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導(dǎo)語：砂卵石地層管井降水對(duì)地表沉降的影響一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為探明高水位砂卵石地層深基坑管井降水參數(shù)對(duì)周邊地表沉降的影響規(guī)律，本文依托成都地鐵13號(hào)線三官堂車站深基坑工程，利用Plaxis3d有限元分析軟件，運(yùn)用考慮剪切硬化和壓縮硬化的土體硬化本構(gòu)模型，建立高水位土體—深基坑三維有限元模型，分析了管井降水深度、降水井分布間距以及降水井距基坑開挖邊緣距離三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于基坑周邊一定范圍內(nèi)地表沉降的影響規(guī)律。結(jié)果表明：基坑外周邊地表沉降量隨著距基坑邊緣距離的增大呈“勺狀”變化；基坑周邊地表最大沉降量隨著管井降水深度的增大而呈線性增長(zhǎng)；基坑周邊一定范圍內(nèi)地表最大沉降量隨著降水井分布間距的逐漸增大而減小，當(dāng)距基坑邊緣距離超過一定值之后，降水井分布間距的變化對(duì)地表沉降影響作用較弱；隨著降水井距基坑邊緣距離的增大，周邊一定范圍內(nèi)地表沉降量變化較小，最大沉降量發(fā)生的位置隨著降水井位置的外移也產(chǎn)生相應(yīng)的外移。

關(guān)鍵詞：高水位；砂卵石地層；基坑降水；沉降

與其它地區(qū)相比，成都地區(qū)砂卵石地層分布范圍更廣，層厚更大，卵石含量與最大卵石直徑相對(duì)更大，且地下水位相對(duì)更高。在該地區(qū)進(jìn)行地鐵車站深基坑開挖施工時(shí)，由于含水層被切斷，在壓差作用下，地下水必然會(huì)不斷地滲流入基坑。如不進(jìn)行基坑降排水工作，將會(huì)造成基坑浸水，使現(xiàn)場(chǎng)施工條件變差，地基承載力下降，在動(dòng)水壓力作用下還可能引起流砂、管涌和邊坡失穩(wěn)等現(xiàn)象[1]。因此，為確保基坑施工安全，需要采取有效的基坑降水方案。基坑降水時(shí)，會(huì)導(dǎo)致基坑內(nèi)外水位不同，造成水頭差，根據(jù)滲流理論，勢(shì)能不同的水必然會(huì)流動(dòng)，滲透到勢(shì)能較小的一側(cè)，對(duì)于基坑而言，坑內(nèi)土體會(huì)由于外部滲透力而造成坑底隆起，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形；對(duì)于坑外土體，水位變低，土體原有的應(yīng)力發(fā)生改變，孔隙壓力變小，有效應(yīng)力增大，土體變密實(shí)而造成沉降，從而對(duì)基坑自身以及周邊地表土體穩(wěn)定性造成影響[2]。對(duì)于基坑降水對(duì)周圍地表沉降影響的相關(guān)研究主要集中在工程試驗(yàn)、數(shù)學(xué)解析和數(shù)值模擬幾個(gè)方面。法國工程師Darcy[3]通過對(duì)均質(zhì)砂進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出關(guān)于地下水滲透規(guī)律的達(dá)西定律，開啟對(duì)于地下水滲流研究；Helm[4]推導(dǎo)出因降低地下水位而導(dǎo)致土體應(yīng)力改變的方程，提出了因?yàn)橥馏w應(yīng)力改變而造成地表沉降的基本解。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬分析逐漸成為主要方法；周念清[5]基于上海十一號(hào)線徐家匯車站深基坑工程，利用有限元軟件模擬三維深基坑抽降水并預(yù)測(cè)得到基坑周圍地表的沉降量；劉林[6]根據(jù)黃土地區(qū)某深基坑的降水試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析結(jié)果，對(duì)不同參數(shù)對(duì)于降水效果的影響程度進(jìn)行了研究并且推導(dǎo)出了不同降水深度在不同距離處的周邊地表沉降值公式；陳興賢[7]以南京三號(hào)線的浦珠路站深基坑工程為研究對(duì)象，創(chuàng)建了三維滲流耦合能夠預(yù)測(cè)地表沉降的有限元模型，用來預(yù)測(cè)得到深基坑降水時(shí)松散沉積巖中沉降和滲流場(chǎng)的變化形式；Chen[8]以中國東北地區(qū)為研究對(duì)象，利用有限元軟件分析得到深基坑降水和土體開挖引起的滲流場(chǎng)和周圍土體沉降規(guī)律。管井降水作為目前基坑工程中較為常用的一種降水方式，其設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇會(huì)對(duì)周邊地表的沉降產(chǎn)生直接影響。因此，合理選用管井降水方案的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于復(fù)雜城市環(huán)境基坑工程具有十分顯著的意義。在實(shí)際工程中，施工單位較多依靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行降水方案設(shè)計(jì)，缺少相關(guān)的定量分析。此外，目前關(guān)于基坑沉降規(guī)律方面的研究往往是針對(duì)某一特定區(qū)域，針對(duì)高水位砂卵石地層中基坑周邊地表沉降的研究較少；將特殊地層與特定降水方案結(jié)合的研究更是鮮有報(bào)道。因此，本文以成都13號(hào)線三官堂地鐵車站為研究對(duì)象，利用Plaxis3d軟件進(jìn)行建模分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的基坑降水方案，對(duì)降水井分布間距、降水深度以及降水井距基坑邊緣的距離等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，探明管井降水關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)基坑周邊地表沉降的影響規(guī)律，為高水位砂卵石地層的深基坑降水方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

一、工程概況

成都地鐵13號(hào)線三官堂站總長(zhǎng)259m，寬23.5m，基坑深度為28.8m。基坑施工場(chǎng)地范圍內(nèi)從上到下的地層主要為雜填土、砂卵石和強(qiáng)風(fēng)化巖，其中砂卵石地層含水豐富、含水層厚度較大；強(qiáng)風(fēng)化巖軟硬不均勻，遇水易軟化、崩解，強(qiáng)度急劇降低。經(jīng)前期勘察基坑，場(chǎng)地地下水埋深1~3m，地下水位較高，為確保車站及附屬施工期間基坑干燥，均采用坑外管井降水+坑內(nèi)明排的方式進(jìn)行排水，基坑開挖前提前降水至底板以下；降水井布置在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)，孔徑為600mm。

二、模型建立

1．計(jì)算假定根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)基坑數(shù)據(jù)及土體參數(shù)，利用Plaxis3D軟件建立高水位砂卵石土體—深基坑—支護(hù)結(jié)構(gòu)三維有限元模型，為簡(jiǎn)化有限元分析過程，做出以下假定：（1）采用土體硬化模型[10]進(jìn)行模擬，同時(shí)考慮剪切硬化和壓縮硬化，土體均為各向同性、均質(zhì)的；（2）不考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體接觸面上產(chǎn)生相對(duì)滑移及結(jié)構(gòu)與土體的脫離現(xiàn)象；錨固體與周圍土體完全粘結(jié)，注漿體與周圍土體均為理想的彈塑性體；（3）初始應(yīng)力只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，不考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，使土層在自重作用下達(dá)到平衡狀態(tài)，再進(jìn)行基坑開挖模擬。2．材料屬性土體的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。深基坑結(jié)構(gòu)中的板樁墻采用“Plate板單元”，鋼筋混凝土支撐和腰梁采用“Beam梁?jiǎn)卧保捎谩包c(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿”和“Embedded樁”模擬地層錨桿。地下水位位于地表1.5m以下的位置，水土重度設(shè)置為9.8kN/m3。3．模型尺寸及邊界條件為減小仿真模型邊界效應(yīng)對(duì)后續(xù)模擬分析結(jié)果的影響，有限元模型長(zhǎng)度（X軸）方向取為660m，寬度（Y軸）方向取為225m，深度（Z軸）方向取為130m。既有建筑物荷載作用等效為：磚混結(jié)構(gòu)20kPa/層，框架結(jié)構(gòu)18kPa/層。模型頂面不設(shè)任何約束，而將模型側(cè)面邊界的水平（X軸）方向自由度進(jìn)行約束，豎直方向允許發(fā)生位移，模型底面邊界任意方向均不發(fā)生位移，即六個(gè)自由度全部進(jìn)行約束。4．網(wǎng)格劃分有限元模型網(wǎng)格劃分全局疏密度設(shè)置為“超細(xì)”，對(duì)基坑結(jié)構(gòu)和荷載的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，將相應(yīng)幾何對(duì)象的加密系數(shù)設(shè)置為0.5；深基坑模型網(wǎng)格的基本土體單元為10節(jié)點(diǎn)四面體單元，共生成31,600個(gè)單元，54,605個(gè)節(jié)點(diǎn)。5．工況設(shè)置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際深基坑降水方案，選取不同的降水井分布間距、降水井距結(jié)構(gòu)開挖線距離以及降水深度作為分析參數(shù)對(duì)距基坑邊緣不同距離的沉降變化規(guī)律進(jìn)行研究。卵石及土體綜合含水層滲透系數(shù)均取為22m/d。工況設(shè)置如下：（1）降水井沿結(jié)構(gòu)開挖線2m布置，降水深度為基坑底板以下1m處，降水井分布間距分別為：15、18、20、22和25m；（2）降水井分布間距為20m，降水深度為基坑底板以下1m處，降水井距結(jié)構(gòu)開挖線距離分別為：2、3、4、5和6m；（3）降水井分布間距為20m，降水井沿結(jié)構(gòu)開挖線2m布置，降水深度分別為：地表以下30、31、32、33和34m。

三、結(jié)果分析

1．管井降水深度對(duì)地表沉降的影響通過改變有限元計(jì)算模型中最終降水深度，對(duì)計(jì)算得到的基坑周邊一定范圍內(nèi)的地表沉降數(shù)值變化規(guī)律進(jìn)行分析，選取x=330m處的計(jì)算結(jié)果作為研究對(duì)象，如圖4所示。由圖4可知，基坑外周邊地表沉降量隨著距基坑邊緣距離的增大呈“勺狀”變化，基坑外地表沉降最大值并不位于基坑邊緣，而是距離基坑邊緣16~18m處的位置；超過最大值所對(duì)應(yīng)的臨界距離后，隨著距基坑邊緣距離的繼續(xù)增大，沉降量逐漸減小。基坑周邊地表沉降量隨著深基坑管井降水深度的增大而增大，降水深度由30m增大為34m，基坑周邊地表最大沉降量由17.38mm增加為19.42mm；地表最大沉降變化量與基坑降水深度變化量基本呈線性變化關(guān)系，降水深度每增加1m，最大沉降量大約增加0.5mm。2．管井分布間距對(duì)地表沉降的影響通過改變有限元計(jì)算模型中降水井分布間距，對(duì)計(jì)算得到的基坑周邊一定范圍內(nèi)的地表沉降數(shù)值變化規(guī)律進(jìn)行分析，選取x=330m處的計(jì)算結(jié)果作為研究對(duì)象，如圖5所示。由圖5可知，隨著降水井分布間距的逐漸增大，基坑周邊一定范圍內(nèi)地表最大沉降量逐漸減小，降水井分布間距由15m增加至25m時(shí)，周圍地表最大沉降量由18.21mm減小為16.48mm，減小了9.5%。當(dāng)距基坑邊緣距離超過一定值之后，降水井分布間距的變化對(duì)地表沉降影響作用較弱。3．管井布置距基坑邊緣距離對(duì)地表沉降的影響通過改變計(jì)算模型中降水井距基坑邊緣距離，對(duì)計(jì)算得到的基坑周邊一定范圍內(nèi)的地表沉降數(shù)值變化規(guī)律進(jìn)行分析，選取x=330m處的計(jì)算結(jié)果作為研究對(duì)象，如圖6所示。由圖6可知，隨著降水井距基坑邊緣距離的增大，周邊一定范圍內(nèi)地表沉降量變化較小，最大沉降量基本保持在17.50mm左右；最大沉降量發(fā)生位置隨著降水井位置的外移產(chǎn)生相應(yīng)的外移，降水井距基坑邊緣距離由2m增加為6m，最大沉降位置由距基坑邊緣17.08m增大為23.49m。

四、結(jié)論

通過計(jì)算分析，得到以下主要結(jié)論：（1）選取基坑開挖段截面為研究對(duì)象，基坑外周邊地表沉降量隨著距基坑邊緣距離的增大呈“勺狀”變化，基坑外地表沉降最大值不是位于基坑邊緣，而是距離基坑邊緣16~18m處的位置；超過最大值所對(duì)應(yīng)的臨界距離后，隨著距基坑邊緣距離的繼續(xù)增大，沉降量逐漸減小。（2）基坑周邊地表沉降量隨著深基坑管井降水深度的增大而增大，降水深度由30m增大為34m，基坑周邊地表最大沉降量由17.38mm增加為19.42mm；地表最大沉降變化量與基坑降水深度變化量基本呈線性變化關(guān)系，降水深度每增加1m，最大沉降量大約增加0.5mm。（3）隨著降水井分布間距的逐漸增大，基坑周邊一定范圍內(nèi)地表最大沉降量逐漸減小，降水井分布間距由15m增加至25m時(shí)，周圍地表最大沉降量由18.21mm減小為16.48mm，減小了9.5%。當(dāng)距基坑邊緣距離超過一定值之后，降水井分布間距的變化對(duì)地表沉降影響作用較弱。（4）隨著降水井距基坑邊緣距離的增大，周邊一定范圍內(nèi)地表沉降量變化較小，最大沉降量發(fā)生的位置隨著降水井位置的外移也產(chǎn)生相應(yīng)的外移。

作者：方世民梁世龍李明忠何杰明張姜飛單位：中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司北京中鐵隧建筑有限公司