基坑开挖及减压降水对环境影响的有限元分析.doc

天津富力A09地块基坑围护结构设计方案第四部分 基坑开挖及减压降水对环境影响的有限元分析12天津大学建筑设计研究院为了较准确地预测基坑开挖卸荷及抽降承压水对围护结构变形和周边环境的影响，采用专业的岩土工程有限元分析软件Plaxis对基坑开挖过程进行有限元数值模拟。一、模型基本情况(1) 本构模型有限元分析中土体采用适用于基坑开挖的Hardening-Soil（硬化土）模型，围护结构采用线弹性模型。Hardening-Soil模型是一个可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体行为的先进模型，是一种塑性模型，并且考虑了土的剪胀性。本基坑建模的土性参数参考勘察单位给出的地质资料。围护结构参数选取根据前述基坑设计方案。(2) 单元类型及边界条件数值模拟中土体采用平面应变15节点2-D等参单元；地下连续墙、周边建筑、工程桩等采用梁板单元来模拟；边界条件采用标准边界，即模型底部限制水平和竖向位移，两侧限制水平位移。此外，为了考虑基坑围护结构与周围土体之间的共同作用，按照不同土层设置了界面强度折减因子；施工步骤按照前述工况进行计算。为了模拟微承压含水层的水头情况，取该层的边界水头为定水头。(3) 计算剖面选取本基坑范围内承压含水层含水量丰富，影响半径较大，基坑北侧为正在施工的A07地块，由于承压含水层厚度很大，减压降水会引起较大范围内的土体沉降，因此必须考虑本基坑降水开挖后对A07地块已有地下建筑的影响情况。因此本次计算选取南北剖面，模型取500m宽，75m深。二、分析模型计算模型中考虑A07地块地下结构施工完毕，桩长按70m，假定地上荷载200kn/m2，模型地面标高-1.6m，模型如下图1所示。图2为土层水头分布的示意图。图1 有限元模型图2 初始水头分布（不考虑第二承压含水层）潜水含水层水位埋深约0.5m，承压含水层水位埋深约8m三、分析过程（1）承压含水层安全水位的计算考虑本基坑第一微承压含水层的顶托力对基坑底板抗突涌稳定性的影响，需进行稳定性验算，防止承压水产生突涌，对基坑造成危害。基坑底板抗突涌稳定性条件：基坑底板至承压水含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力。即：其中：h 基坑底至承压水含水层顶板间距离（m）； 基坑底至承压水含水层顶板间土体厚度加权平均重度（KN/m3）； H 承压水含水层顶板以上的承压水头高度（m）； 水的重度（KN/m3），取10 KN/m3； 基坑抗突涌安全系数，取1.20； 第一微承压水层顶埋深25.5m，相对标高 -27.1m。根据抽水试验报告，第一微承压水含水层初始水位埋深为8m，相对标高 -9.6m。因此，计算的第一微承压水含水层顶托力为：=1.2x10x(-9.6)-(-27.1)=210Kpa基坑各开挖部位稳定性验算开挖部位开挖深度（m）承压水顶托力（kpa）含水层上部土压力（kpa）降压深度（m）安全水位埋深（m）安全水位标高(m)裙房20.2210100.79.317.2-18.9主楼2347.513.6321.63-23.23由以上验算可知，本工程需要将第一承压水位降低5.6710.1m，安全承压水位埋深为17.221.63m。 基坑降压临界开挖深度承压水顶托力（kpa）临界开挖深度（m）临界开挖标高（m）自然地面标高（m）21013.8-15.4-1.6根据计算，基坑开挖深度到13.8m（标高-15.4m）时，需提前开启降压井进行降压，确保基坑安全。（2）分析工况 根据设计的开挖工况和基坑降压的临界开挖深度，分析工况如下表：工况一初始应力计算工况二施工围护结构工况三开挖首层土，施工第一道支撑工况四开挖第二层土，施工第二道支撑工况五开启减压井减压，开挖第三层土，施工第三道支撑工况六继续减压，开挖第四层土，施工第四道支撑工况七继续减压，开挖到基底。四、计算结果（1）施工完第一道支撑图3 施工完第一道支撑后土体变形云图 北侧 南侧图4 围护结构水平位移，最大位移为11.94mm图5 坑内外水头分布（未降承压水） 可以看到施工完第一道支撑后，土体变形只在基坑开挖范围内，承压含水层的水头分布未发生变化。坑外基本无沉降发生。（2）施工完第二道支撑 施工到第二道支撑时，基坑开挖仍在安全范围内，因此未开启减压井降水，基坑变形云图如下：图6 施工完第二道支撑后土体变形云图坑外基本无沉降 北侧 南侧 图7 围护结构水平位移，最大水平位移21.05mm图8 坑内外水头分布（未将承压水）（3）施工完第三道支撑 图9 施工完第三道支撑后土体变形云图 由于开启了减压井，坑外开始沉降图10坑外沉降20.82mm图11 A07地块沉降17.16mm 北侧 南侧 图12 围护结构水平位移，最大位移28.99mm图13 坑内外水头分布，承压水头降低了约9m（4）施工完第四道支撑图14 施工完第四道支撑后土体变形云图坑外沉降随着承压水头的降低开始增大图15 坑外最大沉降32.93mm图16 A07地块最大沉降22.02mm 北侧 南侧图17 围护结构最大水平位移41.76mm图18 坑内外水头分布承压水头降低了约12m（5）开挖到基底图19 开挖到基底后的土体变形云图图20 坑外最大沉降39.35mm图21 A07地块最大沉降24.5mm图22 坑内外水头分布，承压水头降低约14m 北侧 南侧图23 围护结构最大水平位移约47.37mm五、计算结果分析与对比 根据以上计算结果可以看到，抽降承压水对周边环境影响较大，影响范围较广，在未进行承压含水层降压时，坑外沉降很小，影响范围也很小。第一次降压后，坑外沉降的范围和沉降量有显著增大，达到20mm。综合分析其原因是该承压含水层水量丰富，抽降该层承压水影响范围会很大。此外，由于含水层厚度约25m左右，大量抽水后，该含水层孔压下降，造成地面瞬时固结沉降。根据分层总和法 s=UiPiEiHi式中： s 为降水引起的地面附加沉降量Ui 为第i层土的固结度Hi为低i层土层厚度Pi为 第i层土降水引起的附加荷载Ei 为第i层土的压缩模量由上式可以看到，承压含水层的厚度较大，则土体沉降量较大。根据计算结果，靠近基坑北侧的A07地块会受到较大的影响，坑内承压水头降低后，由于坑内外水利联系未隔断，A07地块底部承压水头也有下降，水头的下降带来土体的瞬时固结沉降，同时由于上部建筑荷载的作用，引起结构有较大沉降。为了分析是否是承压水减压引起的A07地块沉降，本方案进行了另外一种模型的计算，考虑地连墙底部到隔水层采用旋喷桩隔断，因旋喷桩隔断达不到地连墙的效果，因此本次模拟计算中，考虑了旋喷桩隔断有一定的渗透性。模型如下： 图24 有限元模型 图25 地墙底部采用旋喷桩止水（1）施工完首道支撑 图26 施工完首道支撑后的土体变形云图图27 坑内外水头分布（坑内外承压水未完全隔断） 北侧 南侧图28 围护结构最大水平位移11.77mm（2）施工完第二道支撑图29 施工完第二道支撑后的土体变形云图图30 坑内外水头分布 北侧 南侧图31 围护结构最大水平位移20.55mm（3）施工完第三道支撑图32 施工完第三道支撑后土体变形云图坑外开始有沉降图33 坑内外水头分布，可以看到坑外承压水有轻微下降 北侧 南侧图34 围护结构最大水平位移31.25mm图35 坑外沉降7.38mm图36 A07地块有4.42mm沉降（4）施工完第四道支撑图37 施工完第四道支撑后土体变形云图 坑外沉降增大图38 坑内外水头分布 坑外承压水头略有下降 北侧 南侧图39 围护结构最大水平位移45.73mm图40 坑外沉降14.15mm图41 A07地块沉降5.14mm（5）开挖到基底图42 开挖到基底土体变形云图图43 坑内外水头分布 坑外水头略有下降图44 坑外土体沉降18.59mm图45 A07地块沉降5.6