砂卵石地层管井降水对地表沉降的影响

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摘要：为探明高水位砂卵石地层深基坑管井降水参数对周边地表沉降的影响规律，本文依托成都地铁13号线三官堂车站深基坑工程，利用Plaxis3d有限元分析软件，运用考虑剪切硬化和压缩硬化的土体硬化本构模型，建立高水位土体—深基坑三维有限元模型，分析了管井降水深度、降水井分布间距以及降水井距基坑开挖边缘距离三个关键参数对于基坑周边一定范围内地表沉降的影响规律。结果表明：基坑外周边地表沉降量随着距基坑边缘距离的增大呈“勺状”变化；基坑周边地表最大沉降量随着管井降水深度的增大而呈线性增长；基坑周边一定范围内地表最大沉降量随着降水井分布间距的逐渐增大而减小，当距基坑边缘距离超过一定值之后，降水井分布间距的变化对地表沉降影响作用较弱；随着降水井距基坑边缘距离的增大，周边一定范围内地表沉降量变化较小，最大沉降量发生的位置随着降水井位置的外移也产生相应的外移。

关键词：高水位；砂卵石地层；基坑降水；沉降

与其它地区相比，成都地区砂卵石地层分布范围更广，层厚更大，卵石含量与最大卵石直径相对更大，且地下水位相对更高。在该地区进行地铁车站深基坑开挖施工时，由于含水层被切断，在压差作用下，地下水必然会不断地渗流入基坑。如不进行基坑降排水工作，将会造成基坑浸水，使现场施工条件变差，地基承载力下降，在动水压力作用下还可能引起流砂、管涌和边坡失稳等现象[1]。因此，为确保基坑施工安全，需要采取有效的基坑降水方案。基坑降水时，会导致基坑内外水位不同，造成水头差，根据渗流理论，势能不同的水必然会流动，渗透到势能较小的一侧，对于基坑而言，坑内土体会由于外部渗透力而造成坑底隆起，围护结构侧向变形；对于坑外土体，水位变低，土体原有的应力发生改变，孔隙压力变小，有效应力增大，土体变密实而造成沉降，从而对基坑自身以及周边地表土体稳定性造成影响[2]。对于基坑降水对周围地表沉降影响的相关研究主要集中在工程试验、数学解析和数值模拟几个方面。法国工程师Darcy[3]通过对均质砂进行渗透实验，总结出关于地下水渗透规律的达西定律，开启对于地下水渗流研究；Helm[4]推导出因降低地下水位而导致土体应力改变的方程，提出了因为土体应力改变而造成地表沉降的基本解。随着计算机技术的发展，数值模拟分析逐渐成为主要方法；周念清[5]基于上海十一号线徐家汇车站深基坑工程，利用有限元软件模拟三维深基坑抽降水并预测得到基坑周围地表的沉降量；刘林[6]根据黄土地区某深基坑的降水试验及数值模拟分析结果，对不同参数对于降水效果的影响程度进行了研究并且推导出了不同降水深度在不同距离处的周边地表沉降值公式；陈兴贤[7]以南京三号线的浦珠路站深基坑工程为研究对象，创建了三维渗流耦合能够预测地表沉降的有限元模型，用来预测得到深基坑降水时松散沉积岩中沉降和渗流场的变化形式；Chen[8]以中国东北地区为研究对象，利用有限元软件分析得到深基坑降水和土体开挖引起的渗流场和周围土体沉降规律。管井降水作为目前基坑工程中较为常用的一种降水方式，其设计参数的选择会对周边地表的沉降产生直接影响。因此，合理选用管井降水方案的设计参数对于复杂城市环境基坑工程具有十分显著的意义。在实际工程中，施工单位较多依靠实践经验进行降水方案设计，缺少相关的定量分析。此外，目前关于基坑沉降规律方面的研究往往是针对某一特定区域，针对高水位砂卵石地层中基坑周边地表沉降的研究较少；将特殊地层与特定降水方案结合的研究更是鲜有报道。因此，本文以成都13号线三官堂地铁车站为研究对象，利用Plaxis3d软件进行建模分析，根据现场的基坑降水方案，对降水井分布间距、降水深度以及降水井距基坑边缘的距离等关键参数进行分析，探明管井降水关键设计参数对基坑周边地表沉降的影响规律，为高水位砂卵石地层的深基坑降水方案设计提供依据。

一、工程概况

成都地铁13号线三官堂站总长259m，宽23.5m，基坑深度为28.8m。基坑施工场地范围内从上到下的地层主要为杂填土、砂卵石和强风化岩，其中砂卵石地层含水丰富、含水层厚度较大；强风化岩软硬不均匀，遇水易软化、崩解，强度急剧降低。经前期勘察基坑，场地地下水埋深1~3m，地下水位较高，为确保车站及附属施工期间基坑干燥，均采用坑外管井降水+坑内明排的方式进行排水，基坑开挖前提前降水至底板以下；降水井布置在围护结构外侧，孔径为600mm。

二、模型建立

1．计算假定根据现场基坑数据及土体参数，利用Plaxis3D软件建立高水位砂卵石土体—深基坑—支护结构三维有限元模型，为简化有限元分析过程，做出以下假定：（1）采用土体硬化模型[10]进行模拟，同时考虑剪切硬化和压缩硬化，土体均为各向同性、均质的；（2）不考虑支护结构与周围土体接触面上产生相对滑移及结构与土体的脱离现象；锚固体与周围土体完全粘结，注浆体与周围土体均为理想的弹塑性体；（3）初始应力只考虑自重应力场，不考虑构造应力场，使土层在自重作用下达到平衡状态，再进行基坑开挖模拟。2．材料属性土体的相关物理力学参数如表1所示。深基坑结构中的板桩墙采用“Plate板单元”，钢筋混凝土支撑和腰梁采用“Beam梁单元”，采用“点对点锚杆”和“Embedded桩”模拟地层锚杆。地下水位位于地表1.5m以下的位置，水土重度设置为9.8kN/m3。3．模型尺寸及边界条件为减小仿真模型边界效应对后续模拟分析结果的影响，有限元模型长度（X轴）方向取为660m，宽度（Y轴）方向取为225m，深度（Z轴）方向取为130m。既有建筑物荷载作用等效为：砖混结构20kPa/层，框架结构18kPa/层。模型顶面不设任何约束，而将模型侧面边界的水平（X轴）方向自由度进行约束，竖直方向允许发生位移，模型底面边界任意方向均不发生位移，即六个自由度全部进行约束。4．网格划分有限元模型网格划分全局疏密度设置为“超细”，对基坑结构和荷载的网格进行局部加密，将相应几何对象的加密系数设置为0.5；深基坑模型网格的基本土体单元为10节点四面体单元，共生成31,600个单元，54,605个节点。5．工况设置根据现场实际深基坑降水方案，选取不同的降水井分布间距、降水井距结构开挖线距离以及降水深度作为分析参数对距基坑边缘不同距离的沉降变化规律进行研究。卵石及土体综合含水层渗透系数均取为22m/d。工况设置如下：（1）降水井沿结构开挖线2m布置，降水深度为基坑底板以下1m处，降水井分布间距分别为：15、18、20、22和25m；（2）降水井分布间距为20m，降水深度为基坑底板以下1m处，降水井距结构开挖线距离分别为：2、3、4、5和6m；（3）降水井分布间距为20m，降水井沿结构开挖线2m布置，降水深度分别为：地表以下30、31、32、33和34m。

三、结果分析

1．管井降水深度对地表沉降的影响通过改变有限元计算模型中最终降水深度，对计算得到的基坑周边一定范围内的地表沉降数值变化规律进行分析，选取x=330m处的计算结果作为研究对象，如图4所示。由图4可知，基坑外周边地表沉降量随着距基坑边缘距离的增大呈“勺状”变化，基坑外地表沉降最大值并不位于基坑边缘，而是距离基坑边缘16~18m处的位置；超过最大值所对应的临界距离后，随着距基坑边缘距离的继续增大，沉降量逐渐减小。基坑周边地表沉降量随着深基坑管井降水深度的增大而增大，降水深度由30m增大为34m，基坑周边地表最大沉降量由17.38mm增加为19.42mm；地表最大沉降变化量与基坑降水深度变化量基本呈线性变化关系，降水深度每增加1m，最大沉降量大约增加0.5mm。2．管井分布间距对地表沉降的影响通过改变有限元计算模型中降水井分布间距，对计算得到的基坑周边一定范围内的地表沉降数值变化规律进行分析，选取x=330m处的计算结果作为研究对象，如图5所示。由图5可知，随着降水井分布间距的逐渐增大，基坑周边一定范围内地表最大沉降量逐渐减小，降水井分布间距由15m增加至25m时，周围地表最大沉降量由18.21mm减小为16.48mm，减小了9.5%。当距基坑边缘距离超过一定值之后，降水井分布间距的变化对地表沉降影响作用较弱。3．管井布置距基坑边缘距离对地表沉降的影响通过改变计算模型中降水井距基坑边缘距离，对计算得到的基坑周边一定范围内的地表沉降数值变化规律进行分析，选取x=330m处的计算结果作为研究对象，如图6所示。由图6可知，随着降水井距基坑边缘距离的增大，周边一定范围内地表沉降量变化较小，最大沉降量基本保持在17.50mm左右；最大沉降量发生位置随着降水井位置的外移产生相应的外移，降水井距基坑边缘距离由2m增加为6m，最大沉降位置由距基坑边缘17.08m增大为23.49m。

四、结论

通过计算分析，得到以下主要结论：（1）选取基坑开挖段截面为研究对象，基坑外周边地表沉降量随着距基坑边缘距离的增大呈“勺状”变化，基坑外地表沉降最大值不是位于基坑边缘，而是距离基坑边缘16~18m处的位置；超过最大值所对应的临界距离后，随着距基坑边缘距离的继续增大，沉降量逐渐减小。（2）基坑周边地表沉降量随着深基坑管井降水深度的增大而增大，降水深度由30m增大为34m，基坑周边地表最大沉降量由17.38mm增加为19.42mm；地表最大沉降变化量与基坑降水深度变化量基本呈线性变化关系，降水深度每增加1m，最大沉降量大约增加0.5mm。（3）随着降水井分布间距的逐渐增大，基坑周边一定范围内地表最大沉降量逐渐减小，降水井分布间距由15m增加至25m时，周围地表最大沉降量由18.21mm减小为16.48mm，减小了9.5%。当距基坑边缘距离超过一定值之后，降水井分布间距的变化对地表沉降影响作用较弱。（4）随着降水井距基坑边缘距离的增大，周边一定范围内地表沉降量变化较小，最大沉降量发生的位置随着降水井位置的外移也产生相应的外移。

作者：方世民 梁世龙 李明忠 何杰明 张姜飞 单位：中铁隧道局集团路桥工程有限公司 北京中铁隧建筑有限公司