10 mm，距離基坑近的建筑物沉降甚至達(dá)到32 mm。

4 結(jié)語

本文結(jié)合一個懸掛式止水帷幕的應(yīng)用案例，通過有限元分析的方法，評估了基坑開挖、降水對周邊環(huán)境的影響。

1)基坑開挖引起的最大地表沉降為30 mm，出現(xiàn)在建筑物周邊，這是由于建筑物的荷載導(dǎo)致土體在基坑開挖前的初始應(yīng)變較大，因此模量更小。這說明，在基坑開挖中，應(yīng)注意周邊建筑物荷載對土的影響，數(shù)值模擬中要對此進(jìn)行考慮。

2)數(shù)值模擬顯示，坑內(nèi)水位最大降深約10 m，坑外最大降深約4 m，懸掛式止水帷幕對保持坑外水頭有一定的作用。但是，距離基坑20 m處的承壓含水層水頭降深也接近3 m，導(dǎo)致土體固結(jié)沉降。因此，采用未隔斷承壓含水層的懸掛式止水帷幕進(jìn)行基坑降水對周圍環(huán)境仍有一定的影響。本次基坑降水方案中設(shè)置了回灌井，在坑外水位降深過大時，進(jìn)行回灌以保護(hù)周邊環(huán)境，可以借鑒。

3)采用樁基礎(chǔ)的建筑物抵抗變形的能力較大，基坑開挖和降水對周邊天然地基建筑物的影響大于樁基礎(chǔ)建筑。