由承压水降水引起地面沉降的预测与分析

2021-04-24孙锦剑

科学技术创新 2021年9期

孙锦剑

（上海勘察设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

上海宝山某片区是上海市未来重点开发的片区之一，未来几年将在这里进行大范围的工程建设以及地下开发。查明该区域承压水水文地质情况对后期地下开发有着重要的指导作用。如何控制承压水降水引起的地面沉降对于位移控制要求极高的地铁、隧道等建（构）筑物显得尤为重要。

本文将结合上海宝山地区邻近地铁的深基坑抽水试验项目，预测减压降水对基坑周边地面沉降的影响，为基坑设计与施工提供降水建议。

1 基坑概况及周边环境

本工程位于上海市宝山区某重点开发片区，该项目是该片区率先开发的商业项目之一。该项目拟建两层地下室，基坑开挖深度10.95～11.75m，基坑周长约677m，开挖面积约19841m2。东侧邻近地铁隧道，基坑边线距离地铁隧道约25.0m。出于对地铁的保护，基坑共分5 个分区，地铁侧围护结构采用地下连续墙，非地铁侧围护结构采用钻孔灌注桩，整体两道钢筋混凝土支撑。

2 工程地质条件及突涌性计算

2.1 工程地质条件。根据勘察报告，本项目场地为上海市常规地层，滨海平原地貌，场地110m 范围之内主要为①～⑧层土。基坑开挖深度范围内场地地层主要为①～④层，多为软土。场地涉及的承压水为第⑦层砂质粉土，该层土层厚8.0～10.0m，层顶最浅埋深20.0m。

2.2 基坑突涌性计算。第⑦层砂质粉土，层顶最浅埋深20.0m，承压水水位按上海地区最不利情况3.0m 考虑，采用安全系数法对不同开挖深度的基坑进行安全突涌可能性计算[1]（计算结果见表1）。

表1 基坑突涌性计算

3 抽水试验及水文地质参数求参

3.1 抽水试验简介。本工程采用群井抽水试验进行水文地质参数求参[2]。抽水试验目的层为第⑦层砂质粉土，共布置3 口抽水井，2 口观测井；观测井数量确保能够反映承压水头降深和试验区外水力坡降情况，试验井布置图如图1 所示。

图1 抽水试验井平面布置示意图

3.2 抽水试验成果。群井抽水试验共历时14 天，其中7 天抽水、7 天水位恢复。各试验井平均出水量分别为等参数见表2，持续抽水期间，各井出水量稳定。

表2 抽水井出水量及各试验井抽水特征统计表

3.3 水文地质参数求参。根据群井抽水试验结果对抽水井的实测资料进行整理，在三维计算模型中设置抽水试验井，将抽水试验井出水量代入三维数值模型中，进行群井抽水试验的数值模拟计算。对比计算结果和实测的观测井水位变化，不断调整并优化相关水文地质参数，得到合理的承压水分析参数[2]。

通过群井抽水试验同层位的3 口观测井的实测降深曲线与数值模拟取得的计算降深曲线进行对比分析，各观测井水位对比见图2 所示。

从群井抽水试验的模拟分析结果可以看出，图2 中各观测井的数值模拟水头降深和实测水头降深规律基本一致，数值模拟结果反映了群井抽水试验降水过程中的观测井水位的变化，可以看到两者的偏差很小，满足工程精度要求。

通过以上三维数值计算反演分析，第⑦层水平渗透系数为1.1（m/d），垂直渗透系数为0.11（m/d），储水率为7.0E-03。

4 减压降水引起的地面沉降预测

图2 观测井实测降深曲线与模拟降深曲线对比图

4.1 沉降计算理论[3]。根据饱和土有效应力原理，抽取地下水引起的土层压缩变形反映在土层孔隙的变化，而由土层孔隙的变化，可以求得土层的压缩变形量。

依土的压缩系数定义

式中，负号代表随着有效应力σ'的增量，孔隙比e 逐渐减少，下面推导孔隙比e 与土层变形的关系。

设土体初始高度为S0，变形后高度为S，土层压缩变形ΔS=S0-S，上图表示了土层高度、孔隙比、土粒体积和孔隙体积之间的关系，由于固体颗粒的体积Vs 变化很小，通常假定不变，故有：

式中：σ-土体垂向总应力；p-孔隙水压力

假定σ 保持不变，则dσ'=-dp

而依水头H 的定义

若共有N 层土层，则总的沉降量为：

式中：ξ——为经验系数。

4.2 基坑减压降水方案

由于第⑦层承压水水位埋深较浅，基坑大面积存在突涌可能性，层厚较厚，是否隔断承压水对造价有较大的影响。故本文按是否将承压水隔断，设计两种不同的降水方案，分别建立模型，分析隔断承压水的必要性。方案一按不隔断承压水考虑，此时止水帷幕长度为21m，方案二按隔断承压水考虑，此时止水帷幕长度为31m。针对两种不同的方案分别进行地面沉降预测，承压水初始水头按群井抽水试验实测值水位埋深3.50m 考虑。

4.3 地面沉降预测结果

根据上节的讨论方案，分别对方案一和方案二进行三维有限元模拟，降水时间按60 天考虑，模拟结果如图3 所示。