临江深基坑抽水试验数值模拟计算技术应用

1临江深基坑抽水试验数值模拟计算技术应用【摘要】上海宇云项目基坑面积31450㎡，设4层地下室。开挖深度为19.4m。基坑东侧地下室边线与江堤堤角的距离为56.34m，TRD水泥土搅拌墙与江堤堤角距离为53.14m。赋存于砂土层中的承压水，与长江水有一定的水力联系，其水位变化受长江水位变化影响，水量丰富；场区下部砂层承压水含水层平均渗透系数18.29m/d。深基坑开挖过程中地下水位控制十分重要。【关键词】临江深基坑承压水渗透系数粉砂互层1、工程概况上海宇云项目深基坑位于武汉市江汉区沿江大道以西、民生路以南、黄陂街以东、南临长航大厦等建筑。基坑东侧地下室结构退红线7.5m，红线外为沿江大道，沿江大道宽约40m，为城市主干道，包含人行道、非机动车道、绿化隔离带及机动车双向四车道。车流量较大。沿江大道东侧为长江，深基坑处于汉口沿江堤堤内，为Ⅰ级堤防，相应堤防桩号为40+215～40+315。地下室边线与堤角的距离为56.34m，TRD水泥土搅拌墙与堤角距离为53.14m。基坑南侧地下室退红线约22～23m，红线外为既有建筑长航大厦，主楼27～33层，裙房4～8层，设有一层地下室，基础埋深8.7m，底板厚2.6m，工程桩勘入中风化岩0.5m，距离本工程地下室约38m。西南侧为两栋还建楼工程，设有两层地下室，普遍埋深10.6m，工程桩为钻孔灌注桩至基岩。西侧地下室结构退红线6m，红线外为黄陂街，宽约20m，道路西侧分布有较多的多层住宅，距离本工程地下室约26～28m。基坑东北侧地下室结构退红线7.2～7.8m，红线外为民生路，宽约30m，道路北侧为和记黄埔地产在建工地。红线内场地西北侧分布一幢16层保留居民楼，距离本工程地下室9～11m，在基坑一倍开挖深度范围内，采用300×300预制桩，接头采用硫磺胶泥焊接接头，本工程基坑底板开挖面位于桩端下部1200mm。基坑开挖深度由未整平的自然地面起算，至基坑底板一般埋置深度为19.4m，局部深度达到25.5m。深基坑采用TRD地下连续墙做落底式止水帷幕，TRD连续墙底部位于中风化泥岩层中，深度约57～59米。2014年9月～2014年10月，中国科学院武汉岩土力学研究所进行了深基坑现场抽水试验工作。2、场地工程地质和水文地质条件2.1场区地形地貌勘探期间场区正在拆除原有建筑物，场地地势较为平坦，场地标高在25.11～26.17米之间。场区地貌单元属长江一级阶地。2.2场地工程地质条件在勘探深度范围内，拟建场区地层按各岩土层的成分、成因及工程性质等自上而下依次可分为：①杂填土（Qml）；②-1粉质粘土夹粉土（Q4al+pl）；②-2粉质粘土与粉土、粉砂互层（Q4al+pl）；③-1粉细砂；③-2粉细砂（Q4al+pl）；④中细砂夹卵砾石（Q4al+pl）；⑤强风化泥岩（S）；⑥中风化泥岩（S）。各岩土层名称和岩性描述如下：2①杂填土：场区内普遍分布，以灰褐色、灰黄色为主，夹有其他杂色，以碎石、砖块等建筑垃圾为主，含少量粘性土。场区有原建筑物老基础，局部地段底部含少量粉土。堆积年限超过10年。层厚3.0～6.6米不等。结构松散，均匀性较差，强度低。②-1粉质粘土夹粉土：场区内仅少数孔缺失。以灰褐色为主，软塑～流塑，湿～饱和，含铁锰氧化物，少量有机质，粉土含量不等，稍密状态，层理清晰。偶夹粉砂，层顶埋深3.0～6.6米，层厚1.2～8.2米不等。强度较低，压缩性较高。②-2粉质粘土与粉土、粉砂互层：场区内普遍分布，灰褐色，稍密，饱和，少量云母。粉质粘土为可塑～软塑状态，呈薄层状夹于粉砂中，粉土呈稍密～中密状态。层理清晰。层顶埋深4.0～13.0米，层厚6.7～17.8米不等。有一定强度，压缩性中等偏高。③-1细砂：场区内普遍分布。青灰色、灰色，饱和，中密，少量云母，局部地段夹少量粘性土和粉土薄层。层顶埋深15.4～24.6米，层厚1.6～15.7米不等。强度中等，压缩性中等。③-1a粉质粘土：呈透镜体状（55#、56#）分布于③-1细砂层，灰褐色，可塑，含有机质、螺壳碎片。层顶埋深21.8～22.4米，层厚1.4～2.2米不等。压缩性中等。③-2粉细砂：场区内普遍分布。青灰色、灰色，饱和，密实，少量云母，偶夹少量粉土。层顶埋深24.4～33.5米，层厚23.0～29.2米不等。强度较高，压缩性较低。局部地段底部偶夹少量中粗砂、砾石。③-2a粉质粘土：呈透镜体状（16#、19#、36#、39#、49#）分布于③-2细砂层，灰褐色，可塑～硬塑状态，少量铁质氧化物，含有机质，螺壳碎片。层顶埋深33.2～46.2米，层厚0.6～6.8米不等。压缩性中等。④中细砂夹卵砾石：场区内局部孔缺失。褐色、灰褐色，饱和，密实，中细砂为主，局部夹大量粉细砂。大量砾石，少量卵石，卵石含量5-10%，直径约3-5cm，砾石含量约20%-40%，粒径0.5-2cm，成分为石英砂岩。层顶埋深52.3～56.0米，层厚0.5～3.3米不等。强度高，压缩性低。⑤强风化泥岩：灰色，稍湿，母岩结构大部分破坏，矿物成分显著变化，裂隙很发育，岩体破碎，风化成土柱状，手捏即散。岩性主要为泥岩，夹有泥质粉砂岩呈互层状，局部夹有为完全风化岩块，泥质胶结，采芯率60-80%。层顶埋深52.0～57.2米，层厚0.7～9.3米不等。强度高，压缩性低。⑥中风化泥岩：灰色，结构部分破坏，矿物成分基本未变，风化裂隙发育，裂隙面方解石脉充填，岩性主要为泥岩，夹有泥质粉砂岩呈互层状，岩芯多呈短柱状，少许块状。泥质胶结，采芯率60-80%。岩体完整程度为破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。该层岩石泥岩岩块抗压强度为5.1Mpa，泥质粉砂岩岩块抗压强度为11.5Mpa，均为软岩。层顶埋深53.5～64.5米，本次钻探未钻穿。2.3场区水文地质条件场地地下水主要为上层滞水及下部承压水。上层滞水主要由地表水源、大气降水和生活用水补给，无统一的自由水面，水位及水量随地表水源、大气降水和生活用水排放量的影响而波动。承压水赋存于下部砂性土层中，水量大且相对较稳定，具统一承压水位，与长江有较密切的水力联系，水位因长江水位季节性变化而变化。场区内第②-1层粉质粘土夹粉土层为具有垂直向弱透水性的交互层，②-2层粉质粘土与粉土、粉砂互层局部粘性土含量较高则弱透水，粉细砂含量高则透水，这里按最不利原则考虑，②-2层粉质粘土与粉土、粉砂互层即按透水层考虑。33、降水目的本工程基坑已采用TRD工法水泥土搅拌墙隔断承压水层，因此本工程基坑降水的主要目的为坑内土体疏干。为了控制风险，还应在基坑内外设置一定数量的备用井、观测井等，确保承压水控制有效。同时，在TRD水泥土搅拌墙及地下连续墙完成后，施工部分抽水井及观测井再次进行抽水试验，检验坑内外水力联系情况，如抽水试验表明，止水帷幕质量可靠，坑内外水力联系不大时，应将坑内水位降至坑底以下，检验降水井及水泵配置能力；如止水帷幕有渗漏现象，应进行回灌效果检验和分析，并通过计算反演定量分析，确定基坑渗透量和渗漏位置，提出渗漏补强措施。坑内疏干井的主要作用如下：（1）加固基坑底的土体，提高坑底土体强度，从而减少坑底隆起和围护结构的变形量，防止坑外地表过量沉降。（2）开挖深度范围内的土体疏干有利于开挖过程中临时边坡稳定，防止滑坡。（3）疏干开挖范围内土体中的地下水，方便挖掘机和工人在坑内施工作业；（4）减小下部承压含水层的水头压力，防止基坑底板管涌、突涌等不良现象的发生，确保基坑底板的稳定性。（5）作为降压备用井，作为承压水控制的应急预案。4、抽水试验完成工作量本次深基坑抽水试验完成工程量汇总见表4-1。表4-1抽水试验完成工作量汇总表序号项目数量备注1降水井施工4口井总长度165米3口井深度40米，1口井深度45米2观测井8口井总长度240米每口井长度30米3抽水试验4组每组抽水试验包括：1口降水井和2口观测井4数值模拟计算分析1项计算TRD的渗透系数；计算TRD墙的渗水量；计算基坑开挖需用降水井数量5、抽水试验5.1降水井和观测井的布置本次抽水试验设计按基坑底相对标高为-19.6m～-25.5m进行。降水井及观测井布置如下：（1）降水井布置：4口，编号CSD1～CSD4，均布置在基坑内侧,其中东侧布置2口,北侧布置1口，西侧布置1口，水井深度40m～45m。（2）基坑内水位观测井：4口，编号KLD1～KLD4，在基坑内距降水井15m～26m处，水井深度30m。（3）基坑外水位观测井：4口，编号KWD1～KWD4，设置在基坑TRD连续墙外侧靠近降水井处，水井深度30m。4降水井及观测井布置见附图5.1-1所示。KWD1与长江岸边距离约55米，KWD2与长江岸边距离约52米，KWD3与长江岸边距离约165米，由于TRD连续墙做止水帷幕，按折线计算KWD4与长江的岸边距离约320米。KWD1与CSD1的距离约9.80米，KWD1与TRD墙外侧面的距离约0.6米，KND1与CSD1的距离约23.71米。KWD2与CSD2的距离约20.32米，KWD2与TRD墙外侧面的距离约3.5米，KND2与CSD2的距离约25.53米。KWD3与CSD3的距离约9.62米，KWD3与TRD墙外侧面的距离约1.5米，KND3与CSD3的距离约15.27米。KWD4与CSD4的距离约13.57米，KWD4与TRD墙外侧面的距离约2.5米，KND4与CSD4的距离约9.96米。图5.1-1抽水试验井点布置图55.2管井施工①降水井成孔采用冲击钻进，成孔口径600mm，井壁管和滤水管管径Φ250mm，壁厚3mm，单管长5.0m左右，井管材质为直缝钢管，滤水管管眼直径为1.6cm，间距为5.0cm，呈梅花状交错布置，孔隙率大于20%，外壁垫筋骨架包尼龙网(60目)缠铁丝。降水井井管总长为40.0～45m，其中井壁管29.0～34m，滤水管15.0m，沉淀管1.0m。井管下置过程中电焊连接。②水位观测井采用采用回旋钻进，成孔直径168mm，成孔深度30m，成孔后下入带有水孔的φ90mm塑料管至孔口，有小孔段的塑料管外包裹一层透水土工布。滤水管管眼直径为1.0cm，间距为4.5cm，呈梅花状交错布置，孔隙率大于20%，外壁包尼龙网(60目)缠铁丝。③井管下入后，在井管与孔壁的环状间隙投入碎平砂或米石，降水井投料高度大于18米，观测井投料高度大于11米，上部间隙采用捣碎后的风干粘土球充填。④成井施工时，当井管下到设计深度后立即投放砾料，投料时边投料边向井管内注水，以清洗滤料及滤网，投料到设计深度后向井孔内投放粘土球进行封孔止水。封孔成井后及时下泵进行了机械洗井和观测孔灵敏度检验，洗井至水清含砂量少于万分之一为止。6、现场抽水试验观测抽水设备采用电潜水泵，电源采用现场电源，出水量测量采用水表；水位观测采用电测仪观测。6.1初值观测抽水试验前，先记录各观测井静止水位。6.2动水位、出水量观测在抽水试验过程中，水泵的抽排水能力设定为80m3/h。对降水井和水位观测井在正式抽水试验开始后第1、5、10、15、30分种各观测1次，以后每隔30分钟观测1次，至到水位稳定。对降水井监测水位的同时应记录水井涌水量。抽水期间，降水井涌水中含砂量监测每2小时1次。6.3稳定水位观测抽水试验水位稳定标准：在稳定时间段，单位时间涌水量波动值不超过正常流量的5%，降水井水位波动值不超过水位降低值的1%，连续2小时内水位变化小于2cm。若观测孔水位与区域水位变化幅值度趋于一致，也视为抽水试验水位稳定。抽水试验稳定水位观测历时1～3天。观测频率：每半小时观测1次。抽水期间，降水井涌水中含砂量监测每2小时1次。6.4恢复水位观测抽水试验结束，需进行恢复水位观测。抽水停止时第1、5、10、15、30分钟各观测1次，以后每30分钟观测1次，至到水位稳定。水位恢复观测历时约1天。66.5观测精度观测精度控制：出水量的观测误差应小于5%，降水井水位观测误差为±10mm，观测井水位观测误差为±5mm。6.6试验结果判定标准TRD止水效果判定标准由深基坑设计单位上海申元岩土有限公司提出：抽水试验过程中，坑底承压水头降深