深基坑止水帷幕參數的優化分析

徐鳳旺，張露露

安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001

0 引言

由于城市建筑的不斷發展，地下空間的開發也在蓬勃發展，地鐵、多層地下停車場、地下商場等都需要占用很多地下空間，伴隨而來就是深基坑工程，基坑深度從幾米到幾十米不等。在深基坑開挖過程中必不可免地要處理地下水問題，對此工程中常通過設置止水帷幕來解決地下水的問題。止水帷幕有著良好的止水效果和一定的擋土作用［1］，止水帷幕設置要經濟合理，它與很多因素有關，羅戰友等［2］從材料上對水泥攪拌樁帷幕和連續墻帷幕進行了分析對比。何紹衡等［3］分析了帷幕樁深度對地表沉降的影響。席彬彬等［4］利用數值模擬軟件研究了不同深度的止水帷幕對基坑滲流的影響。文中以實際工程為背景，利用數值模擬軟件分析止水帷幕的長度、樁徑和樁的排數變化對坑外水位變化量、樁的水平位移和坑外地表沉降量的影響，分析模擬得到的數據，選用最經濟合理的止水帷幕設計方案。

1 工程實例

1.1 工程概況

該項目位于云南大理市，擬建建筑物由2 棟高層（編號A1 住宅樓和A2 住宅樓）、商業及地下室組成。場地北側有三棟多層房子，距離基坑邊界最近約為8.0m，南側為滇源路，距離基坑邊界為2.60～2.90m；西側為滄浪路，距離基坑邊界為6.00～6.20m；東側緊挨三茂街。深基坑開挖深度為10m，局部為11.5m，基坑周長約為280m，形狀呈一個不規則五邊形，基坑開挖面積約為4750m2。

1.2 水文地質條件

本工程位于大理市地處金沙江、紅河和瀾滄江三大水系分水嶺地段，區域內地表水系發育。擬建場地北側為洱海，直線距離約1800m，北西側為洱河，距離約1650m。根據區域資料結合鉆探揭露，擬建場地內的地下水主要為上層滯水、微承壓水和承壓水。擬建場地勘探深度范圍內的主要地層從上至下分別為人工填土、礫砂、有機質粘土、粘土、粉土、粉質粘土和淤泥質粉土組成。

2 三維模型的建立

本節采用修正劍橋模型作為土體的本構模型建模［5］，圍護樁采用線彈性模型，等效成一定厚度的地下連續墻，冠梁和腰量采用梁單元，預應力錨桿采用桿體單元，土體采用孔壓單元，圍護樁樁徑900mm，樁長15m，樁間距1.5m。土體與支護樁的接觸面采用摩擦模型。

3 樁長對坑外水位變化的影響

本節分別以14m、18m、22m三種樁長對基坑進行模擬開挖，分析止水帷幕長度的變化對坑外水位變化的影響。

由圖1 可知，在模擬的前20 天內，止水帷幕的長度與坑外水位變化量大致成反比關系，當樁長為14m 時，坑外最大水位變化量為94cm。樁長為18m 時，最大水位變化量為81cm，與14m 的樁長相比，水位變化量減小了13cm。樁長為22m 時，坑外最大水位變化量為76cm。與18m 的樁長相比，減小了5cm。減幅明顯減小。

圖1 樁長變化時坑外水位變化曲線

水位變化量在觀測到第20 天往后時，水位變化量出現下降的趨勢，這可能是由于坑外回灌井的作用和來自降水補給的緣故使得坑外水位略有上升。從第30 天往后水位變化量逐步趨于穩定。并且樁越長這種減緩趨勢越明顯。

綜合上述模擬樁長對水位變化的影響，應盡量選用較長的帷幕樁，但成本也會大幅度增加，考慮到方案要經濟合理，樁長宜控制在14～18m 之間。

4 樁排數對地表沉降的影響

本節分別以單排、雙排、三排止水帷幕樁對坑外地表的沉降的影響進行數值模擬。

圖2 樁排數變化時地表沉降變化曲線

由圖2 可知，當設置1 排帷幕樁時，坑外最大地表沉降量為9.48mm，設置2 排帷幕樁時，最大沉降量為8.24mm，與之相比減小了1.24mm，設置3 排帷幕樁時，最大沉降量為8.15mm，較2 排樁相比減少了0.09mm。減幅不明顯，說明當排數由2 排增至3 排時，對地表沉降量的影響比較小，效果不明顯。

最大地表沉降量均在距離坑邊8m 處附近，從8m 處往后，隨著坑邊距的增加，地表沉降量呈遞減趨勢。另外帷幕樁的排數越多，地表沉降影響的最遠距離就越小。

在保證基坑周邊建筑物及管道安全的前提下，選用較為節約材料的方案，排數從1 排增至2 排時，地表沉降量明顯減少，效果顯著。

5 樁徑對水平位移的影響

本節分析的是樁徑的變化對支護樁位移的影響，采用350mm、550mm、750m 三種樁的半徑進行模擬計算。

由圖3 可知，支護樁的水平位移與帷幕樁的樁徑成反比關系，當樁徑為350mm 時，最大水平位移為27.55mm，樁徑為550mm時，最大水平位移為26.13mm。與其相比減少了1.42mm。當樁徑為750mm 時，最大水平位移為26.68mm，與樁徑為550mm 相比，減小量為0.55mm。隨著樁深度的增加，3 種樁徑的對支護樁的水平位移量也逐漸減少，最后趨于穩定。

圖3 樁徑變化時樁水平位移變化曲線

樁徑由350mm 增加到550mm 時，最大水平位移量減小明顯，相對于770mm 的樁徑，更為經濟合理，因此樁徑宜設計為350～550mm 之間。

6 方案選取

根據模擬得到的數據，本工程采用500mm 的樁徑，16m的樁長，在支護樁外側設置2 排帷幕樁。方案投入使用后，在現場基坑周邊布置觀測點對基坑開挖進行監測，并將監測數據與模擬數據進行對比，如圖4 所示。

圖4 實測與模擬數據的對比

模擬數據曲線與實測數據曲線大致吻合，且在基坑開挖過程中沒有出現過大的基坑變形和建筑物沉降，表明該方案是切實可行的。

7 結語

通過ABAQUS 軟件對基坑開挖進行模擬，分析帷幕樁的長度、樁徑和排數變化時對坑外水位變化量、支護樁的水平位移、地表沉降量所產生的影響及變化規律。根據模擬數據選擇最優的方案，將方案運用到實踐，并將現場監測數據與模擬數據進行對比，數據誤差不大，表明該止水帷幕的設計方案是經濟安全的，在節約成本的同時保證了基坑的安全。