回灌井对深基坑的受力与变形分析

2022-08-30赵延林

黑龙江科技大学学报 2022年4期

赵延林，李明

(黑龙江科技大学建筑工程学院，哈尔滨 150022)

0 引言

目前，人们对于出行便利性的要求逐渐增加，地铁开始逐渐在各大城市中普及。与之对应的地铁深基坑工程逐渐增多，与以往不同的是，深基坑工程的施工环境变得十分复杂。既有建筑物、构筑物、地下管线与交通运输道路都将受到工程施工的影响。《城市轨道交通工程监测技术规范》及其他一些地方性规范都对既有设施的变形控制提出了要求。当工程的施工地点位于高水位地区时，渗流场的变化将加大既有设施所受的影响。因此，研究高水位下深基坑工程施工对周边既有设施的变形控制措施显得十分必要。

学者们在兼顾有效性与经济性的前提下，努力探索着控制深基坑与既有设施变形的方法与措施。袁斌等[1]运用FLAC3D对比分析了6种降水方案，结果表明：止水帷幕的存在对周边地表沉降的控制效果十分显著。吴绍升[2]通过单井抽水、回灌实验，得出在保障基坑安全开挖的前提下，在基坑周边浅基础建筑群附近布设回灌井，是一种控制地面沉降、保护基坑周边环境的措施。刘伟等[3]提出了在深厚富水地层的深基坑工程设置带有抗浮锚杆的全封闭止水帷幕技术方案，并通过一实际工程案例证明了此方案的可行性。张磊等[4]在进行室内耦合模型试验后，得出了在降水防渗的同时，增设回灌井对坑外不均匀沉降具有良好的控制效果。张宏洲等[5]运用软件pmwin对廊坊市某一实际工程进行分析，得出在一定范围内远离基坑边处的回灌效果优于近处。薛秀丽等[6]依托天津市某一实际地铁深基坑工程，分析了基坑宽度、降水深度、降水时间、土层渗透性等对降水引发基坑变形特性的影响规律，得出了降水井错位排布以控制开挖前降水引发基坑变形的方法。田瑛[7]对一工程实例进行数据分析，得出了先降水后支护这一施工工序对深基坑变形具有一定的控制效果。李瑛等[8]通过对一减压降水计算模型进行计算，得出采用悬挂式止水帷幕结合坑内减压降水的墙-井系统可有效减小坑内降水量或坑外水头降深。刘祥勇等[9]通过展开一系列单井抽灌和群井抽灌现场试验，得出在敏感建筑物保护区域做到抽灌一体化，可尽量减小因降水引起的附加变形。司鹏飞[10]运用有限差分软件FLAC3D对上海市某一实际工程进行模拟分析，结果表明：增强围护桩刚度、坑底加固和设置临时围堰的方案能够较为有效地减小临水基坑围护结构的变形，降低临水基坑对周围环境的影响。陈凌铜等[11]运用软件PLAXIS对杭州某一实际工程进行分析，研究表明：当深基坑工程采用悬挂式止水帷幕时，增加其深度可以减小坑外地表沉降与地下管线的变形。曾超峰等[12]通过开展基坑抽水模型试验与三维数值分析，探究了内隔墙对于限制开挖前抽水引发基坑变形的有效性，研究发现，当内隔墙深度大于5倍基坑宽度时，内隔墙将体现较明显的变形限制作用。郑坚杰[13]通过南京一实际地铁基坑预降水试验，得出在按需降水、沉降区域采取注浆等控制基坑变形的方法与措施。郑刚等[14]通过监测天津地铁6号线某车站基坑工程降水与回灌过程中的水位变化与地表沉降数据，得出在回灌全面开启后，基坑邻近区的水位得到控制，地表沉降发展逐渐趋于稳定。

由上述分析可知，在考虑流固耦合的情况下，合理的施工方式、设置止水帷幕及回灌井均可以较好地控制基坑变形，其中，设置回灌井相对较为高效与经济。

笔者运用有限元软件MIDAS GTS NX，基于流固耦合及三维固结理论，从回灌井布置位置和回灌面积两个角度，研究控制深基坑工程周边建筑物沉降的方法与措施。

1 工程背景

1.1 工程概况

本工程位于江苏省苏州市工业区内，为新建高铁地下车站深基坑工程，大体沿东西向布置，总长度为175.0 m，宽度为18.9 m，开挖深度为17.4 m。工程位于市中心大道与两高架桥交叉口的中间位置，基坑中部南侧约22.0 m外有一民用建筑物，北侧紧邻绿化带。周边环境相对复杂，对基坑变形控制要求较高。

1.2 工程地质与水文地质条件

根据工程地质勘察报告，本工程场地土层信息见表1。

场地地下水主要分为以下3类。

(1)潜水：存在范围广泛，主要存在于黏性土层中，水位埋深为1.75～3.80 m，稳定水位埋深为1.50～2.70 m。

(2)微承压水：存在范围较小，主要存在于粉土层中，最高微承压水头标高为1.70 m。

(3)承压水：存在范围很小，主要存在于较深的粉土层中，稳定水头约为1 m，且封闭条件良好。

表1 场地土层信息

1.3 基坑支护方案

基坑支护方案为地连墙+内支撑，内支撑共4道。冠梁与地连墙均选取C35混凝土，悬挂式地连墙深度为31 m，厚度为0.8 m，冠梁设于顶部，截面尺寸为1.0 m×1.0 m；第1道内支撑采用C30混凝土，与冠梁处于同一平面，截面尺寸为0.8 m×0.9 m，水平间距为6 m；其余3道内支撑均采用Q235钢，直径0.609 m，管壁厚度16 mm，水平间距为3 m，距离基坑顶面的距离分别为5.0、8.5、11.0 m。基坑支护剖面见图1。

1.4 降水方案

运用管井进行坑内降水，共设立32口降水井，沿基坑边缘等距分布，井深为36 m，井直径为600 mm，井间距为5 m。单井出水量为160 m3/d，共降水约21 d。

1.5 回灌方案

运用管井进行坑外回灌，共设立15口回灌井。回灌井距基坑边缘3 m，井深为14 m，井直径为600 mm，井间距为10 m，单井回灌量为160 m3/d，回灌到粉质黏土土层。

1.6 土方开挖方案

共进行5步开挖，分别挖至地表下1.4、7.0、11.0、14.5与17.4 m。同时，在前4步开挖进行的过程中，施工冠梁、第1道混凝土支撑与各钢支撑，并为钢支撑施加300、500、450 kN的预应力。

2 有限元模型

2.1 模型尺寸与网格划分

运用有限元软件MIDAS GTS NX建立三维基坑计算模型如图2所示。选取长度为24 m的标准段，依据建模经验[15]，基坑开挖的影响范围：水平方向为开挖深度的3～4倍，竖直方向为开挖深度的2～4倍，故确定模型的长、宽、高分别为24、159、70 m。

为在保持计算精度的同时兼顾模型的计算效率，将基坑部分的网格尺寸定为2 m，外地层部分的网格尺寸定为5 m。采用三维网格模拟土体，采用二维网格模拟地连墙、降水井、回灌井与楼板，采用一维网格模拟内支撑、柱、梁与桩基。

2.2 单元模型与边界条件

将参数信息较为接近的土层进行合并可提高计算效率。土体采用实体单元，本构模型选择修正摩尔库伦模型，地连墙采用板单元，内支撑、柱、梁与桩基采用梁单元，计算类型选择应力-渗流-边坡(渗流场与应力场单向耦合)，计算理论为弹塑性计算理论。模拟时，为兼顾模型模拟的精确性与计算的收敛性，预先在井出现的位置生成截面尺寸为2 m×2 m、深度分别为36 m与14 m的网格，随后通过软件的析取功能，赋予相同的属性。之后捕捉各井滤水段网格节点，分别定义节点流量函数。

基坑外建筑物为一民用建筑，框架结构，共12层，层高3 m，桩基础，深度14 m。采用板单元模拟楼板，采用梁单元模拟建筑物的梁、柱与桩基。梁、柱与楼板材料均为C35混凝土，梁宽0.4 m，梁高0.6 m。柱直径0.5 m，楼板厚度0.8 m，并在建筑物除顶楼外的各层楼板上施加2 kN/m2的活荷载。降水井、回灌井与建筑物网格如图3与图4所示。

定义地表2 m下均为潜水。模型上表面为自由边界，其余各表面均进行自动约束。借助软件中的界面功能在基坑两侧生成止水帷幕。

2.3 模型参数

土体模型的各项参数见表1，支护体系的各项参数见表2。

表2 围护结构参数

2.4 模拟方案

2.4.1 回灌井位置

为探究回灌井布置位置对坑外建筑物沉降的控制效果，共建立5个对比模型，回灌井与基坑边缘的距离为d分别为3、7、11、14、17 m(图5)。

2.4.2 回灌面积

文中选择的增大回灌面积的方法为调整回灌井的倾斜角度。为研究其控制效果，共建立4个用于对比的模型，定义回灌井倾斜角为α，各模型的α值分别为0°、10°、20°、30°。回灌井倾斜角度示意图如图6所示。

2.5 模拟结果验证

2.5.1 坑外地表沉降

坑外地表沉降sd的监测值与模拟值对比如图7所示。由图7可知，监测值与模拟值的沉降分布规律大体相同，随着与基坑边缘距离l的增加，均呈现出先增大后减小的变化规律，且两数值均于距基坑边缘约1倍开挖深度处达到最大值。整体分析，两数值周边地表沉降平均差值为1.06 mm，约为9.32%。

2.5.2 地连墙水平位移

地连墙水平位移sh的监测值与模拟值对比如图8所示。由图8可知，模拟值与监测值所呈现出的位移分布规律基本相同，均为随着与地表距离h的增加，先增大后减小，且两数值均于距地表约1倍开挖深度处达到最大值。整体分析，两数值的地连墙水平位移平均差值为2.48 mm，约为10.39%。

3 结果分析

3.1 回灌井布置位置控制效果

3.1.1 建筑物沉降

建筑物邻近基坑侧沉降随回灌井布置位置变化曲线如图9所示。建筑物不均匀沉降随回灌井布置位置的变化曲线如图10所示。

由图9可知，随着回灌井与基坑边缘距离d的增加，建筑物沉降先减小后增大。当回灌井位于距基坑边缘3～11 m范围内时，建筑物沉降sj变化较小。当距离分别为7、11 m时，相较于距离3 m的情况，建筑物沉降分别增大了约-8.6%、27.82%。而当回灌井位于距基坑边缘11～17 m范围内时，建筑物沉降变化较大，当距离分别为14、17 m时，相较于距离3 m的情况，建筑物沉降分别增大了约96.63%、157.00%。由此可见，当回灌井位于与基坑边缘距离为3～11 m时，其对建筑物沉降的控制效果较好。

由图10可知，随着回灌井与基坑边缘距离的增加，建筑物不均匀沉降逐渐增大。当回灌井位于距基坑边缘3～11 m时，不均匀沉降变化较小，当回灌井位于距基坑边缘11～17 m时，不均匀沉降变化较大。当回灌井距基坑边缘14 m与17 m时，不均匀沉降分别增加了约324.81%与440.74%。

3.1.2 基坑地连墙水平位移

地连墙水平位移随回灌井布置位置的变化曲线如图11所示。地连墙最大水平位移shmax随回灌井布置位置变化曲线如图12所示。

由图11可知，与无回灌时位移快速增大又快速减小不同的是，在回灌井布置位置不同的条件下，随着深度的增加，地连墙水平位移先缓慢增大，在深度约为10 m处急剧增大，后又快速减小，最后逐渐趋近于0。且各地连墙水平变形走势基本相同，最大墙身水平位移均出现在深度约为15 m处。随着回灌井距离的增加，地连墙水平变形逐渐增大。同时，从图中还可以看出，地连墙7～20 m深度范围内(0.4～1.1倍开挖深度的区域)为受回灌井布置位置影响相对显著的区域。

由图12可知，地连墙最大水平位移随着回灌井与基坑边缘距离的增加而逐渐增大，且接近线性变化。可以近似地认为，回灌井与基坑边缘的距离每增加1 m，地连墙最大水平位移便增大0.96 mm。

3.1.3 地连墙弯矩

地连墙弯矩M、最大弯矩Mmax随回灌井布置位置变化影响曲线如图13、14所示。

由图13可知，在回灌井布置位置不同的条件下，地连墙弯矩随深度的变化走势基本相同，除最大正弯矩区域内弯矩数值有较为明显的差异外，其余各对应弯矩值基本相同。最大弯矩及最小弯矩均位于深度约14.0 m及15.5 m处。由图14可知，随着回灌井与基坑边缘距离的增加，地连墙弯矩逐渐增大，且近似为线性变化。可以认为，回灌井与基坑边缘的距离每增加1 m，地连墙最大弯矩便增大2.06 kN·m。

3.1.4 渗流场分析

当回灌井与基坑边缘的距离d为3、17 m时，建筑物底部水位情况如图15所示。由图15可知，当回灌井分别位于距基坑边缘3 m与17 m时，建筑物底部的水位高度分别为12.25 m与15.25 m。当回灌井与基坑边缘的距离为17 m时，相对于3 m的情况，建筑物底部的水位被抬高了24.49%，表明回灌井与建筑物间的距离越小，对建筑物附近的水位控制效果越好。观察土体内水位曲面的形状可知，回灌井与基坑边缘的距离越大，对基坑附近土体水位控制的效果越差。

当d为3、11、17 m时，回灌井底部附近土体内水的流径如图16所示。由图16可知，当回灌井距离基坑较近时，降水井与回灌井两滤水段间会直接形成流径，这将直接降低基坑内部降水井的降水效率，同时也将在一定程度上影响回灌井的水位控制效果。随着回灌井与基坑边缘距离的增加，这种影响则会逐渐减小。

纵观基坑外部全部土体，当回灌井距建筑物较近时，虽然可以较好地控制建筑物附近土体的水位，但建筑物附近土体内的水位变化并不大；而基坑附近的土体却由于水位变化较为明显而发生较为显著的固结沉降，致使建筑物发生较大的沉降。而当回灌井距基坑较近时，降水井与回灌井又会互相“冲突”，无法尽最大程度控制基坑附近土体的水位，进而导致该部分土体的固结沉降无法得到最大限度的控制，最终导致建筑物沉降控制效果不佳。综合考量，要想通过控制坑外水位变化来控制建筑物的沉降，回灌井需设置在距基坑边缘7～11 m的范围内(0.4～0.6倍开挖深度的区域)。

3.2 回灌井倾斜角控制效果

依据上述分析结果，选定回灌井与基坑边缘的距离为7 m进行回灌井倾斜角的研究。

3.2.1 建筑物沉降

建筑物邻近基坑侧沉降随回灌井倾角变化曲线如图17所示，由图17可知，回灌井倾角越大，建筑物沉降越小，且接近线性变化。可以近似地认为，回灌井倾斜角度α每增加10°，建筑物沉降便减小0.71 mm。

建筑物不均匀沉降随回灌井倾角变化曲线如图18所示。由图18可知，建筑物不均匀沉降随着回灌井倾斜角度的增大而逐渐增大，且同样接近于线性变化。可以认为，回灌井倾斜角度每增加10°，建筑物不均匀沉降便增大0.74 mm。

3.2.2 地连墙水平位移

地连墙水平位移随回灌井倾角变化曲线如图19所示。由图19可知，在回灌井倾斜角不同的条件下，随着深度的增加，地连墙水平位移先缓慢增大，后在同一深度处突然增大，后又快速减小，最后缓缓趋近于0。变形除顶部至10 m深度范围内有较大差异外，其余部分的走势基本相同，最大墙身水平位移均出现在深度约为16 m处。同时，随着回灌井倾斜角度的增大，地连墙水平变形逐渐增大。从图中也可以看出，地连墙顶部0.5倍开挖深度区域为受回灌井倾斜角影响相对显著的区域。

当回灌井倾斜角α为0°、30°时，回灌井侧坑外土体内水的流径如图20所示。

由图20可知，回灌井在发挥作用时，会使得地连墙外侧浅层土体中的水产生指向基坑外的流径，进而在渗透力的作用下，降低该部分土体对地连墙的荷载。而当回灌井倾斜角发生变化时，则会改变该部分土中水指向坑外的流径，进而增大该部分土体对地连墙的压力。

地连墙顶部水平位移受回灌井倾角影响变化曲线如图21所示。由图21可知，地连墙水平位移随回灌井倾角的增大而逐渐增大。当回灌井倾斜角在0°～10°时，相较于0°的情况，当倾角为10°时，位移增大了约9.42%。而当回灌井倾斜角在10°～30°时，相较于0°的情况，当倾角为20°、30°时，位移增大了约139.89%、359.42%。由此可见，当回灌井倾角在0°～10°时，基坑地连墙受影响较小。

3.2.3 地连墙弯矩

地连墙弯矩随回灌井倾角变化影响曲线如图22所示。

由图22可知，随着回灌井倾斜角的增大，地连墙弯矩逐渐增大。但弯矩变化的幅度却很小，几乎可以忽略不计。当回灌井倾斜角由0°增大到30°时，地连墙最大弯矩由113.75 kN·m增大到125.12 kN·m，弯矩仅增大了约10 %。

3.2.4 渗流场分析

当α为0°、30°时，建筑物底部水位情况如图23所示。回灌井底部附近土体内水的流径如图24所示。

由图23可知，当α分别为0°与30°时，建筑物底部的水位高度分别为13.08 m与18.87 m。当回灌井的倾斜角为30°时，相对于0°的情况，建筑物底部的水位被抬高了44.27%。同时也可以看出，回灌井的倾斜角度越大，对建筑物附近的水位控制效果越好。观察两图土体内水位曲面的形状可知，回灌井的倾斜角度越大，水位得到控制的范围越大。

由图24可知，当回灌井按传统形式布置时，由于两井滤水段间所存在的直接流经，会干扰基坑内部的降水情况及坑外水位的控制能力。而当回灌井向着建筑物方向发生倾斜时，则会在一定程度上减少对基坑内部降水的干扰，同时，提高对建筑物附近水位的控制效率。

综合分析，当回灌井的倾角发生变化时，可以提高回灌井对坑外土体内水位的控制面积与控制程度，进而减小坑外土体的固结沉降。可倾斜的角度也不宜过大，过大的倾斜会使得建筑物两侧产生过大的水位差，进而增大建筑物的不均匀沉降。同时，倾斜角过大也会增大坑外土体对地连墙的土压力，进而增大地连墙的水平位移。因此，要想通过调整回灌井倾斜角来增大对坑外建筑的沉降控制效果，回灌井倾角应在10°～20°范围内。