基于多场耦合的富水软土基坑降水研究.pdf

江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤0引言中国东部沿海地区第四纪沉积物极厚袁 地下水资源丰富袁水位较高1-2遥 在上述环境中袁基坑开挖如果缺乏有效的地下水渗流防治措施袁 可能会造成潜在的地质灾害和流沙尧管涌等事故3-4遥 为了解决上述问题袁大部分工程选择采用合理的止水排水结构来为开挖提供干燥稳定的条件袁增加了周围基于多场耦合的富水软土基坑降水研究曹建林1,2袁罗新宇3袁朱仁民1,2袁张益1,2袁陈春明1,2袁唐强3渊1江苏苏州地质工程勘察院袁江苏苏州 215011曰2江苏地质矿产局第四地质大队袁江苏苏州 215004曰3苏州大学袁江苏苏州 215131冤摘要为了研究止水排水结构对基坑渗流情况的影响袁 文章以苏州市相城区 X352 县道改扩建工程三标隧道基坑为工程背景袁运用数值模拟软件袁以 Richards 方程为基本物理场袁对不同排水条件下的基坑渗流情况进行建模分析遥 研究结果表明院降水井对基坑周围地下水进行排水时袁前 20 h 渗流水压力会下降很快袁20 h 之后会逐渐趋于稳定袁同时降水井数量增多会明显减小渗流水压力遥 地下水位线变化与水压力变化一致袁前期下降较快袁最快可达到 1 m/h 左右袁3 d 后位置逐渐趋于平缓遥关键词基坑曰数值模拟曰降水特征曰降水井曰Richards 方程中图分类号TU463文献标志码 B文章编号1005-6270渊20圆3冤03-0091-05Research on Dewatering in the Water-rich Soft Soil Foundation Pit Based on Multi-fieldCouplingCAO Jianlin1,2LUO Xinyu3ZHU Renmin1,2ZHANG Yi1,2CHEN Chunming1,2TANG Qiang3渊1.Jiangsu Suzhou Geological Engineering Survey Institute,Suzhou Jiangsu 215011 China曰2.The Fourth Geological Brigade of Jiangsu Geological and Mineral Bureau,Suzhou Jiangsu 215004 China曰3.Soochow University,Suzhou Jiangsu 215131 China冤Abstract院In order to study the influence of water stop drainage structure on the seepage of foundation pit,thetunnel foundation pit of X352 County Road reconstruction and expansion project in Xiangcheng District,Suzhou city was taken as the engineering background.The seepage of foundation pit under different drainageconditions is modeled and analyzed by numerical simulation software,and Richards equation is taken as thebasic physical field.The results show that:When dewatering Wells drain groundwater around the foundationpit,the seepage water pressure will decrease rapidly in the first 20 hours and gradually become stable after 20hours.Meanwhile,the increase of dewatering Wells will significantly reduce the seepage water pressure.Thevariation of groundwater level is consistent with that of water pressure,and it drops rapidly in the early stage,reaching about 1 m/h at the fastest,and gradually flattens out after 3 days.Key words院 foundation pit曰numerical modeling曰drainage characteristics曰pumping well曰Richards equation收稿日期圆园22鄄11鄄22作者简介曹建林袁男渊1971-冤袁江苏苏州地质工程勘察院尧江苏地质矿产局第四地质大队袁高级工程师袁主要研究方向为岩土工程遥通讯作者唐强袁男渊1985-冤袁苏州大学袁教授袁博士生导师袁主要研究方向为岩土工程遥基金项目院国家自然科学基金项目渊52078317冤曰江苏省自然科学基金渊优秀青年基金项目冤渊BK20211597冤曰江苏省地质矿产勘查局科技项目 渊2021KY06冤曰 苏州市建设系统科研项目渊2021ZD02袁2021ZD30冤曰 中交隧道工程局有限公司科技项目渊8gs-2021-04冤遥91江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤土壤的稳定性袁并确保工人的施工安全5-6遥实际施工中的降水方法有很多袁如底坑抽水尧井点系统尧深井施工尧设立防水帷幕等7-10遥其中止水帷幕等结构不仅可以作为支护结构袁保证基坑的稳定性袁同时可以作为防止地下水渗漏的屏障11遥随着近些年科学的快速进步和计算机行业的蓬勃发展袁很多相关软件的出现大大提高了基坑施工方案设计的可靠性袁研究人员们可以直接通过一些数值模拟软件对设计施工场地安全性进行建模分析12遥 很多研究者运用现场基本参数袁通过数值模拟软件建立了基坑模型袁对施工过程中的渗流尧沉降情况进行分析计算袁以更好地制定控制防水措施和优化工程方案13-16遥文章即是运用数值模拟软件袁对 X352 县道改扩建工程三标隧道某节段基坑不同止水排水条件下渗流安全性进行了分析袁以研究降水井尧止水帷幕尧工法桩及钻孔桩的排水止水效果遥1工程概况X352 县道改扩建工程三标隧道基坑坐落于苏州市相城区袁全工程分为三标段袁全长约为 4.665 km遥 整个隧道由主隧道(机动车隧道)及人非隧道组成袁由太东路自西至东延伸遥 主隧道从西边的吴韵路路口东开始袁在横断面有 6 个双向车道遥 向东穿越水景街尧环秀湖遥 该隧道位于湖底南北侧各有一个匝道(单向双车道)袁于相融路路口以西接地曰改扩建后主隧道横断面规模为双向四车道袁过相融路路口后上抬袁 在双泾港西侧敞开段接地遥 图 1 为 X352三标隧道地理位置平面示意图遥根据现场勘察数据可知袁拟建施工场地地下土质主要为黏性土尧砂质黏土尧砂土构成袁隧道下地质剖面图详见图 2遥 根据其形成年代尧成因类型及理化参数的区别袁可大致划分为淤輥輱訛袁共 13 个主要地层遥苏州地区地处长江流域太湖水系区袁区内地表水系极其发育袁主要有太湖尧阳澄湖等规模不同的水域遥 并且苏州市属于亚热带季风气候袁年均降水量较高袁因此基坑工程的渗流问题成为重点关注内容遥X352 县道改扩建工程主要采用止水帷幕尧工法桩和降水井等措施对基坑工程进行排水止水袁文章即是采用数值模拟软件对代表性基坑截面进行建模袁以不同排水条件对基坑渗流产生影响遥2参数选取2.1 几何模型文章选取 K7+475 K7+505 段进行建模袁其中主隧道基坑宽为 29.00 m袁两侧基坑宽为 8.00 m袁施工总宽度为 61.50 m袁深度 12.00 m袁长 35.00 m遥 主隧道采用 D800 钻孔桩及搅拌桩止水帷幕进行围护袁人非隧道采用 SMW850 工法桩进行围护遥 第一道支撑为混凝土支撑袁其余均为钢支撑遥 图 3 为该节段基坑横断面图遥2.2土层及地下水参数选取施工场地地下土层间物理力学参数差异较大袁这会在一定程度上影响地下水在层间渗流的渗流特征17遥 具体物理力学参数见表 1遥 潜水初见水位埋深一般在 1.00 m耀3.50 m 之间袁稳定水位埋深在0.60 m耀2.70 m 之间袁相应标高在 0.48 m耀2.25 m 之间袁 平均标高为 1.30 m遥 本次计算取地下水位为-1.30 m遥图 1X352 三标隧道地理位置平面示意图图 2环秀湖隧道地质剖面图图 3基坑横断面图92江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤2.3 物理场选取文章进行数值模拟分析选用的物理场为Richards方程遥 1931 年袁Richards通过实验证明土壤的非饱和渗流仍然符合 Darcy 定律袁并依据结果推导出 Richards方程18遥后于 1948年袁Childs和 George在应用推导过程中引入了扩散率的定义袁使得 Richards方程具有了扩散方程的形式院鄣兹鄣t=鄣鄣zD渊兹冤鄣兹鄣z蓘蓡+鄣K渊兹冤鄣zD渊兹冤=K渊兹冤鄣追m渊兹冤鄣兹渊1冤式中院t要要要时间曰z要要要据基准面的距离袁向上为正曰K渊兹冤要要要土壤宏观导水率袁即沿水流方向土水梯度为 1 时的通量密度曰追m渊兹冤要要要土壤宏观基质势袁旧称毛管势曰D渊兹冤要要要土壤水分宏观扩散率袁即基质势梯度为 1 时的导水率曰兹要要要土壤容积含水率遥虽然对土壤渗流能力随时间变化的规律视为非饱和土壤水分在分子力尧毛管力尧重力和土壤阻力综合作用下袁寻求内部平衡这一随机物理过程有了比较客观的描述袁但这也同时存在着显而易见的理论缺陷遥公式对非饱和土壤的水分特征函数 K渊兹冤和 D 渊兹冤 随着 兹 而变化的规律做了不符合实际现象尧过于简单的概括袁整个过程中包含了很多经验的成分遥 之后又有学者为了完善这些缺陷袁通过运用半无限均质土壤单位面积野切片冶孔径级配函数构建了统计毛管束模型和土壤水分分布依赖的力学原理袁论证了水分特性函数随充水度尧土壤基质和结构状态而变的机理尧规律以及它们之间内在的联系19遥 其基础公式为院K渊B冤=KsB姿-Br姿1-Br姿B=Q/nBr=Qr/n渊2冤追m渊B冤=DsKs窑1-B1-bc1-bc渊3冤D渊B冤=Ds窑B姿-Br姿Bbc姿=2c+1渊4冤式中院B尧Br要要要土壤充水度和无效充水度曰n要要要土壤孔隙率曰c要要要土壤孔径级配参数曰b要要要土壤毛细水上升高度修正指数袁理论值为 1.0曰Ks尧Ds要要要土壤宏观饱和导水率和张力饱和扩散率遥3模型建立3.1模型建立及网格划分根据基坑断面数据及土层参数袁运用数值模拟软件对 K7+475-K7+505 段基坑进行模型建立袁并进行网格划分袁模型网络图见图 4遥 由图可知袁本段基坑工程共含 5 口降水井袁 其中主基坑 3 口袁两侧基坑各一口袁主基坑中间为主降水井袁其余两口为副降水井袁两侧基坑中均为备用降水井遥3.2模拟相关结果当地下水及降雨量较少时袁基坑只启用主降水表 1土层参数表层号土名重度 酌/渊kN/m3冤粘聚力c/kPa摩擦角椎/毅渗透系数k/(cm/s)压缩模量Es0.10.2/MPa盂榆1榆2虞1虞2愚余1余2淤泥质粉质黏土黏土粉质黏土砂质粉土粉砂粉质黏土黏土粉质黏土17.5019.5019.2018.6018.8018.5019.7019.4012.0030.0035.008.0030.0025.0053.0035.0011.216.017.1023.0017.0014.1018.0017.102.37伊10-61.47伊10-73.05伊10-63.33伊10-51.01伊10-43.61伊10-61.79伊10-73.65伊10-62.635.595.6310.609.557.736.616.61图 4基坑模型网格93江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤井进行排水袁该条件下基坑渗流情况见图 5遥 根据模拟结果可知袁如图 5渊a冤所示袁单井条件下袁水压力在主降水井附近压力最小袁其它部位压力随着埋深的增加而增加遥 对于流线图袁黏土中的渗流速度约为 7.55伊10-9m/s袁 粉砂中的渗流速度约为 4.35伊10-9m/s遥 对于各种止水结构袁在搅拌桩止水帷幕中渗流速度约为 1.09伊10-12m/s袁 工法桩中的渗流速度约为 1.22伊10-12m/s袁 钻孔桩中的渗流速度约为4.61伊10-10m/s遥气候或其它原因导致地下水渗流量增多时袁基坑会启用主降水井与副降水井同时进行排水袁该条件下基坑渗流情况见图 6遥 根据模拟结果可知袁水压力云图变化趋势与单井时类似袁水压力值对比单井条件时略有减小遥 此条件下黏土中渗流速度大约为 9.45伊10-9m/s袁 粉砂中的渗流速度约为 6.48伊10-9m/s遥 对于各种止水结构袁搅拌桩止水帷幕中的渗流速度约为 1.23伊10-12m/s袁 工法桩中的渗流速度约为 1.32伊10-12m/s袁 钻孔桩中的渗流速度约为6.32伊10-10m/s遥渗流量持续增大到一定程度后袁 两侧的备用降水井也启用进行共同排水袁 该条件下基坑渗流情况见图 7遥 根据模拟结果可知袁水压力依旧是降水井附近最小袁压力值比其它两种情况小遥 该条件下黏土中的渗流速度约为 1.27伊10-8m/s袁粉土中的渗流速度约为 1.24伊10-8m/s袁土层中的渗流速度明显大于其它两种情况遥 几种止水结构中的渗流速度依旧远小于土层中的渗流速度袁止水帷幕中的渗流速度约为 3.75伊10-13m/s袁工法桩中的渗流速度约为 4.02伊10-14m/s袁钻孔桩中的渗流速度约为 3.23伊10-10m/s遥 由 3 个渗流压力流线云图可知袁几种排水条件下各个止水结构对于基坑的防渗挡水效果显著袁渗流速度约为土层中的 10-110-6倍袁 满足实际工程中基坑渗流安全性的要求遥在渗流过程中袁某点水压力变化情况可以在一定程度上反映该点流速变化20遥对 3 种不同情况下开始排水后 48 h 内基坑渗流情况进行模拟分析袁计算了基坑下 10 m 处某点水压力和流速袁结果见图 8遥 由图可知袁3 种排水条件下袁水压力的变化趋势基本相似遥前 20 h 渗流水压力下降较快袁20 h 后渗流水压力变化变缓直至最后基本趋于稳点遥同时可以看到袁 增加降水井数量会减小渗流水压力袁尤其是在五口降水井同时排水时袁 水压力下降明显袁这说明基坑排水方案是合理的遥对排水过程中不同时间段基坑周围地下水位变化进行模拟分析袁结果见图 9遥 根据模拟结果可知袁经过 5 d 左右时间袁地下水位基本都可以稳定距开挖面约 4.50 m 处袁满足基坑施工安全性要求遥地下水位的变化趋势与水压力变化趋势对应袁降水前期袁水压力较大袁基坑周围地下水流速较大袁地下水位线下降较快袁下降速度约为 1 m/h遥 随着降水的进行袁到 3 d 之后袁渗流速度随水压力逐渐趋于稳定袁水位线的下降开始变得平缓袁直到距开挖面图 5单井条件下基坑渗流压力流线云图图 6三井条件下基坑渗流压力流线图图 7五井条件下基坑渗流压力流线图图 8不同排水条件基坑下 10 m 某点处水压力变化图图 9不同排水条件地下水位线高程变化图94江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤底部 4.50 m 左右时袁 地下水位线与降水井位置间水头差较小袁地下水位不再发生明显变化遥4结语文章通过数值模拟软件袁 以 Richards 方程为基本物理场袁对 X352 县道改扩建工程三标隧道某节段基坑不同止水排水条件下渗流安全性进行了模拟袁得到以下结论院渊1冤 启用降水井对基坑周围地下水进行排水时袁渗流水压力在前期下降较快袁20 h 后逐渐趋于稳定遥 并且随着降水井数量增多袁水压力也会发生下降袁尤其是在 5 口降水井同时作用时袁水压力下降明显曰渊2冤地下水位线变化与水压力变化一致遥 降水前期下降较快袁下降速度约为 1 m/s袁3 d 之后下降逐渐趋于平缓袁最后基本稳定在距设计开挖面下约4.50 m 处遥参考文献1 谢复飘.广西沿海地区第四纪地层特征J.南方国土资源袁2019渊08冤院74-78.2 李智杰.沿海地区淤积质软土层地基处理技术措施研究J.铁道建筑技术袁2016渊11冤院66-69.3 Xu YS,Shen JS,Zhou AN,Arul A.Geologicaland hydrogeological environment with geohazardsduring underground construction in Hangzhou:a re鄄viewJ.Arabian Journal of Geoences,2018,11(18):1-18.4 Wu YX,Lyu HM,Han J,Shen Sl.Dewatering-induced building settlement around a deep excavationin soft deposit in tianjin,chinaJ.Journal of Geotech鄄nical and Geoenvironmental Engineering,2019,145(05).5 李友龙袁董洪信袁赵中省.建筑工程深基坑降水方案设计要要要以江苏省徐塘电厂为例J.地质学刊袁2011袁35渊01冤:78-81.6 定培中袁肖利袁李威袁陈华贵.深厚透水性地层中大型深基坑降水方案设计探讨J.长江科学院院报袁2012袁29渊02冤院46-50.7 陈鹏飞袁龚晓袁刘念武.止水帷幕的挡土作用对深基坑变形的影响J.岩土工程学报袁2014袁36渊增刊二冤院254-258.8 蒋国旺.大型深基坑止水帷幕与复合支护结构设计及施工技术 J.建筑技术开发袁2011袁38渊03冤院15-18+44.9 郑刚袁赵悦镔袁程雪松袁哈达袁栗晴瀚.复杂地层中基坑降水引发的水位及沉降分析与控制对策J.土木工程学报袁2019袁52渊增刊一冤院135-142.10 Liu L,Lei M,Cao C,Shi CH.Dewateringcharacteristics and inflow prediction of deep 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