魏蕓，袁琳

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

0 引言

承壓水降水容易引起地表沉降，對大多數(shù)的深基坑工程而言都是一個不可回避的問題，特別是當基坑周邊有建筑物存在時，準確預(yù)估承壓水降水對建筑物的影響就顯得尤為重要。承壓水降水的沉降準確預(yù)估一直以來是工程中的一個難點，近年來許多學(xué)者及工程界人士從理論及應(yīng)用層面都展開了研究[1-9]。但工程中涉及到管井降水時，首先需要遵循現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范。因此本文用規(guī)范算法確定承壓水降水水頭和管井布置方案，之后利用有限元流固耦合分析方法對承壓水降水過程進行了模擬，只需要簡單的輸入條件就可以得到承壓水的降水過程線。

1 依托工程概況

某碼頭翻車機房及廊道工程主體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。翻車機房主體長約64.2 m，寬約61.7 m，深約20 m，底板頂面結(jié)構(gòu)標高-12.8 m，漏斗層頂標高-1.0 m，頂板頂標高-5.314 m，機房中部沿橫向設(shè)有20 mm寬變形縫。翻車機房基坑支護結(jié)構(gòu)為圓形地下連續(xù)墻，內(nèi)徑77 m，外徑80 m，墻厚1.5 m?？拥讟烁?15.4 m。

2 地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境

典型鉆孔各土層主要物理、力學(xué)性質(zhì)指標如表1所示。

表1 典型鉆孔各土層指標Table 1 Soil parameters from typical boreholes

勘查報告顯示承壓水主要賦存于下部③1粉土中，承壓含水層頂板高程為-28.33～-34.00 m，頂板埋深為34.20～39.50 m。從鉆孔資料看，其含水層厚度較大，為7.80～10.90 m。從區(qū)域地質(zhì)資料看，地下水側(cè)向徑流與越流為場區(qū)承壓水的主要補給與排泄方式。依據(jù)抽水試驗報告，承壓水含水層的滲透系數(shù)為3.34 m/d，影響半徑為35.6 m，水位標高3.13 m。

本工程基坑西側(cè)邊緣外17 m分布1條鐵路，基坑?xùn)|側(cè)邊緣外分布1棟6層框架結(jié)構(gòu)的職工宿舍樓，基礎(chǔ)采用高強預(yù)應(yīng)力空心管樁，樁長14 m，距基坑邊緣39.2 m。

3 承壓水降水設(shè)計（規(guī)范算法）

首先需要評估承壓水降水的必要性，即需要進行基坑底面的突涌穩(wěn)定性驗算。依據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》第C.0.1條：

式中：Kh為突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，不應(yīng)小于1.1；D為承壓水含水層頂面至坑底的土層厚度；γ為承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度；γw為水的重度；hw為承壓含水層頂面的壓力水頭高度。

按典型鉆孔計算得到：

Kh=Dγ/hwγw=0.78＜1.1

不滿足規(guī)范要求，需采取措施保證施工安全，下面是承壓水降水設(shè)計。

1）坑內(nèi)水位降深確定

按式（1）可求得滿足抗突涌穩(wěn)定時，坑內(nèi)承壓水位降深標高約為-6.1 m。

2）基坑降水總涌水量計算

依據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》第E.0.3條，群井按大井簡化時，降水總涌水量可按式（2）計算：

式中：Q為基坑降水總涌水量，m3/d；k為滲透系數(shù)，m/d；M為承壓含水層厚度，m；sd為基坑地下水位的設(shè)計降深，m；R為降水影響半徑，m，取35.6 m；r0為基坑等效半徑，m，可按r0=計算，A為基坑面積，m2。

算得Q=3 966 m3/d。

3）單井出水能力計算

管井的單井出水能力依據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》式（7.3.16）計算：

式中：q0為單井出水能力，m3/d；γs為過濾器半徑，m；l為過濾器進水部分的長度，m。

算得q0=949.5 m3/d

4）按出水能力確定井數(shù)

由JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》式（7.3.15）可得降水井數(shù)量n最少應(yīng)為：

5）按式（4）計算出的井數(shù)計算承壓完整井的地下水位降深

由JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》第7.3.10條，承壓完整井的地下水位降深可按式（5）計算：

式中：si為基坑內(nèi)任一點的地下水位埋深，基坑內(nèi)各點中最小的地下水位降深可取各個相鄰降水井連線上地下水位降深的最小值，當各降水井的間距和降深相同時，可取任一相鄰降水井連線中點的地下水位降深，m；sw為井水位降深，m。

代入算得sw=87 m，即當只布5口井時，要想使基坑底部降水標高達到-6.1 m，需要每口井的水位降深達到87 m，該值遠大于管井長度，顯然不合理。因此，需要增加管井數(shù)量。這個過程只能通過試算完成。假定管井數(shù)為12口，同樣可求得管井處水位降深為24 m，相應(yīng)的水位標高為-20.87 m。

自此，降水井的數(shù)量及降水井處的水位降深完全確定，即需布置12口井，每口井的水位標高應(yīng)保持在-20.87 m標高處。

4 承壓水降水流固耦合分析

由于本工程承壓水會導(dǎo)致基坑底部突涌破壞，承壓水初始總水頭+3.13 m，降水井處降水標高為-20.87 m。數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

由于A區(qū)域有建筑物基礎(chǔ)，B區(qū)域有鐵路穿行，均是沉降重點關(guān)注區(qū)域。本次計算采用完全應(yīng)力-滲流耦合，即抽水引起的滲流場變化會直接影響應(yīng)力場計算，反過來應(yīng)力場計算結(jié)果又會影響滲流場，如此往復(fù)直到數(shù)值解達到收斂標準。通過計算可得到滲流場隨時間的變化以及整個應(yīng)力場中位移隨時間的變化。

本次計算只考慮承壓水，因此，初始地應(yīng)力平衡應(yīng)得到只有承壓含水層的孔隙水壓力分布，該含水層頂板標高-28.33 m，底板標高-40.68 m，承壓水水頭3.13 m，則承壓水層孔壓為314.6～438.1 kPa。軟件計算得到承壓含水層降水前的孔壓為310～430 kPa，其它土層孔壓為零。由于數(shù)值結(jié)果是基于單元平均值給出的結(jié)果，可以說計算結(jié)果與預(yù)期十分相符，說明數(shù)值模擬的邊界條件設(shè)置正確。

降水階段計算，主要提取降水不同時間的孔隙水壓力場和位移場云圖如圖2所示。

圖2 孔壓場隨時間變化圖Fig.2 Real-time variation contour of porepressure field

由圖3可見，雖然降水井處的水位降深標高是-20.87 m，但是由于降水井直徑較小，土層內(nèi)的承壓水壓力是隨著時間逐漸減小的，降水后1 d、2 d、5 d、11 d基坑中部的孔隙水壓力分別是-125 kPa、-104 kPa、-91.5 kPa、-80.8 kPa（限于篇幅只給出歷時1 d和11 d的孔壓分布），對應(yīng)的水位降深標高分別是-15.83 m、-17.93 m、-19.18 m、-20.25 m，可見在降水后11 d左右基坑中心達到的降深基本與降水井內(nèi)一致。

圖3 基坑中心線剖面位置孔壓分布Fig.3 Pore pressure distribution at thesection of the center lineof the foundation pit

同時，從計算結(jié)果中提取鐵路沿線離基坑最近的18 m位置點處的沉降值約為18 cm，外委樓樁基礎(chǔ)離基坑最近的40 m位置點處的沉降約為11 cm，與現(xiàn)場實測值相近。

5 結(jié)語

本次分析采用完全應(yīng)力-滲流耦合，計算過程只需要輸入降水井設(shè)計降深，其它均由邊界控制，人為因素干擾少，計算結(jié)果能夠提取不同時間孔壓及沉降的變化，能夠客觀地模擬承壓水降水。值得注意的是，承壓水的補給條件極大地影響計算結(jié)果，目前只能通過增大計算模型的邊界減弱或消除這種影響，降水層滲透系數(shù)越大，需要的模型就越大。