基坑開挖及降水井間距對其周圍環(huán)境影響的模擬研究

賀武斌，崔向東，劉彥忠

（太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原030024）

隨著社會的發(fā)展，人們對地下空間的利用越來越廣泛，為了便于建筑物的施工，需要進行深基坑的開挖和支護，在高水位和含水豐富地區(qū)，基坑工程常在地下水位以下含水層中進行，因此進行必要的降水措施是必不可少的，同時基坑開挖過程中也會對基坑周圍產(chǎn)生影響。筆者通過模擬基坑開挖和降水的過程，分析基坑開挖產(chǎn)生的變形，并通過水頭的設(shè)置模擬出滲流對基坑產(chǎn)生的影響。由于基坑開挖產(chǎn)生應(yīng)力場以及滲流產(chǎn)生的滲流場會共同促使基坑周圍土體向坑內(nèi)移動，導(dǎo)致坑內(nèi)土體隆起，致使基坑周圍的地表沉陷。根據(jù)以上情形，在降水階段布置10 m，15m降水井間距以及設(shè)置止水帷幕的情況下分別得出對基坑產(chǎn)生的變形和應(yīng)力變化；在分析降水時，通過計算在不同降水井間距下產(chǎn)生的總涌水量與實際涌水量進行對比，得出在井間距為15m時，總涌水量與實際相符，同時能夠?qū)⑺豢刂圃诨拥撞?．5～1m的范圍，并分析出設(shè)置止水帷幕可以使基坑底部以及邊坡的水位下降明顯，對工程中基坑降水設(shè)置止水帷幕具有一定的參照意義。

1 計算模型的建立

運用MIDAS／GTS軟件模擬在開挖第一階段黃土層對基坑周圍產(chǎn)生的影響，然后通過建立模型模擬在不同降水井間距及止水帷幕的設(shè)置產(chǎn)生的影響，并根據(jù)三維模型總的涌水量，考慮在經(jīng)濟條件合理的條件下，選擇合理的降水井間距和止水帷幕的長度。

1．1 參數(shù)的選取

土層的力學(xué)計算參數(shù)結(jié)合實際土層的工程地質(zhì)勘查報告取值如表1所示。

表1 選取材料相關(guān)參數(shù)

1．2 定義實體模型

結(jié)合基坑的平面布置圖，采用MIDAS／GTS軟件對該工程建立三維有限元模型，并對該模型在基坑開挖和降水兩個階段對基坑周圍產(chǎn)生的影響進行分析，所選取的模型長度約為440m，寬度約為220 m，深度為47．5m，建筑物按距基坑最近7m左右考慮，土層的分布從上到下依次為黃土層5．5m、卵石層8m、粗砂層12m、卵石層10m、粗礫層12m，模型圖如圖1所示。

1．3 模擬方法以及程序介紹

圖1 實體模型圖

假定每層土均質(zhì)且各向同性，土體材料的塑性屈服準則為摩爾－庫侖準則，土體的滲透方向為各向同性，初始水頭以及降水井采用的是節(jié)點水頭進行等效模擬。由于降水要求降到基坑底部0．5～1m，根據(jù)水頭差等于水位差可知，通過基坑邊界定義42 m的初始總水水頭，在基坑底部1m左右的范圍定義降水水頭為38m，使水頭差（水位差）達到4m左右，在建模過程中各個土層以及接觸單元之間是完全耦合的，各個土體單元分析采用的是土木分析中的彈塑性分析（即采用本構(gòu)模型為摩爾－庫侖模型來實現(xiàn)）理論。

2 邊界條件以及施工階段定義

2．1 邊界條件

1）邊界支撐條件：外邊界水平方向固定，豎直方向自由；底邊界水平方向和豎直方向固定，以與實際土體約束相符合。

2）設(shè)置滲流邊界條件：基坑底部設(shè)置降水后的總水頭（降水井內(nèi)水頭），土體四周設(shè)置初始水頭，并在有無帷幕的情況下調(diào)整降水井間距為10m，15m。

2．2 求解分析過程（施工階段的定義）

1）激活土體中所有單元，位移場清零，使初始應(yīng)力與位移狀態(tài)為零。

2）開挖黃土層，即鈍化開挖黃土層模擬第一階段開挖，分析其變形變化。

3）由于初始水位在黃土層底部，第二階段開始降水，分析由降水引起位移變化。

4）通過改變降水井間距和設(shè)置止水帷幕分析對基坑總涌水量產(chǎn)生的影響。

5）開挖二層卵石層，即鈍化開挖卵石層，模擬基坑的第二階段開挖，分析最終階段位移的變化，得出其對建筑物的影響。

6）對計算結(jié)果進行整理分析，并對比在不同降水井間距以及設(shè)置帷幕的情況下各個階段的變形大小。

3 計算結(jié)果及其分析機理

3．1 布置降水水頭

在土體四周設(shè)置初始水頭，基坑底部設(shè)置降水水頭，確?；觾?nèi)和基坑邊坡周圍的水位線降到基坑底部以下0．5～1m的范圍，水頭的分布如圖2所示。

圖2 水頭布置

由于初始水頭都是42m，布置降水水頭，通過理論公式計算得出降水后的水頭大小、理論公式和滲流變化如圖3如示。

圖3 滲流變化圖

總水頭

3．2 黃土層的開挖

由于地下初始水位在黃土層底部，故第一階段開挖不需要進行降水，此時僅分析開挖過程對基坑周圍土體以及附近建筑產(chǎn)生的影響，開挖變形如圖4所示。

由圖4可知基坑內(nèi)部變形最大達到0．08m，靠近樓層處其向下變形為0．06m左右，由此可知當土體開挖時，由于土體卸載作用，導(dǎo)致了基坑周圍發(fā)生向基坑內(nèi)的水平側(cè)移；與此同時基坑內(nèi)土體發(fā)生回彈，這兩種現(xiàn)象均可能導(dǎo)致外土體地層損失，造成坑外土體地表沉降，進而對周圍建筑物產(chǎn)生影響。

3．3 降水后的變形結(jié)果以及水頭分布

1）在開挖第二層卵石層之前需要進行降水，由于前一階段包含有基坑開挖引起的變形，故第一階段開挖以及降水后的變形如圖5所示。

圖4 黃土開挖引起的變形

圖5 降水后引起的變形

由圖5可知最大位置為0．1m左右，在樓層處的變形變成了0．08m，表明降水對周圍樓層產(chǎn)生了影響，分析原因為基坑降水造成基坑內(nèi)外產(chǎn)生一定的水頭差，在土體中產(chǎn)生滲透力，進而對基坑內(nèi)的土體產(chǎn)生大的抬升作用，對坑外的土體產(chǎn)生擠密作用，因此基坑降水會對周圍土體及建筑物的沉降產(chǎn)生影響。

2）建立基坑二維切面并設(shè)置止水帷幕，降水井間距為10m的情況下，得出基坑的水頭分布如圖6所示。

對基坑內(nèi)水位降深進行分析可以看出，在該模型底部最深處的水位達到了38m，這遠遠超過了降水的要求，得出在井間距為10m的情況下是不符合實際的。

3）在降水井間距為15m及有無止水帷幕的情況下，分析其水頭變化及總涌水量，如圖7和圖8所示。

當井間距為15m時，其均滿足基坑降水的要

圖6 設(shè)置帷幕間距10m的水頭變化

圖7 不設(shè)帷幕間距15m的水頭

圖8 設(shè)帷幕井距15m的水頭

求，通過基坑降水，總涌水量的計算公式如下

式中：Q為基坑出水量，m3／d；s為基坑設(shè)計水位降深值，m；r0為基坑范圍的引用半徑，m；K′為含水層的平均滲透系數(shù)，m／d；H 為含水層厚度，m；R為降水影響半徑，m。

根據(jù)工程地質(zhì)手冊其經(jīng)驗影響半徑R約350m，

基坑的總水量可根據(jù)三維有限元模型中的基坑整體的節(jié)點流量進行計算，將設(shè)置止水帷幕與不設(shè)置止水帷幕的情況下基坑總的涌水量進行對比，得出當設(shè)置止水帷幕時基坑的涌水量為7 018．778 2 m3，這與實際的計算結(jié)果7 142．1m3基本相符。

3．4 卵石層的開挖

在降水結(jié)束后要進行卵石層的開挖，開挖后的變形如圖9所示。

圖9 開挖卵石層后總的變形

由圖5和圖9進行對比可以得出，開挖卵石層建筑物及基坑邊坡產(chǎn)生的變形影響不是很大。

4 結(jié)論

文章以基坑開挖及降水井間距和止水帷幕的設(shè)置對周圍土體以及周圍建筑物的影響為切入點，利用相關(guān)分析軟件，得出基坑開挖對建筑物和周圍環(huán)境的影響，并通過結(jié)果對比，選定合理的降水井間距和止水帷幕的長度，得出如下結(jié)論：

1）由于基坑降水使周圍土層產(chǎn)生的沉降成漏斗狀分布，在開挖第一層黃土，對基坑周圍的建筑物產(chǎn)生沉降，當開始降水后，建筑物會發(fā)生小的沉降。

2）通過對比在降水井間距為15m且設(shè)置止水帷幕的情況下，基坑總涌水量以及變形通過計算與結(jié)果相符合；

3）文中采用止水帷幕6m的情況下，在止水帷幕兩側(cè)的水頭產(chǎn)生了明顯的變化。在針對止水帷幕長度變化的情形下，文中沒有進行更深入研究，下一步可以探討在不同止水帷幕相同降水井間距的情形下，止水帷幕的長度對基坑內(nèi)水頭和總涌水量的影響。

［1］ 何世秀，胡其志，莊心善．滲流對基坑周邊沉降的影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（9）：1551－1554．

［2］ 李濤，曲軍彪，周彥軍．深基坑降水對周圍建筑物沉降的影響［J］．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，35（12）：1631－1635．

［3］ 胡其志．深基坑降水引起地面沉降分析［D］．武漢：湖北工學(xué)院，2001．

［4］ 馮曉臘，熊文林，胡濤，等．三維水－土耦合在深基坑降水計算中的應(yīng)用［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，4（7）：1195－1200．

［5］ 許錫金，李東霞．基坑降水引起地面沉降計算方法研究［J］．巖土工程技術(shù)，2004，18（4）：194－198．

［6］ 胡濤，馮曉臘，熊文林，等．武漢地區(qū)基坑降水引起的地面沉降機理及定量預(yù)測［J］．土工基礎(chǔ)，2002，16（2）：48－51．

［7］ 范恩海，王宇輝．以粉噴樁作基坑支護結(jié)構(gòu)的實踐［J］．太原理工大學(xué)學(xué)報，2002，33（1）：92－95．

［8］ 王江濤．滲流對深基坑工程的影響分析［D］．武漢：武漢科技大學(xué)，2004．

［9］ 常士驃，張?zhí)K民，等．工程地質(zhì)手冊［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：82－104．

［10］ 張克恭，劉松玉，等．土力學(xué)［M］．第二版．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：62－80．

［11］ 劉國斌，王衛(wèi)東，等．基坑工程手冊（第2版）［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：244－250．

［12］ 李玉岐．考慮滲流影響的基坑工程形狀研究［D］．杭州：浙江大學(xué)，2005．