软土地区深大基坑开挖与降水引起的地表沉降分析

软土地区深大基坑开挖与降水引起的地表沉降分析

叶维,龚迪快,曾婕,成怡冲

浙江华展研究设计院股份有限公司 浙江 宁波 315012

摘要:  以宁波软土地区某深大基坑工程为背景，通过有限元法对基坑降水与土方开挖造成的地表沉降进行分析。计算结果表明，基坑降水引起的地表沉降随着与基坑距离的增加呈线性减少的规律；基坑降水与土方开挖引起的地表沉降分别占最终地表沉降的23%和77%；两者共同作用下的地表最大沉降仍低于规范控制值。

关键词:  基坑工程；土方开挖；承压水；地表沉降

随着城市地下空间开发的不断深入，深层承压水对工程建设的影响问题日益突出。在深基坑工程中，当基坑底部到承压含水层顶板的残留土层不能与承压含水层水头顶托力平衡时，基坑底部就会产生突涌。目前，对于埋深较浅、厚度不大的承压含水层，一般可通过增加围护墙深度的方法将承压水层进行隔断以防止突涌；对于深层承压水，由于隔断难度大、造价高，故一般采用抽水降压的方式。

需要指出的是，深大基坑工程开挖卸荷会导致坑外土体变形，而抽水降压同样会引起土体变形，两者的叠加作用必然会对周边环境产生极大影响。在基坑工程降水导致的环境效应研究方面，许胜等[1]运用三维有限元数值分析方法，对上海市地铁4号线董家渡隧道修复工程深基坑降水期间所引起的地下水渗流场与地面沉降的变化趋势进行了模拟，计算结果与实测值较吻合。施成华等[2]基于固结理论及地下水渗流理论，得出了由单独降水引起的地表沉降公式，并在此基础之上，进一步推导出降水和开挖共同作用下引起的地表沉降计算公式。张刚[3]基于太沙基固结和渗流理论，采用数值计算的方法，对减压降水引起的地表沉降和基坑开挖、降水期间引起的地表总沉降进行了分析，结果表明，前者占后者的比重约为30％，并通过现场实测对其进行了验证。总的来看，目前同时考虑基坑开挖和降水对周边环境影响的研究较少。

本文依托宁波软土地区某深大基坑工程，建立三维有限元数值模型，通过数值计算研究基坑开挖和降水对坑外地表沉降的影响，可为类似工程的设计提供参考。

1  宁波地区承压水分布与处置

目前，宁波民建基坑涉及的承压水主要包括I1、I2两层。第I1层承压水：主要赋存于⑤1夹层粉土、⑤3层粉土、⑤5层粉土、⑥1夹层、⑥2夹层和⑥4层粉砂或粉土、

⑥5层砾砂或圆砾，透水性一般，单井出水量在10~25 m3·d-1，渗透系数一般在1.0×10-5~8.0×10-4cm·s-1，含水层顶板埋深约为20.0~35.0 m，水位埋深-1.9~1.7m(高程)。第I2层承压水：主要赋存于⑦1夹层粉砂、⑧1层粉砂或细砂、⑧3层砾砂或圆砾，透水性好，平均渗透系数约25~35m·d-1，水量丰富，单井涌水量200~1000m3·d-1，含水层顶板埋深约为40.0~60.0m, 含水层厚度5~10m，水位埋深3.0~6.0m，高程-3.0~-0.5m。

宁波地区基坑支护工程目前主要针对I1层承压水进行处理，由于 I1层承压含水层埋深较浅、厚度不大，所以以隔断处理方式为主。随着宁波城市地下空间建设的迅速发展，建筑基础埋深越来越大，基坑工程承压水的控制有了新的难题：（1）宁波部分区域I1层孔隙承压水含水层顶埋深、层厚较深，围护结构未能隔断第I1层承压水基坑内外水力联系，水头降深较大，可能对周边敏感建筑物或隧道产生较大影响，且目前仍未有较为精确的预测方法。但如采用完全隔断承压水的措施，将大幅度提高工程投资，工程缺乏经济性。（2）部分基坑的开挖深度很大，不可避免的涉及到第I2层承压水的处理。同样，采用降水方案较难预测降水对周边环境的影响。若采取隔断深层承压水措施，工程代价太大（施工难度大、工期长、费用高）。普通高压旋喷桩和三轴搅拌桩施工深度最深为30m，无法达到隔断深层承压水的效果。

2  工程概况

本工程位于宁波市东部新城中心商务区，地下室为三层，基坑开挖面积45000m2左右，支护结构延长米约860m；基坑周圈开挖深度为16.2~20.1 m（西北角区域H=20.1m，其他大部分区域H=16.2m），局部坑中坑开挖深度将达到24.0m。根据基坑工程周边环境保护要求及《宁波市基坑支护设计与施工细则》[4]，本工程西侧和北侧环境保护等级为甲级，坑外地表沉降控制值为0.3%H和60mm较小值，即为60.0mm。基坑总平面图见图1。

图1 基坑总平面图

本工程水文地质条件中，第5-4层含水层层顶标高36.3m～-30.1m，层厚0.0～7.9m，属深层孔隙承压水，场地内未连续分布，透水性及含水量一般，场地内未连续分布；第6-1层含水层层顶标高-39.7～-37.3m，层厚2.5～5.5m，属深层孔隙承压水，透水性一般。两层土的单井涌水量一般小于20m3/d。上述5-4层粘质粉土和6-1层粉质粘土夹粉砂为承压含水层，主要在场地西部和南部分布，两层土层厚相加约10m，承压水头标高为

-0.5m。根据《细则》[4]对坑底土体抗突涌稳定性进行验算。

开挖深度H=20.1m时，坑底黄海高程标高为-17.3m，抗突涌安全系数为0.82（<1.1）；开挖深度H=16.2m时，坑底黄海高程标高为-13.4m，抗突涌安全系数为1.07（≈1.1）。可见，在基坑开挖深度H=16.2m区域，基坑坑底土体抗突涌稳定性基本满足，但在基坑西北角开挖深度H=20.1m区域，基坑坑底土体抗突涌稳定性不能满足要求。为保证基坑安全开挖，必须采取必要措施预防突涌。由于仅需降低基坑西北角区域承压水，基坑西侧和北侧环境保护要求相对较低，坑外地表沉降控制值60.0mm，故考虑采用深井降水的承压水控制措施。

3  有限元模型

3.1 模型的建立

根据已有的经验以及相关的研究成果，基坑分析范围边线距离基坑边的距离一般为3H~5H。在上述前提下，结合本项目基坑周边的环境情况，确定了三维数值模拟分析的对象是东西向长度450m、南北向长度380m的区域。模型底边界约束水平和竖直方向位移，左右侧边约束水平位移，顶部边界自由。需要降低水位的承压含水层上、下边界为不透水边界，四周边界孔压固定，为透水边界，不考虑降水过程中水位降深随时间变化，假定降水后地下水位为稳定流。模型以水平方向为x轴、y轴正向，竖直向上为z轴正向，应力单位为kPa，且以受拉为正。最终有限元模型见图2。

图2三维有限元模型

3.2 模型参数

本次分析的支护结构尺寸见表1。支护结构均模拟为弹性材料，其中地连墙和第一、二道支撑和围梁的混凝土强度等级为C30，第三道支撑和围梁的混凝土强度等级为C40。基坑围护结构模型见图3。

表1支护结构尺寸

图3基坑围护结构模型

有限元模型中的土体本构模型选硬化土模型。根据项目地勘报告，主要土层参数见表2。

表2 土层参数

3.3 模拟步骤

模拟步骤根据设计要求设置，具体见表3。

表3模拟步骤

4  影响分析

模拟降低基坑西北角区域⑤4层承压水位对周边环境影响，⑤4层承压水位降低8.0m。

图4 坑外土体沉降计算值与实测值对比曲线

将模型计算得到的土体沉降与实测值进行对比，如图4所示。计算得到的坑外地表沉降曲线与实测地表沉降曲线变形趋势基本一致，证明本文模型是合理的。另外，计算得到坑外地表沉降值为53.8mm，小于坑外地表沉降控制值为60.0mm，满足设计要求。

图5 降水阶段坑外土体沉降曲线

图5为基坑降水引起地表沉降与距离的关系图。由图可知，坑外地表沉降随距离增加而减少，基本上呈线性变化，与基坑边距离大于60m时，变化趋势逐渐变缓，距离为100m时，坑外地表沉降值仍有4mm。

对基坑西北角区域5-4层承压含水层减压降水后，基坑外土体地表沉降最大值为15.8mm，位于基坑西北角位置，基坑西侧中部地表沉降最大值为12.3mm；开挖到一道支撑底后，基坑外土体地表沉降最大值为17.8mm，仍位于基坑降水区域；开挖到二道支撑底后，基坑外土体地表沉降最大值为

23.8mm，位于基坑西侧中部位置；开挖到三、四道支撑底后，基坑外土体地表沉降最大值分别为33.1mm和53.8mm，位于基坑西侧中部位置；基坑西北角开挖到坑底后，基坑外土体地表沉降最大值为53.8mm，位于基坑西侧中部位置。

因此，基坑降水和开挖引起基坑外地表沉降最大值为53.8mm，其中由基坑降水引起的地表沉降值为12.3mm，占总沉降的23%；由基坑开挖引起的坑外地表沉降值为41.5mm，占总沉降的77%。

5  结语

文本依托软土地区某深大基坑工程，采用数值分析方法研究基坑降水与土方开挖双重作用对地表沉降的影响。计算结果表明，对承压水进行抽水减压将引起较显著地表沉降，该沉降随着与基坑距离的增加而线性减小；最终地表沉降值小于标准的控制值，证明设计方案是可行的；基坑降水与土方开挖引起的地表沉降分别占最终地表沉降的23%和77%。分析结果可为今后类似基坑工程的设计提供参考。

参考文献:

[1]许胜，缪俊发，魏建华，等. 深基坑降水与地面沉降的三维黏弹性全耦合数值模拟[J]. 岩土工程学报. 2008, 30(S1): 41-45.

[2]施成华，彭立敏. 基坑开挖及降水引起的地表沉降预测[J]. 土木工程学报. 2006, 39(5): 117-121.

[3]张刚. 降承压水引起地表沉降的预估与实测对比研究[J]. 地下空间与工程学报. 2013, 9(4): 908-913.

[4]2019甬DX-06，宁波市建筑基坑工程技术细则[S].