工程降水引起基坑及土體變形的規律

唐 鈴，崔向軍，宗 麗

(四川省冶勘設計集團有限公司，成都 610000)

1 概 述

隨著我國經濟的快速發展，我國的城市化進程發展十分迅速，這導致城市土地資源匱乏，從而越來越多的大型建筑出現，建筑也向著更高趨勢發展。隨著土地的開發，越來多的基坑工程涌現，這其中有很多深基坑。基坑降水的時長也隨著基坑開挖深度的增加而加長，承壓水對基坑工程的影響也更加顯著。

國外學者很早就對地下水運動規律展開一系列的研究，并取得了豐碩的成果，為地下水運動理論奠定了堅實的基礎[1-3]。近年來，由于地下水處理不當而導致基坑事故，因此國內學者將研究重點放在基坑降水的影響上。張蓮花[4]基于總應力變化理論求解有效應力增量，同時考慮降水影響，獲得了解析解。謝康和等[5]基于一維固結理論，獲得了基坑周邊土體變形規律，并給出了基坑降水引起地表沉降的解析方法。馮曉臘等[6]通過有限元軟件建立三維數值模型，分析了基坑降水過程，研究結果表明數值手段可以很好地探究基坑降水過程。李琳[7]通過數值手段研究了基坑降水引起的周邊地表和建筑物的影響，分析了降水深度等敏感參數對沉降的影響，并獲得地表沉降規律。凌俊峰[8]對某實際工程進行研究，分析了降水井井點深度、滲透系數等敏感參數的影響。本文基于某基坑工程，對基坑降水的影響進行研究，研究結論對于今后類似工程具有重要的參考和借鑒價值。

2 工程概況

某擬建建筑東側為學校辦公樓，南側為3棟居民樓和1個公共建筑。建筑物地上27層，地下共3層，工程總建造面積156 581 m2。其基坑深度為11 m，基坑采用雙排樁+內支撐支護結構。

根據現場探勘和試驗，表1給出了土層條件及相關參數。潛水水位埋深約為0.8～2.9 m，第一、第二、第三承壓層水位埋深分別為3.26、4.12和5 m。

表1 土層參數

3 三維數值模型

3.1 有限元模型的建立

模型整體尺寸為200 m×120 m×80 m。基坑深度為11 m，基坑支護采用雙排樁+內支撐聯合支護。模型示意圖見圖1。基坑中布置三排降水井。

圖1 模型示意圖

3.2 計算參數

土層采用修正劍橋本構模型，土體修正劍橋模型參數見表2。表2中，K0為土體側壓力系數，KH為土體水平向滲透系數，KV為土體豎直向滲透系數，ecs為參考壓力(取單位壓力)下土體的臨界狀態孔隙比，λ為劍橋模型壓縮系數，κ為劍橋模型回彈系數，M為臨界狀態應力比。雙排樁和內支撐的重度均為25 kN/m3，彈性模量均為30×106kPa、泊松比均為0.3。

表2 土層劍橋模型參數

4 計算結果分析

4.1 降壓時長的影響

因為土層沉積時間上的區別，地底下常常有多層承壓含水層，它們之間為弱透水層。潛水含水層補給第一承壓含水層，而地表水又直接補給潛水含水層，而第二承壓含水層受第一承壓含水層補給。所以不同層次的承壓含水層的補給條件有區別，這導致降壓后土體的變形規律也不一致。本節研究不同降壓時長的影響。對第二承壓含水層進行單井降壓，模擬時長200 d。

圖2為不同降壓時長下基坑東北角P1降水井處土體沉降隨深度的變化曲線。從圖2中可以看出，不同降壓時長下土體沉降隨著深度緩慢增大，在深度約30 m處沉降達到峰值，隨后迅速減小，在深度50 m以后區趨于穩定。土體發生沉降峰值的深度隨著降壓時長的增加緩慢上移，當降壓時長超過20 d后達到穩定狀態，發生沉降峰值的位置在第一承壓含水層底板，而不是發生在地表處，這是由于補給條件的區別。

圖2 不同降壓時長下P1降水井處土體沉降曲線

圖3為不同降壓時長下P1降水井處孔隙水壓力隨深度的變化曲線。由圖3可知，第二承壓含水層進行單井降壓時，其上覆土層持續釋放水，孔隙水壓力持續變小，最終達到穩定狀態，即地下水向下滲流。對于第一承壓含水層而言，上次潛水層和遠處的補給速度超過了弱水層釋放水的速度，這導致第一承壓含水層的孔隙水壓力不會變小。

圖3 不同降壓時長下P1降水井處孔隙水壓力曲線

圖4為不同降壓時長下P1降水井處土體附加應力曲線。由圖4可知，第二承壓含水層降壓到穩定狀態后，第二承壓含水層內的土體有較大的附加壓應力，但緊鄰其范圍內的土體有一定的附加拉應力。該范圍之外的土體基本無附加應力。

圖4 不同降壓時長下P1降水井處土體附加應力曲線

4.2 土體滲透性的影響

4.2.1 承壓層上層弱透水層滲透性的影響

本節研究上層弱透水層不同滲透性的影響。基于4.1節研究，對第二承壓含水層上部弱透水層的不同滲透系數進行模擬，選取6種滲透系數工況進行研究，即0.000 1、0.000 5、0.001、0.005、0.01和0.05 m/d(其他參數保持不變)。

圖5和圖6分別為第二承壓含水層降壓200 d后，不同滲透系數下P1降水井處土體沉降和孔隙水壓力曲線。由圖5和圖6可知，當滲透系數為0.000 1、0.000 5和0.001 m/d時，3種工況下的土體變形和孔隙水壓力幾乎一致，可見該范圍內的滲透系數變化對土體變形和孔隙水壓力無影響。這說明當滲透系數不超過0.001 m/d時，第一承壓含水層底板隔水性很好。由圖5可以看出，土體沉降峰值發生在第一承壓含水層底板處。

圖5 不同滲透系數下P1降水井處土體沉降曲線(承壓層上層)

圖6 不同滲透系數下P1降水井處孔隙水壓力曲線(承壓層上層)

當滲透系數超過0.001 m/d后，隨著滲透系數的增大，第一承壓含水層范圍內土體變形和孔隙水壓力顯著增大，且沉降峰值位置逐步上移。這說明當滲透系數超過0.001 m/d后，第一承壓含水層底板透水性能增大。但滲透系數的變化對第二承壓含水層及下部土體變形和孔隙水壓力無影響。

4.2.2 承壓層下層弱透水層滲透性的影響

本節研究下層弱透水層不同滲透性的影響。基于4.1節研究，對第二承壓含水層上部弱透水層的不同滲透系數進行模擬，選取6種滲透系數工況進行研究，即0.000 1、0.000 5、0.001、0.005、0.01和0.05 m/d(其他參數保持不變)。

圖7和圖8分別為承壓層下層弱透水層不同滲透系數下P1降水井處土體沉降和孔隙水壓力曲線。由圖7和圖8可知，當滲透系數在0.001 m/d范圍內時，下面承壓層無水力聯系，隔水性能較好，此范圍各滲透系數下土體變形和孔隙水壓力基本無影響。由于第二承壓含水層因滲流力導致隆起，其峰值發生在弱透水層底板位置。當滲透系數超過0.001 m/d時，弱透水層有較好的透水性，第二承壓含水層和第三承壓含水層有水力聯系。土體變形在整個土層隨著滲透系數的增大而整體增大，且第三承壓含水層中孔隙水壓力也因滲透系數的增大而減小。

圖7 不同滲透系數下P1降水井處土體沉降曲線(承壓層下層)

圖8 不同滲透系數下P1降水井處孔隙水壓力曲線(承壓層下層)

5 結 論

本文基于某基坑工程，利用PLAXIS3D有限元軟件建立三維模型，分析了基坑承壓水降水的影響，研究了補給條件和土層滲透性的影響，總結了土體變形和孔隙水壓力的規律，得到以下結論：

1) 第二承壓含水層上部土體變形呈上部小、下部大的特點，第二承壓含水層發生沉降峰值的位置隨著降壓時長的增大逐漸上移。

2) 當滲透系數不超過0.001 m/d時，透水層的隔水性較好，其土體變形和孔隙水壓力無影響。當滲透系數超過0.001 m/d時，透水層表現出良好的透水性，土體變形和孔隙水壓力隨著滲透系數變化而顯著變化。