某软土深基坑降水开挖地表沉降及影响因素分析

庄铃强，吴能森*，余凌锋，2，许旭堂，陈榕康，3

1.福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州350002；

2.福州三江口建设发展有限责任公司，福建 福州350018；

3.福建省建筑设计研究院有限公司，福建 福州350001

随着地铁建设的高速发展，地铁深基坑工程日益增多。面对软弱的地质环境，基坑降水开挖施工极易导致基坑外地表沉降，威胁周边建（构）筑物的安全。因此研究软土深基坑降水开挖的地表沉降规律，进而寻求有效的沉降控制措施，意义重大。关于数值模拟研究中的土体本构模型，宋二祥等［1-2］对比分析了常见模型在地下结构和基坑开挖数值分析中的适用性，表明修正摩尔-库伦模型能更好反映应力路径对土体变形特性的影响。在降水渗流数值模拟研究方面，冯晓腊［3］、裴桂红［4］、盛建龙［5］、杨果林［6］、周勇［7］、林迪斯［8］、吴昊［9］等先后基于渗流-应力耦合理论进行基坑降水开挖工程模拟研究，模拟计算结果均与现场监测数据比较吻合，而未考虑渗流与应力耦合效应的计算值则差异较大。

为此，以福建滨海地区某地铁车站深基坑降水开挖为工程背景，拟基于渗流-应力耦合理论和修正摩尔-库伦本构关系建立深基坑降水数值模型，研究渗流-应力耦合下基坑降水开挖过程中孔压变化及地表沉降，并分析土体及设计参数对地表沉降的影响。

1 工程概况

某地铁站深基坑总长度345 m，宽度18.3～35.3 m，开挖深度16 m，采用地下连续墙+内支撑复合围护结构。基坑工程范围内自上到下主要岩土层为：1）杂填土，成分以黏性土、碎石及块石回填为主，不均匀透水性强，揭露层厚1.00～2.00 m；2）淤泥质土1，成分以黏粒和粉粒为主，海积形成为欠固结土，揭露厚度为7.20～36.80 m；3）淤泥质土2，成分以黏粒、粉粒为主，海积形成为欠固结土，揭露厚度为2.50～20.70 m；4）粉质黏土，成分以黏、粉粒为主，冲洪积成因，揭露厚度为0.90～14.60 m；5）强风化花岗岩，岩体极破碎，揭露厚度为0.80～9.10 m。深基坑主体落在淤泥质土内。场地土层富存地下水，稳定水位埋深0.60～2.80 m，场地地下水与邻近的闽江水具有较密切的水力联系，水位高低受闽江水影响大。岩土层物理力学参数见表1。

工程按规范开展水位、围护结构变形和地面沉降监测［10］：1）布置22口坑外水位观测井，其中16口观测潜水水位，6口进入碎块状强风化岩观测孔隙承压水水位；2）沿基坑周边围护结构每隔15 m布置1个地连墙测斜监测孔，同时在基坑每边的中部及关键部位布设监测孔；3）在基坑边缘地面每隔约15 m布置1排地面沉降观测点，每排3个观测点，距基坑边缘依次为2.0，5.0，8.0 m。各监测点布置如图1所示。

为获得可靠的渗透系数和排水量等参数，利用现场水位监测井，按规范进行单孔非完整井稳定流抽水试验，并根据试验数据计算土层综合渗透系数k［11］，取k=1 m/d。

表1岩土层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of geo-strata

图1监测点布置Fig.1 Layout of monitoring points

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

采用Midas GTS/NX有限元软件建立计算模型，如图2所示。其中，土体本构为修正摩尔-库伦模型，围护结构采用弹性本构模型。考虑基坑开挖的影响范围确定本模型的边界大小为465 m×180 m×60 m［12］。采用板单元建立地连墙，地连墙兼做截水帷幕，通过析取面建立截水帷幕，地连墙与截水帷幕单元点中间用刚性网格连接。

图2有限元计算模型Fig.2 Finite element calculation model

依据实际施工顺序设置模拟工况，如图3所示。其中，模拟工况设定中工况1为地应力平衡，工况2为地下连续墙施工，后续工况均为先基坑降水再进行开挖与内支撑、围檩施工。各工况下水位通过设置节点水头差进行模拟，采用“应力-渗流-边坡”求解算法对模型施工过程进行应力-渗流耦合分析及稳定分析［8］。

图3施工工况模拟Fig.3 Construction process simulation

2.2 模型验证

通过对比实际监测数据与数值模拟结果，验证有限元模型的准确性。地连墙测斜管监测点QCX13和QCX33的监测数据与其对应位置数值模拟结果的对比见图4；3个同排地表沉降监测点DBC33-1、DBC33-2和DBC33-3的监测数据与其对应位置数值模拟结果的对比见图5。

由图4和图5可见，地连墙位移和地面沉降的数值模拟与监测结果趋势一致，数据也较吻合，表明该有限元模型较为合理可靠。地连墙位移计算值总体略小于监测值，而地表沉降的计算值大于监测值，可能是由于默认支撑与地连墙刚接，致使围护结构体系刚度偏大。

图4地连墙位移对比：（a）QCX13，（b）QCX33 Fig.4 Comparison of slurry-wall displacement：（a）QCX13，（b）QCX33

2.3 降水开挖过程中孔压及地表沉降分析

2.3.1 孔压分析通过有限元分析获得基坑开挖后的地下水渗流路径图（图6）和5个降水开挖工况的孔隙水压力变化云图（图7）。由图6可知，基坑内降水开挖后，在止水帷幕作用下基坑周边水体通过渗流作用往基坑底部汇聚，水体渗流路径呈明显的降落漏斗形，与文献［13］中的现象相似。由图7可知，随着坑内水位降低，基坑周边表层土体的孔隙水压力逐渐消散，孔压变化随深度而减小，邻近坑底及以下土体的孔压基本保持不变。坑底的等孔压线为下凹型弧形曲线，随工况推进下凹弧度逐渐变大，等孔压线与水体渗流路径相吻合。

图5地表沉降对比：（a）DBC33-1，（b）DBC33-2，（c）DBC33-3Fig.5 Comparison of ground settlement：（a）DBC33-1，（b）DBC33-2，（c）DBC33-3

图6地下水渗流场Fig.6 Groundwater seepage field

2.3.2 地表沉降分析通过有限元分析获得基坑降水开挖过程中地表的沉降数据（图8）。由图8（a）可知，除第1次降水开挖因数量少且时间短，基坑周边无明显地表沉降外，之后各次降水开挖基坑周边地表沉降曲线均呈“勺形”；随降水开挖依次递进，基坑周边地表沉降及影响范围随之扩大，最大沉降点逐渐向远离基坑方向移动，与基坑的距离大约为降水深度的1.0～0.75倍（递减），至第5次基坑开挖后，基坑周边地表最大沉降量为28.63 mm，与基坑边缘距离约13 m。

分析各次降水开挖之间的最大沉降增量ΔSmax与其降水开挖深度增量ΔH的数量关系，表明ΔSmax～ΔH呈正相关性，且ΔSmax/ΔH随ΔH增大而增大。分析第2次～第5次降水开挖之间的沉降与孔压二者增量比的关系，显示地表沉降的增量比与孔压的负增量比接近，如图8（b）所示，说明该基坑围护结构刚度大，基坑周边地表沉降主要是因降水致土层孔压消散的结果。

2.4 土体及设计参数对地表沉降的影响

图7各工况孔隙水压力云图：（a）工况3，（b）工况4，（c）工况5，（d）工况6，（e）工况7Fig.7 Pore water pressure nephograms under various working conditions：（a）condition 3，（b）condition 4，（c）condition 5，（d）condition 6，（e）condition 7

图9土体及设计参数对地表沉降的影响：（a）渗透系数，（b）降水深度，（c）各降水深度下最大沉降，（d）降水速率，（e）回灌措施Fig.9 Effects of soil and design parameters on ground settlement：（a）permeability coefficients，（b）precipitation depths，（c）maximum settlement under various precipitation depths，（d）precipitation rates，（e）recharge measures

2.4.1 土体渗透系数对地表沉降的影响通过改变模型中土层的渗透系数，研究土体渗透系数变化对基坑周边地表沉降的影响，结果如图9（a）所示。由图9（a）可知，在第5次降水开挖后，以土层渗透系数k为0.01 m/d为基准，当k分别增大为0.05，0.1，1.0，10 m/d时，距基坑10 m处的地表沉降量分别约增大20%，46%，93%，133%，可见基坑外地表沉降受渗透系数影响较大，而且地表沉降的有效影响范围也随渗透系数的增大而增大。

2.4.2 降水深度对地表沉降影响通过改变模型中的最终降水深度，研究基坑降水深度对基坑周边地表沉降的影响，结果如图9（b，c）所示。由图9（b，c）可知，基坑周边地表沉降随基坑最终降水深度的增大而增大，基坑最终降水深度与地表最大沉降量近乎呈线性关系，降水深度每增加1 m，相应地表最大沉降量约增加2 mm；当降水深度达到20 m及以上时，基坑周边地表的最大沉降量将超过规范要求的30 mm限值［14］。

2.4.3 降水速率对地表沉降的影响通过建立不同降水历时的数值模型，研究不同降水速率对基坑周边地表沉降的影响，结果如图9（d）所示。由图9（d）可知，降水历时大于10 d时，基坑周边地表沉降符合规范要求；反之，基坑周边地表最大沉降不满足规范要求。当降水历时为20 d与30 d时，二者的沉降曲线基本重合，说明土体在20 d前基本完成初期固结，即降水历时在10～20 d之间取值较合理。

2.4.4 回灌对地表沉降影响在实际工程中，通过设置止水帷幕无法完全截断基坑内外的水力联系，基坑内降水开挖，依然会使基坑外水头降低，从而导致基坑外地表发生沉降。为有效控制基坑外地表沉降，通常在基坑外设置回灌井来控制坑外水位与地表沉降［15-16］。

模拟在地表沉降最大点附近进行回灌，研究回灌措施对坑外地表沉降的影响，结果如图9（e）所示。由图9（e）可知，采取回灌措施后基坑周边地表的最大沉降计算值为21.13 mm，比无回灌措施时的28.63 mm减小26.2%，表明采取回灌措施对控制地表沉降有明显效果。

3 结论

通过对软土层中深基坑降水开挖过程中，水体渗流路径、孔压变化、地表沉降的数值模拟研究，以及土体渗透系数及降水深度、降水速率等设计参数对地表沉降的影响分析，得到以下结论：

1）基坑降水开挖后，地下水渗流路径呈明显的降落漏斗形；基坑周围土层的孔压消散变化随深度而减小，坑底的等孔压线为下凹型弧形曲线，其下凹弧度随降水逐渐变大。

2）降水开挖引起的基坑周边地表沉降曲线均呈“勺形”；随着降水开挖深度的增加，地表沉降曲线的最大沉降点逐渐向远离基坑方向移动，最大沉降点与基坑的距离大约为降水深度的1.00～0.75倍；单位降水开挖深度引起的地表最大沉降增量随降水开挖深度增量的增大而增大，建议控制每次降水开挖深度的增量不宜过大。

3）基坑外地表沉降受渗透系数影响较大，沉降大小及其有效影响范围随渗透系数的增大而增大；基坑周边地表沉降随基坑降水深度的增大而增大，基坑最终降水深度与地表最大沉降量近似呈线性关系，降水深度每增加1 m，相应地表最大沉降量约增加2 mm；过快降水会导致基坑周边地表发生较大沉降。建议在实际工程中结合原位抽水试验，谨慎设计降水深度与降水时间，对降水开挖深度大的基坑可考虑采取回灌措施缓解基坑周边地表沉降。