软土地层中基于沉降控制的地下水回灌研究★

曾超峰 薛秀丽 罗 鹏

(湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

·岩土工程·地基基础·

软土地层中基于沉降控制的地下水回灌研究★

曾超峰 薛秀丽 罗 鹏

(湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

结合软土地区深基坑工程地下水回灌案例，发现回灌期间坑外被保护建筑持续沉降，为控制这部分沉降，对提出的双回灌井回灌策略进行了数值分析，研究了副回灌井的回灌量对双井回灌控沉效果的影响，并得到不同条件下使得受保护建筑不发生沉降时的副回灌井回灌量的取值规律。

深基坑，地面沉降，回灌，有限元计算

0 引言

近年来，我国对地下空间的开发力度越来越大，在城市拥挤地区涌现大批基坑工程，基坑变形需要严格控制，在高水位地区，由于承压含水层的存在，常需要对基坑进行承压水降水以防止发生基坑突涌。然而，对于大量采用悬挂式止水帷幕的工程来说，坑内承压水降水必然引起坑外承压层水位下降，并进一步引起地面沉降，目前，常采用地下水回灌来控制这部分沉降[1-3]。不过，回灌井回灌过程中需要进行周期性的回扬抽水，该过程会引起承压层水位短暂下降，由于承压层的变形对水位十分敏感，因此，即使短暂的回扬抽水也可能引起地面沉降[4,5]，这显然违背了采用地下水回灌来控制沉降的初衷。

本文针对上述问题开展了工程实测与数值模拟研究，首先报道了软土地区深基坑工程地下水回灌的案例，发现回灌期间坑外被保护建筑持续沉降，为控制这部分沉降，对提出的双回灌井回灌策略进行了数值分析，研究了副回灌井的回灌量对双井回灌控沉效果的影响，并得到不同条件下使得受保护建筑不发生沉降时的副回灌井回灌量的取值规律。

1 工程背景

天津某大面积建筑基坑，如图1所示，最大开挖深度为24 m，场区第一承压含水层埋深21.5 m～34.5 m，第二承压含水层埋深40.5 m～53.5 m。由于基坑开挖深度进入了第一承压层，故降水井采用了潜水层—承压层混合疏干井(无砂混凝土管)，井底埋深28 m～31.5 m。场区抽水试验表明第一、二承压层间有一定水力联系，由于基坑止水帷幕最深约37 m，未截断第二承压层，故坑外承压层水位会受到坑内降水井疏干过程的影响。

为防止基坑内降水引起坑外紧邻建筑(称为被保护建筑)处发生承压层水位下降进而引发沉降，在被保护建筑四周设置了5口承压层回灌井(H1,H3,H4,H7,H11)，回灌井过滤管范围为埋深24 m～46 m，即，对第一、二承压层进行回灌。回灌井平面布置见图1。同时，在基坑与被保护建筑间设置了4口承压层水位观测井(A3,A4,A11,A12)以动态观测被保护建筑处第一、二承压层水位。JZ1～JZ14为被保护建筑沉降监测点。

图2为回灌前后被保护建筑沉降发展曲线，可以看出，回灌前，基坑开挖降水引起建筑物持续沉降，回灌开始后，由于建筑物处承压层水位下降被限制住，因而建筑物未继续发生沉降，而回灌结束后，由于被抬升的水位又发生下降，因而又引起建筑物发生沉降。值得注意的是，回灌过程中，建筑物仍发生了一定幅度沉降，只是相对于回灌前和回灌结束后而言相对较小，因而从图2不能明显看出来。事实上，回灌过程中建筑物的沉降是由于回灌井周期性回扬抽水引起的。为防止这部分沉降，郑刚提出了一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法[6]，该方法指出在基坑与受保护建筑之间设置主回灌井，再在主回灌井与受保护建筑之间设置副回灌井，让副回灌井在主回灌井回扬抽水时进行回灌，以弥补因主回灌井回扬抽水而引起的地下水位的下降和地面沉降。下文将针对这一方法开展数值分析，研究在不同双回灌井井点布置条件下，副回灌井的回灌量对主、副回灌井组合回灌引起地面沉降的影响。

2 数值模型建立

2.1模型介绍

本文选用有限元软件ABAQUS建立数值模型，进行二维的流固耦合的数值模拟，主回灌井到受保护建筑之间的距离为D、副回灌到受保护之间的距离为d，双回灌井与被保护建筑间位置关系见图3。显然，在主回灌井回扬抽水过程中，若副回灌井回灌量合适的话，可以防止主回灌井回扬抽水引起的受保护建筑位置处发生水位下降，从而防止受保护建筑发生沉降。

采用天津某地铁车站基坑场地条件[7]建立本文数值模型(工程地质详细背景在此不赘述)，土体采用修正剑桥模型模拟，土体参数见文献[7]。主、副回灌井的深度均为24 m，过滤管位于埋深19 m～24 m位置处，即，向第④层土砂质粉土扬水、灌水，模型中通过在主、副回灌井埋深19 m～24 m位置处施加流量来模拟扬水和灌水过程。模型的边界条件设置参见文献[8]。

2.2计算工况

本文分析了d/D=0.25,0.5,0.75以及D=10 m,12 m,14 m的九种工况下使得受保护建筑不发生沉降时的副回灌井回灌量的取值规律，主、副回灌井同扬同灌21 d。

3 计算结果与分析

工况1:d/D=0.25,D=10 m,d=2.5 m。

图4为不同副回灌井回灌量的条件下主、副回灌井同扬同灌过程中距副回灌井3 m处地面沉降时程曲线(变形量正值代表隆起，负值代表沉降，下同)，可以看出，在同扬同灌之初，所有工况中受保护建筑物处地面都发生了隆起，这主要是因为副回灌井到受保护建筑之间的距离比主回灌井到受保护建筑之间的距离小，因此，模拟初期受保护建筑主要受副回灌井回灌的影响，发生隆起，而主回灌井对受保护建筑的影响还很小。随着同扬同灌时间延长，受保护建筑处地面出现沉降增量，而且副回灌井回灌量越小，沉降越大，当副回灌井流量q=0.87 m3/h时，距离副回灌井3 m处地面变形稳定后既无沉降也无隆起，而当副回灌井流量大于(小于)该临界值时，将出现地面隆起(沉降)。

工况2：d/D=0.5,D=10 m,d=5 m。

图5为不同副回灌井回灌量的条件下主、副回灌井同扬同灌过程中距副回灌井6 m处(即，被保护建筑处)地面沉降时程曲线，各曲线变化规律同图2中所示，只是使得被保护建筑处既不发生沉降也不发生隆起的副回灌井临界流量变为q=0.89 m3/h，同样地，当副回灌井流量大于(小于)该临界值时，将出现地面隆起(沉降)。

工况3：d/D=0.75,D=10 m,d=7.5 m。

图6为不同副回灌井回灌量的条件下主、副回灌井同扬同灌过程中距副回灌井8 m处地面沉降时程曲线，各曲线变化规律同图4,图5中所示，当副回灌井流量q=0.91 m3/h时，距离副回灌井8 m处地面既无沉降也无隆起，而当副回灌井流量大于(小于)该临界值时，将出现地面隆起(沉降)。

对比分析如下：

以上分析表明，当主回灌井与被保护建筑距离不变时，随着副回灌井与被保护建筑距离的增大，使得受保护建筑不发生隆沉时的副回灌井临界回灌量越大。对于D=12 m,14 m的各工况也呈现出类似的规律，在此不做赘述。

对于所有工况，将副回灌井临界回灌量的变化规律绘制于图7中，得到q/Q与d/D的关系。由图7可以看出，当d/D确定时，D越大，q/Q越小，这主要是因为主回灌井距离受保护建筑越远，主回灌井扬水对受保护建筑地面沉降的影响越小，因此当D越大时，要保障受保护建筑地面不沉降，所需的副回灌井回灌量就越小；当D确定时，d/D越大，q/Q越大，这主要是因为副回灌井到受保护建筑的距离削弱了副回灌井回灌的作用，因此当d越大时，要保障受保护建筑地面不沉降，所需的副回灌井回灌量就越大。

4 结论与建议

本文报道了软土地区深基坑工程地下水回灌的案例，发现回灌期间坑外被保护建筑持续沉降，为控制这部分沉降，对提出的双回灌井回灌策略进行了数值分析，研究了副回灌井的回灌量对双井回灌控沉效果的影响，并得到不同条件下使得受保护建筑不发生沉降时的副回灌井回灌量的取值规律。本文主要结论如下：

1)本文对d/D=0.25,0.5,0.75以及D=10 m,12 m,14 m九种工况进行数值模拟，对每种工况施加了多种副回灌井回灌流量，通过对比在每种副回灌井回灌流量受保护建筑物地面的沉降，得到了每种工况下的副回灌井最优回灌流量，当d/D确定时，副回灌井最优回灌流量随着D的增大而减小；当D确定时，副回灌井的最优回灌流量随着d/D的增大而增大。

2)通过对d/D=0.25,0.5,0.75以及D=10 m,12 m,14 m九种工况进行数值模拟，得到了不同工况下，受保护建筑物地面不沉降时的副回灌井回灌流量，在以后基坑工程回灌施工中，可以根据实际情况，直接选取最优回灌流量。

[1] PHIEN-WEJ N,GIAO P H,NUTALAYA P.Field experiment of artificial recharge through a well with reference to land subsidence control[J].Engineering Geology,1998,50(1-2):187-201.

[2] POWRIE W,ROBERTS T O L.Case history of a dewatering and recharge system in chalk[J].Géotechnique,1995,45(4):599-609.

[3] 郑 刚,曾超峰,刘 畅,等.天津首例基坑工程承压含水层回灌实测研究[J].岩土工程学报,2013,35(S2):491-495.

[4] 郑 刚,曾超峰,薛秀丽.承压含水层局部降压引起土体沉降机理及参数分析[J].岩土工程学报,2014,36(5):802-817.

[5] 曾超峰,郑 刚,薛秀丽.大面积基坑开挖前预降水对支护墙变形的影响研究[J].岩土工程学报,2017,39(6):1012-1021.

[6] 郑 刚,曾超峰,薛秀丽.一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法:中国专利,201410027014.2[P].2014.

[7] 郑 刚,曾超峰.基坑开挖前潜水降水引起的地下连续墙侧移研究[J].岩土工程学报,2013,35(12):2153-2163.

[8] 曾超峰,薛秀丽,闻 婷,等.基坑工程地下水回灌控沉数值模拟[J].山西建筑,2017,43(28):60-61.

Studyofartificialrechargeforsettlementcontrolinsoftground★

ZengChaofengXueXiuliLuoPeng

(HunanProvincialKeyLaboratoryofGeotechnicalEngineeringforStabilityControlandHealthMonitoring,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China)

In this study, a case study of artificial recharge for settlement control in deep excavation is reported. The surrounding protected building settles continuously during artificial recharge. In order to control the building settlement, numerical simulation is conducted to investigate the effect of coupled recharge proposed. The influence of recharge rate of auxiliary recharge well on the control effect of coupled recharge is studied by a series of numerical analyses. The critical recharge rates of auxiliary recharge well under which the surrounding protected building will not settle during the artificial recharge are obtained.

deep excavation, surface settlement, recharge, FEM analysis

1009-6825(2017)30-0058-03

2017-08-13 ★:国家自然科学基金资助(编号：51708206，11602083)；湖南省自然科学基金项目(编号：2016JJ6044)；湖南省教育厅资助项目(编号：15C0557)

曾超峰(1987- )，男，博士后，硕士生导师，讲师

TU463

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