深基坑降水坑底渗流变形破坏规律研究_郑浩.pdf

随着基坑开挖深度的增加，其所处的地质条件和周围环境变得越来越复杂，而深基坑开挖必须保证坑内无水或有水但不影响施工，因此降水是其主要措施之一。在施工过程中，降水深度过深会使基收稿日期：2022-12-05作者简介：郑浩，男，工程师，硕士，主要研究方向为建筑工程施工技术研究。通讯作者：钟紫蓝，男，副研究员，博士，主要研究方向为生命线工程抗震领域技术研究。引文格式：郑浩，郭栋，钟紫蓝，等.深基坑降水坑底渗流变形破坏规律研究 J.市政技术，2023，41（3）：94-100.（ZHENG H，GUO D，ZHONGZL，etal.Studyonseepagedeformationandfailurelawofbottom precipitation percolation at deep foundation pit J.Journal ofmunicipaltechnology，2023，41（3）：94-100.）文章编号：1009-7767（2023）03-0094-07第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.094Journal of Municipal Technology深基坑降水坑底渗流变形破坏规律研究郑浩1，郭栋2，钟紫蓝2*，张卜2，闫成龙1（1.中铁建设集团有限公司，北京 100041；2.北京工业大学 城市建设学部，北京 100124）摘要：为研究深基坑在不同降水深度下的变形规律，以北京市城市副中心站综合交通枢纽超大深基坑工程为研究背景，基于Midas GTS NX 有限元分析软件建立了二维数值模型，并通过数值模拟研究了不同降水深度下深大基坑变形规律。研究结果表明：随着降水深度的增加，基坑底部沉降量从坑底中心到坑底边缘逐渐增加，支护结构水平位移和竖向位移也随之增加；一次降水对基坑沉降影响较大，分步降水工况下的地连墙水平位移和周围地表沉降均较一次降水小，因而现场施工宜采用分步降水开挖方案，以减小降水对基坑的影响。关键词：深基坑；降水；渗流；基底变形；数值模拟中图分类号：TU 753文献标志码：AStudy on Seepage Deformation and Failure Law of Bottom PrecipitationPercolation at Deep Foundation PitZheng Hao1，Guo Dong2，Zhong Zilan2*，Zhang Bu2，Yan Chenglong1（1.China Railway Construction Group Co.，Ltd.，Beijing 100041，China；2.Beijing University of Technology Faculty of Architecture，Beijing 100124，China）Abstract：In order to study the deformation law of deep foundation pit under different precipitation depth，the com-prehensive transportation hub project of the Beijing Urban Sub-center Station was taken as an example.A two-di-mensional number model was established by Midas GTS NX finite element analysis software.The deformation law ofthe deep foundation pit under different precipitation depths was studied by numerical simulation.The results showthat the sedimentation volume at the bottom of the foundation pit gradually increases from the center of the bottom tothe edge with the increases of precipitation depth，and both the horizontal and vertical displacement of the supportstructure are also increased；One precipitation has a greater impact on the settlement of the foundation pit.The hori-zontal displacement of the diaphragm wall and the settlement of the surrounding surface under-step precipitationconditions are smaller than that of a precipitation.Therefore，step-by-step precipitation excavation plan should beapplied in the construction on-site to reduce the impact of precipitation on the foundation pit.Key words：deep foundation pit；precipitation；percolation；substrate deformation；numerical simulation第3期坑周边地表和支护结构产生较大变形；降水深度过浅则降水效果不好，进而影响基坑开挖施工。近年来，对深基坑降水渗流变形的研究已取得较多成果。如：崔广芹等1以北京市某地铁站基坑工程为研究背景，采用有限元分析软件Midas GTS NX建模，分析了不同降水条件下开挖对深基坑地表变形和地连墙水平位移的影响，认为：“一降一挖”的施工方案对地表沉降的控制优于“一降到底”的施工方案；曾超峰等2研究了基坑宽度对支护墙变形的影响规律和机理，并计算了35个常见工况的三维流固耦合有限元数值，认为：当预降水时间和降水深度相同时，宽度较大的基坑将发生更大幅度的支护墙侧移；马玉飞等3以济南市某城区建筑基坑为研究背景，利用数值模拟方法建立了三维有限元模型，研究了基坑开挖过程中降水对基坑支护结构和周边环境的影响，认为：距基坑边缘3倍开挖深度以内的范围地面沉降较为明显，而设置封闭式止水帷幕能够有效降低基坑降水对周边建筑物和周边环境的影响；张军等4采用室内变水头试验，得到了适用的降水方法，并借助有限元分析软件MidasGTSNX建模，认为：基坑降水开挖相对于不降水时，地连墙墙体的环向应力、竖向弯矩和侧向位移均增大；张俏楚等5采用SLB-1应力应变控制式三轴剪切渗透仪模拟了基坑降水开挖过程，研究了不同深度土体的变形特性，认为：基坑降水开挖对土体的影响随土体深度的增加而减小。但国内外学者6-16关于这方面的研究多集中在理论研究、数值模拟和模型试验等方面。地下水位对深基坑工程的影响是最为基础的问题之一，且地下水也是导致基坑失去稳定性的关键因素。基坑降水诱发的沉降不仅是单一应力作用的效果，也是应力场和渗流场耦合作用后的产物。目前不同降水深度对基坑坑底沉降变形影响的研究尚少。鉴于此，笔者依托北京市城市副中心站综合交通枢纽超大深基坑项目，采用有限元分析软件MidasGTS NX建立二维数值模型，并分析不同降水深度下的深基坑渗流场、基坑降水过程中地连墙变形、基坑周围地表沉降和基坑坑底变形，以期为工程的顺利施工提供参考。1工程背景1.1工程概况北京市城市副中心站综合交通枢纽位于北运河与运潮减河之间，总面积约0.59 km2。该项目是京唐城际铁路和京滨城际铁路（京唐共线段）的设计起点和建成初期的运营始发/终点站，同时也是北京市城际铁路联络线（北京首都国际机场北京大兴国际机场）的重要枢纽站。北京市城市副中心站综合交通枢纽地下建设范围见图1。该工程共分为4个标段，笔者研究范围为01标段的站房核心区域。该工程位于北京市通州区城市副中心西侧，其北侧为京哈铁路、西侧为北运河、东侧为东六环路，总建筑面积约324 461 m2；周边环境复杂，地下水丰富且赋存条件复杂，属于深大复杂基坑，即基坑长188m，宽166m，平均深度34.85m，最大深度38.15m；支护结构采用地连墙逆作法施工技术，降水采用坑内大口井回灌井坑外观测井的方式。1.2工程地质、水文概况根据工程实际地质条件，可将研究范围内的土层连通和交叉部分作简化处理，忽略较薄透镜体和夹层。简化后的土层分别为：有机质黏土层、细砂层、砂质黏土层、重粉质黏土层和中砂层，各土层的渗透系数分别为0.1、3.9、0.5、0.001、5.0 m/d。工程地质勘察结果显示的主要土层物理力学参数见表1。表1主要土层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of main soil layers土层名称厚度/m容重/（kN/m3）泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/（）压缩模量/kPa有机质黏土层细砂层砂质黏土层重粉质黏土层中砂层8252293118.518.118.919.819.60.340.300.300.350.3127.5017.048.9018.432.030.016.336.08 00065 00019 00020 60090 000图1北京市城市副中心站综合交通枢纽地下建设范围Fig.1 Beijing sub-central station comprehensive transportationhub underground construction range郑浩等：深基坑降水坑底渗流变形破坏规律研究95Journal of Municipal Technology第41卷控制性勘探孔最大深度为105.00 m，根据现场勘探和室内土工试验成果，将勘探范围内的土层划分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪沉积层，并根据各土层岩性和工程性质指标进一步划分为14个大层和亚层。典型地质剖面见图2。在建工程场地位于潮白河冲洪积扇中下部，第四纪沉积韵律较为明显，地层为黏性土、粉土和砂土互层沉积，分布有多层地下水，含水层岩性主要为粉土和砂土。该工程勘探期间（2019年12月中旬2020年1月上旬）于拟建场区内（孔深50 m）量测到3层地下水，各层地下水水位量测情况见表2。表2地下水水位量测情况Tab.2 List of groundwater level measurements地下水类型主要含水层地下水稳定水位（承压水测压水头）/m水位埋深水位标高潜水承压水承压水9.7013.3010.3015.5011.0015.308.8110.286.769.685.538.96细砂、中砂层，黏质粉土、砂质粉土1层，细砂、中砂层，细砂、中砂层，黏质粉土、砂质粉土1层细砂、中砂层，砂质粉土、黏质粉土2层细砂、中砂层，砂质粉土、黏质粉土1层图2典型地质剖面Fig.2 Typical geological profile96第3期2数值模拟2.1本构模型选取土体内部变形十分复杂，选取合适的本构模型可以获得更精确的模拟结果。有限元分析软件MidasGTS NX提供了许多本构模型，岩土计算一般采用非线性弹性模型和弹塑性线性模型。其中，非线性弹性模型相对而言较为简单、容易操作，当土体受到外力时，其应力-应变是非线性变形，但不能精确地计算出土体的剪胀性和塑性变形，而弹塑性线性模型的计算结果更加精确。摩尔-库伦模型的特点在于能较好地描述土体的强度问题，并且符合弹塑性结构的变形特性，还可描述岩土类材料和静水压力的敏感性。根据现有工程地