地下水位不同的基坑開(kāi)挖對(duì)地面沉降影響的數(shù)值模擬研究

王 帥

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518100)

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的城市空間轉(zhuǎn)移至地下，基坑工程因其能夠較大程度地?cái)U(kuò)展空間而得到廣泛應(yīng)用，對(duì)此學(xué)者們也進(jìn)行了大量的研究。喬光等[1]論述了大連某基坑的設(shè)計(jì)和施工方法，此方法的止水效果較為明顯，可為類似工程提供參考。方穎[2]采用了混凝土斜撐對(duì)基坑進(jìn)行加固，通過(guò)施工發(fā)現(xiàn)斜撐具有施工簡(jiǎn)單，工期短、造價(jià)低且不影響鄰近建筑安全的特點(diǎn)，此類斜撐的使用可為類似的基坑項(xiàng)目提供參考。林玲[3]為降低施工企業(yè)在基坑支護(hù)中的各類風(fēng)險(xiǎn)，從合同、設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工、政策和資金方面，分析高周轉(zhuǎn)地產(chǎn)的基坑支護(hù)工程存在的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)對(duì)基坑工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可保障施工企業(yè)利益。吳冰等[4]通過(guò)Revit與FLAC 3D兩軟件的交互使用，對(duì)深圳某基坑進(jìn)行了BIM研究，研究結(jié)果表明應(yīng)用BIM技術(shù)可控制基坑的施工成本和風(fēng)險(xiǎn)，并為基坑項(xiàng)目的增值服務(wù)。吳志等[5]結(jié)合富水軟水地層基坑項(xiàng)目，利用地連墻技術(shù)對(duì)基坑進(jìn)行圍護(hù)，達(dá)到了理想的支護(hù)效果。李廣等[6]結(jié)合深大基坑施工空間小、地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，提出了拉森鋼樁墻+逆作法主體結(jié)構(gòu)板水平內(nèi)支撐的支護(hù)方案，結(jié)果表明此支護(hù)方案達(dá)到了控制緊近建筑物位移的目的，工程效果較好。

然而以上的研究均沒(méi)有涉及地下水位不同時(shí)，基坑的排水、支護(hù)等方式對(duì)地面沉降的影響，現(xiàn)階段涉及地下水的基坑較多，排水和支護(hù)方式也比較統(tǒng)一，但是以上的處置措施是否會(huì)對(duì)地面的沉降造成影響，針對(duì)這一問(wèn)題，本文利用MIDAS GTS數(shù)值模擬軟件對(duì)不同地下水位基坑的開(kāi)挖進(jìn)行完整的模擬，通過(guò)地面沉降的監(jiān)測(cè)，可反映以上基坑處置措施對(duì)地面沉降的影響，并可進(jìn)一步檢測(cè)現(xiàn)階段常規(guī)排水措施是否達(dá)到了理想的工程要求。

1 工程概況

研究基坑所處廣東省深圳市，分別為兩個(gè)基坑，兩個(gè)基坑周圍巖土體的性質(zhì)相同(表1)，開(kāi)挖方式和支護(hù)措施也相同，但是地下水位線不同，地下水位線分別位于地面以下2.5 m和4.0 m處(圖1)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 基坑開(kāi)挖平面圖(尺寸單位：m)

由圖1可知，基坑施工長(zhǎng)度為40 m，高度為12 m，基坑的長(zhǎng)度為10 m，高度為5 m，施工長(zhǎng)度是基坑長(zhǎng)度的4倍，施工高度是基坑高度的2.4倍，此施工區(qū)域是結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)劃定的。

基坑巖土體從上至下分成三層，分別為風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖，厚度分別為2.5 m、1.5 m和1 m。結(jié)合兩個(gè)基坑的地下水位線可知，地下水位線位于地面以下2.5 m處時(shí)，此地下水位線位于風(fēng)化土與風(fēng)化巖的界面。地下水位線位于地面以下4m處時(shí)，即地下水位線位于風(fēng)化巖與軟巖的界面。

當(dāng)?shù)叵滤挥诘孛?.5 m時(shí)，該基坑采用半逆法進(jìn)行施工，基坑共計(jì)開(kāi)挖4次，設(shè)計(jì)三道支撐，第一次開(kāi)挖深度為1 m，然后對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)完成10 d后，方才進(jìn)行第2次開(kāi)挖，第二階段開(kāi)挖完成以后出現(xiàn)地下水，此結(jié)果與勘察結(jié)果一致，因此按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行排水處理，待排水完成以后，進(jìn)行第2次支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以后間隔10 d進(jìn)行第三次支護(hù)，按照此施工次序和時(shí)間次序，最后開(kāi)展了第四次開(kāi)挖支護(hù)。當(dāng)?shù)叵滤晃挥诘孛嬉韵? m處時(shí)，開(kāi)挖、支護(hù)、排水等措施類似于地下水位2.5 m處的基坑。

圖2 MIDAS三維實(shí)體模型(尺寸單位：m)

2 數(shù)值模擬

利用MIDAS GTS對(duì)兩個(gè)涉水基坑進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)合施工區(qū)域和基坑尺寸進(jìn)行試算可知，若增加施工區(qū)域尺寸，數(shù)值模擬結(jié)果中巖土體的受力(最大主應(yīng)力)和位移結(jié)果，較不增加尺寸的結(jié)果變化不超過(guò)0.04%，此結(jié)果說(shuō)明選定的施工區(qū)域滿足基坑開(kāi)挖的邊界條件。

數(shù)值模擬三維示意圖見(jiàn)圖2，數(shù)值模擬中風(fēng)化土采用修改莫爾庫(kù)侖模型，風(fēng)化巖和軟件采用彈性模型，巖土體參數(shù)的取值見(jiàn)表1。數(shù)值模擬中巖土體每1 m劃分一次網(wǎng)格，網(wǎng)格采用混合四面體，此數(shù)值模擬共計(jì)19 528個(gè)單元、22 286個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 模擬結(jié)果

對(duì)不同地下水位線的基坑開(kāi)挖進(jìn)行分析，主要從地面土體的沉降開(kāi)展，因?yàn)槭┕^(qū)域是基于基坑開(kāi)挖區(qū)域?qū)ΨQ分布的，因?yàn)閮H須選擇AB點(diǎn)沉降進(jìn)行分析即可(圖1)，MIDAS GTS中可通過(guò)線上圖的方式展示AB沉降結(jié)果，沉降結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6。

圖3 第一次開(kāi)挖后地面沉降

結(jié)合圖3可知，AB沉降結(jié)果接近，說(shuō)明若不涉及排水措施，單純地對(duì)基坑進(jìn)行開(kāi)挖，那么開(kāi)挖后地面的沉降結(jié)果相差不大。

圖4 第二次開(kāi)挖后地面沉降

圖5 第三次開(kāi)挖后地面沉降

結(jié)合圖4可知，不同的地下水位處B點(diǎn)的沉降值相同，說(shuō)明在B點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)后效果比較理想，達(dá)到了支護(hù)的目的。A點(diǎn)處沉降值較地下水位2.5 m處基坑較大，說(shuō)明若地下水位越淺，A點(diǎn)的沉降較大，但是兩者差值較小，差值率不超過(guò)3%(兩者數(shù)值相差除以較大沉降的絕對(duì)值)，說(shuō)明沉降的影響控制在可控范圍內(nèi)，也說(shuō)明此影響可忽略。

結(jié)合圖5可知，地下水位4.0 m處基坑經(jīng)過(guò)排水處理后，B點(diǎn)沉降增大，較地下水位2.5 m基坑處大，說(shuō)明地下水位越深，排水和支護(hù)措施會(huì)對(duì)地面沉降造成一定的影響，而地下水位2.5處B點(diǎn)沉降進(jìn)一步縮小，說(shuō)明此處基坑排水效果明顯，達(dá)到了控制沉降的目的。

圖6 第四次開(kāi)挖后地面沉降

結(jié)合圖6可知，地下水位4.0 m處B點(diǎn)沉降值依然較2.5 m處基坑沉降值大，但是較第三次開(kāi)挖沉降數(shù)值不變，說(shuō)明此基坑的降水效果也達(dá)到了工程的要求。兩基坑A點(diǎn)沉降不變，說(shuō)明只要排水和支護(hù)效果達(dá)到工程要求了，離基坑越遠(yuǎn)的地面，沉降變形越小，受地下水位距離的影響較小，甚至可忽略此影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)不同地下水位的基坑開(kāi)挖、排水和支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析對(duì)不同開(kāi)挖次數(shù)后的地面沉降進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：

(1)地下水位越淺的基坑，基坑進(jìn)行排水、支護(hù)等處理后，對(duì)地面沉降的影響越?。?/p>

(2)地下水位不同，但距離基坑越遠(yuǎn)，其地面的沉降影響可越?。?/p>

(3)相同的處置措施，不同的地下水位的基坑，對(duì)地面沉降的影響不超過(guò)3%，一定程度上可認(rèn)為若地下水位相近的基坑，對(duì)地面沉降的影響較小，甚至可忽略；

(4)本文數(shù)值模擬的結(jié)果可供地下水位較淺，且地下水位相近的基坑做參考，對(duì)于地下水位線相差較大，且地下水位較深的基坑，尚有待進(jìn)一步研究。