王新新张学进蔡永生

1. 上海建工集团工程研究总院 上海 201114；2. 上海建工集团股份有限公司总承包部 上海 200080；3. 上海勘察设计研究院（集团）有限公司 上海 200093

随着地下空间开发不断向深层发展，深基坑安全施工不可避免地涉及对深层承压水降排处理的问题。基坑施工承压水降排控制不当将加剧坑外地表沉降及对基坑周边的构筑物造成危害[1]。同时，承压含水层降水所引起的坑外土体变形的影响范围远远超过了基坑开挖的影响范围，可达到坑外10倍开挖深度以上[2-3]。由此可见，承压含水层减压降水诱发的土体变形是深基坑施工过程中普遍存在的现象。

然而，现阶段对承压水降水工程中深层土体变形规律的研究较少，为此，本文从实际工程出发，结合数值计算手段，对降水引起的渗流场变化和土体变形规律进行深入的分析和探讨，研究承压含水层降水引起的水头变化和地表沉降的分布规律，为深基坑安全施工及承压含水层降水提供有益指导。

1 工程概况

某工程基坑呈梯形，面积约2 000 m2，周长约200 m，周边场地标高2.5～3.0 m。基坑开挖深度31 m，基坑下伏的第⑦1层承压含水层顶板埋深较浅，最浅为30.5 m，承压水头埋深取5 m；基坑开挖直接揭穿该层含水层，需将水位降至坑底以下1 m。基坑止水帷幕采用1 m厚地下连续墙，墙深58.47～64.97 m，整个墙底基本进入第⑧2层粉砂层中2 m左右，未隔断基坑内外承压含水层之间的联系，工作井基坑及坑底亦面临第⑧2层承压水突涌风险（图1）。

图1 基坑平面、剖面示意

2 有限元模型

根据基坑剖面的对称性，选取一半的基坑剖面建立简单的二维数值模拟模型。充分考虑降水开挖的影响范围，模型宽度取100 m，模型高度取80 m（图2），土体采用修正剑桥本构模型，具体施工工况详见表1。

图2 有限元模型

表1 施工工况

3 渗流场及土体变形分析

基坑工程中进行承压含水层的减压降水不可避免地会引起坑外的承压含水层水头的降低，使得坑外土体有效应力出现改变，进而引起深层土体发生变形，影响地表沉降。下文将从第一承压含水层的水头变化、地表沉降、深层土体变形及土层压缩变形等几个方面进行讨论分析。

3.1渗流场分析

图3为不同施工阶段的孔压分布云图。图中深蓝色部分是孔压为负值的区域，即为降水的疏干区。随着降水时间的不断增加，地下水水位逐渐降低。每一级降水后，水位都位于开挖面以下1～3 m的位置，达到了疏干降水的要求。

图3 孔压分布云图

图4显示了基坑外35 m深度处孔压分布情况。从图中可以看出，基坑在开挖完成后及持续降水20 d这2种工况下，在基坑1倍开挖深度范围内孔压恢复的速率较快，距离基坑30 m处，基坑开挖至31 m深（Step12）的孔压为348 kPa，基坑开挖至31 m深，持续降水20d（Step13）的孔压为346 kPa，水位降深分别恢复了99.4%、98.8%；在基坑1倍开挖深度范围以外的孔压接近350 kPa；总体来说，35 m深度处承压水水头压力变化不大，主要是由于地下连续墙隔断了第1层承压水，模拟中只考虑了在坑内布井进行减压，由于隔水层的存在，第1层承压水与第2层承压水的水力补给很小。

图4 基坑外的孔压分布（35 m深度处）

3.2土体沉降分析

图5为不同施工阶段土体竖向位移分布云图。由图中可以看出在降水开挖耦合过程中，不同施工阶段地表整体呈沉降趋势，且沉降影响范围随降水和开挖深度的增加而增大。

图5 土体竖向位移分布云图

图6为地表沉降曲线图。由图中可知基坑开挖完成后地表最大沉降值为17.50 mm（Step12），持续降水20 d后的地表最大沉降值为17.45 mm（Step13）；基坑底板施工完成后的实测最大沉降值为19.50 mm。从图中可以看出数值模拟结果与实测结果吻合较好，不同施工阶段地表整体呈下沉趋势。

图6 地表沉降曲线

图7为不同施工阶段地表沉降曲线图。由图中可知基坑开挖至－7.90 m（Step2）时，地表最大沉降值为10.90 mm，距基坑边的距离约为14 m；开挖至－22.65 m（Step8）时，地表最大沉降值为15.80 mm，距基坑边的距离约为22 m；开挖至－31 m（Step12）时，地表最大沉降值为17.50 mm，距基坑边的距离约为28 m。由各级开挖的地表沉降曲线可以看出，随着降水开挖深度的增加，地表最大沉降值和沉降影响范围逐渐增大。

图7 不同施工阶段地表沉降曲线

为分析土体深层变形，进一步解释减压降水引起的土体变形规律，取基坑外0.5及2.0倍开挖深度处的土体沿深度方向的竖向变形。如图8所示，图中横坐标正值表示土体隆起，负值表示土体下沉。从图中可以看出基坑开挖至坑底－31 m（Step12）和持续降水20 d后（Step13）的各层土体的竖向变形差异不大，也验证了相关地表沉降的模拟的正确性。在0.5倍开挖深度处，基坑开挖面以上土体总体变形以压缩变形为主，坑底以下土体由于承压水降排，土体产生向上的隆起变形；在2.0倍开挖深度处，基坑开挖面以上土体以竖向压缩变形为主，坑底以下土体基本上不变形或者仅产生轻微的向上隆起变形。

图8 不同工况下坑外不同距离处土体沿深度方向的竖向变形

图9为同一工况下坑外不同距离处土体沿深度方向的竖向变形，由图可知基坑开挖至－31 m（Step12），同一深度处土体距基坑越近，土体竖向变形越大。

图9 同一工况下坑外不同距离处土体沿深度方向的竖向变形

3.3围护变形分析

图10为围护结构变形数值模拟值与实测值的对比示意。从图中可以看出数值模拟值与实测值具有较好的符合性。基坑降水开挖完成后，持续降水导致围护结构变形持续增大。

图10 围护结构变形数值模拟值与实测值对比

图11为不同工况下围护结构变形对比示意。从图中可以看出，随着基坑降水开挖深度的增加，围护结构变形值逐渐增大，变形最大位置逐步下移。

图11 不同工况下围护结构变形对比

4 结语

本文结合某深基坑降水开挖施工，开展了深基坑减压降水对渗流场及土体变形影响的分析研究，具体结论如下：

1）由于地下连续墙隔断了第1层承压水，在坑内降水开挖过程中，坑外第一承压含水层水头变化不大。

2）在降水开挖耦合过程中，不同施工阶段地表整体呈沉降趋势，且沉降影响范围随降水和开挖深度的增加而增大。在基坑外0.5倍开挖深度处，基坑开挖面以上土体总体变形以压缩变形为主，坑底以下土体由于承压水降排，土体产生向上的隆起变形；在基坑外2.0倍开挖深度处，基坑开挖面以上土体以竖向压缩变形为主，坑底以下土体基本上不变形或者仅产生轻微的向上隆起变形。

3）随着基坑降水开挖深度的增加，围护结构变形值逐渐增大，变形最大位置逐步下移。