超深基坑承壓水降排引起的深層土體變形規律研究

王新新張學進蔡永生

1. 上海建工集團工程研究總院 上海 201114；2. 上海建工集團股份有限公司總承包部 上海 200080；3. 上海勘察設計研究院（集團）有限公司 上海 200093

隨著地下空間開發不斷向深層發展，深基坑安全施工不可避免地涉及對深層承壓水降排處理的問題。基坑施工承壓水降排控制不當將加劇坑外地表沉降及對基坑周邊的構筑物造成危害[1]。同時，承壓含水層降水所引起的坑外土體變形的影響范圍遠遠超過了基坑開挖的影響范圍，可達到坑外10倍開挖深度以上[2-3]。由此可見，承壓含水層減壓降水誘發的土體變形是深基坑施工過程中普遍存在的現象。

然而，現階段對承壓水降水工程中深層土體變形規律的研究較少，為此，本文從實際工程出發，結合數值計算手段，對降水引起的滲流場變化和土體變形規律進行深入的分析和探討，研究承壓含水層降水引起的水頭變化和地表沉降的分布規律，為深基坑安全施工及承壓含水層降水提供有益指導。

1 工程概況

某工程基坑呈梯形，面積約2 000 m2，周長約200 m，周邊場地標高2.5～3.0 m。基坑開挖深度31 m，基坑下伏的第⑦1層承壓含水層頂板埋深較淺，最淺為30.5 m，承壓水頭埋深取5 m；基坑開挖直接揭穿該層含水層，需將水位降至坑底以下1 m。基坑止水帷幕采用1 m厚地下連續墻，墻深58.47～64.97 m，整個墻底基本進入第⑧2層粉砂層中2 m左右，未隔斷基坑內外承壓含水層之間的聯系，工作井基坑及坑底亦面臨第⑧2層承壓水突涌風險（圖1）。

圖1 基坑平面、剖面示意

2 有限元模型

根據基坑剖面的對稱性，選取一半的基坑剖面建立簡單的二維數值模擬模型。充分考慮降水開挖的影響范圍，模型寬度取100 m，模型高度取80 m（圖2），土體采用修正劍橋本構模型，具體施工工況詳見表1。

圖2 有限元模型

表1 施工工況

3 滲流場及土體變形分析

基坑工程中進行承壓含水層的減壓降水不可避免地會引起坑外的承壓含水層水頭的降低，使得坑外土體有效應力出現改變，進而引起深層土體發生變形，影響地表沉降。下文將從第一承壓含水層的水頭變化、地表沉降、深層土體變形及土層壓縮變形等幾個方面進行討論分析。

3.1滲流場分析

圖3為不同施工階段的孔壓分布云圖。圖中深藍色部分是孔壓為負值的區域，即為降水的疏干區。隨著降水時間的不斷增加，地下水水位逐漸降低。每一級降水后，水位都位于開挖面以下1～3 m的位置，達到了疏干降水的要求。

圖3 孔壓分布云圖

圖4顯示了基坑外35 m深度處孔壓分布情況。從圖中可以看出，基坑在開挖完成后及持續降水20 d這2種工況下，在基坑1倍開挖深度范圍內孔壓恢復的速率較快，距離基坑30 m處，基坑開挖至31 m深（Step12）的孔壓為348 kPa，基坑開挖至31 m深，持續降水20d（Step13）的孔壓為346 kPa，水位降深分別恢復了99.4%、98.8%；在基坑1倍開挖深度范圍以外的孔壓接近350 kPa；總體來說，35 m深度處承壓水水頭壓力變化不大，主要是由于地下連續墻隔斷了第1層承壓水，模擬中只考慮了在坑內布井進行減壓，由于隔水層的存在，第1層承壓水與第2層承壓水的水力補給很小。

圖4 基坑外的孔壓分布（35 m深度處）

3.2土體沉降分析

圖5為不同施工階段土體豎向位移分布云圖。由圖中可以看出在降水開挖耦合過程中，不同施工階段地表整體呈沉降趨勢，且沉降影響范圍隨降水和開挖深度的增加而增大。

圖5 土體豎向位移分布云圖

圖6為地表沉降曲線圖。由圖中可知基坑開挖完成后地表最大沉降值為17.50 mm（Step12），持續降水20 d后的地表最大沉降值為17.45 mm（Step13）；基坑底板施工完成后的實測最大沉降值為19.50 mm。從圖中可以看出數值模擬結果與實測結果吻合較好，不同施工階段地表整體呈下沉趨勢。

圖6 地表沉降曲線

圖7為不同施工階段地表沉降曲線圖。由圖中可知基坑開挖至－7.90 m（Step2）時，地表最大沉降值為10.90 mm，距基坑邊的距離約為14 m；開挖至－22.65 m（Step8）時，地表最大沉降值為15.80 mm，距基坑邊的距離約為22 m；開挖至－31 m（Step12）時，地表最大沉降值為17.50 mm，距基坑邊的距離約為28 m。由各級開挖的地表沉降曲線可以看出，隨著降水開挖深度的增加，地表最大沉降值和沉降影響范圍逐漸增大。

圖7 不同施工階段地表沉降曲線

為分析土體深層變形，進一步解釋減壓降水引起的土體變形規律，取基坑外0.5及2.0倍開挖深度處的土體沿深度方向的豎向變形。如圖8所示，圖中橫坐標正值表示土體隆起，負值表示土體下沉。從圖中可以看出基坑開挖至坑底－31 m（Step12）和持續降水20 d后（Step13）的各層土體的豎向變形差異不大，也驗證了相關地表沉降的模擬的正確性。在0.5倍開挖深度處，基坑開挖面以上土體總體變形以壓縮變形為主，坑底以下土體由于承壓水降排，土體產生向上的隆起變形；在2.0倍開挖深度處，基坑開挖面以上土體以豎向壓縮變形為主，坑底以下土體基本上不變形或者僅產生輕微的向上隆起變形。

圖8 不同工況下坑外不同距離處土體沿深度方向的豎向變形

圖9為同一工況下坑外不同距離處土體沿深度方向的豎向變形，由圖可知基坑開挖至－31 m（Step12），同一深度處土體距基坑越近，土體豎向變形越大。

圖9 同一工況下坑外不同距離處土體沿深度方向的豎向變形

3.3圍護變形分析

圖10為圍護結構變形數值模擬值與實測值的對比示意。從圖中可以看出數值模擬值與實測值具有較好的符合性。基坑降水開挖完成后，持續降水導致圍護結構變形持續增大。

圖10 圍護結構變形數值模擬值與實測值對比

圖11為不同工況下圍護結構變形對比示意。從圖中可以看出，隨著基坑降水開挖深度的增加，圍護結構變形值逐漸增大，變形最大位置逐步下移。

圖11 不同工況下圍護結構變形對比

4 結語

本文結合某深基坑降水開挖施工，開展了深基坑減壓降水對滲流場及土體變形影響的分析研究，具體結論如下：

1）由于地下連續墻隔斷了第1層承壓水，在坑內降水開挖過程中，坑外第一承壓含水層水頭變化不大。

2）在降水開挖耦合過程中，不同施工階段地表整體呈沉降趨勢，且沉降影響范圍隨降水和開挖深度的增加而增大。在基坑外0.5倍開挖深度處，基坑開挖面以上土體總體變形以壓縮變形為主，坑底以下土體由于承壓水降排，土體產生向上的隆起變形；在基坑外2.0倍開挖深度處，基坑開挖面以上土體以豎向壓縮變形為主，坑底以下土體基本上不變形或者僅產生輕微的向上隆起變形。

3）隨著基坑降水開挖深度的增加，圍護結構變形值逐漸增大，變形最大位置逐步下移。