地下水位不同的基坑开挖对地面沉降影响的数值模拟研究

王 帅

(深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518100)

0 引言

随着国家经济的发展，越来越多的城市空间转移至地下，基坑工程因其能够较大程度地扩展空间而得到广泛应用，对此学者们也进行了大量的研究。乔光等[1]论述了大连某基坑的设计和施工方法，此方法的止水效果较为明显，可为类似工程提供参考。方颖[2]采用了混凝土斜撑对基坑进行加固，通过施工发现斜撑具有施工简单，工期短、造价低且不影响邻近建筑安全的特点，此类斜撑的使用可为类似的基坑项目提供参考。林玲[3]为降低施工企业在基坑支护中的各类风险，从合同、设计、现场施工、政策和资金方面，分析高周转地产的基坑支护工程存在的风险，通过对基坑工程进行风险评估，可保障施工企业利益。吴冰等[4]通过Revit与FLAC 3D两软件的交互使用，对深圳某基坑进行了BIM研究，研究结果表明应用BIM技术可控制基坑的施工成本和风险，并为基坑项目的增值服务。吴志等[5]结合富水软水地层基坑项目，利用地连墙技术对基坑进行围护，达到了理想的支护效果。李广等[6]结合深大基坑施工空间小、地质条件复杂的特点，提出了拉森钢桩墙+逆作法主体结构板水平内支撑的支护方案，结果表明此支护方案达到了控制紧近建筑物位移的目的，工程效果较好。

然而以上的研究均没有涉及地下水位不同时，基坑的排水、支护等方式对地面沉降的影响，现阶段涉及地下水的基坑较多，排水和支护方式也比较统一，但是以上的处置措施是否会对地面的沉降造成影响，针对这一问题，本文利用MIDAS GTS数值模拟软件对不同地下水位基坑的开挖进行完整的模拟，通过地面沉降的监测，可反映以上基坑处置措施对地面沉降的影响，并可进一步检测现阶段常规排水措施是否达到了理想的工程要求。

1 工程概况

研究基坑所处广东省深圳市，分别为两个基坑，两个基坑周围岩土体的性质相同(表1)，开挖方式和支护措施也相同，但是地下水位线不同，地下水位线分别位于地面以下2.5 m和4.0 m处(图1)。

表1 岩土体物理力学参数

图1 基坑开挖平面图(尺寸单位：m)

由图1可知，基坑施工长度为40 m，高度为12 m，基坑的长度为10 m，高度为5 m，施工长度是基坑长度的4倍，施工高度是基坑高度的2.4倍，此施工区域是结合工程经验划定的。

基坑岩土体从上至下分成三层，分别为风化土、风化岩和软岩，厚度分别为2.5 m、1.5 m和1 m。结合两个基坑的地下水位线可知，地下水位线位于地面以下2.5 m处时，此地下水位线位于风化土与风化岩的界面。地下水位线位于地面以下4m处时，即地下水位线位于风化岩与软岩的界面。

当地下水位于地面2.5 m时，该基坑采用半逆法进行施工，基坑共计开挖4次，设计三道支撑，第一次开挖深度为1 m，然后对基坑进行支护，支护完成10 d后，方才进行第2次开挖，第二阶段开挖完成以后出现地下水，此结果与勘察结果一致，因此按照设计要求进行排水处理，待排水完成以后，进行第2次支护，支护结构稳定以后间隔10 d进行第三次支护，按照此施工次序和时间次序，最后开展了第四次开挖支护。当地下水位位于地面以下4 m处时，开挖、支护、排水等措施类似于地下水位2.5 m处的基坑。

图2 MIDAS三维实体模型(尺寸单位：m)

2 数值模拟

利用MIDAS GTS对两个涉水基坑进行数值模拟研究，结合施工区域和基坑尺寸进行试算可知，若增加施工区域尺寸，数值模拟结果中岩土体的受力(最大主应力)和位移结果，较不增加尺寸的结果变化不超过0.04%，此结果说明选定的施工区域满足基坑开挖的边界条件。

数值模拟三维示意图见图2，数值模拟中风化土采用修改莫尔库仑模型，风化岩和软件采用弹性模型，岩土体参数的取值见表1。数值模拟中岩土体每1 m划分一次网格，网格采用混合四面体，此数值模拟共计19 528个单元、22 286个节点。

3 模拟结果

对不同地下水位线的基坑开挖进行分析，主要从地面土体的沉降开展，因为施工区域是基于基坑开挖区域对称分布的，因为仅须选择AB点沉降进行分析即可(图1)，MIDAS GTS中可通过线上图的方式展示AB沉降结果，沉降结果见图3～图6。

图3 第一次开挖后地面沉降

结合图3可知，AB沉降结果接近，说明若不涉及排水措施，单纯地对基坑进行开挖，那么开挖后地面的沉降结果相差不大。

图4 第二次开挖后地面沉降

图5 第三次开挖后地面沉降

结合图4可知，不同的地下水位处B点的沉降值相同，说明在B点进行支护后效果比较理想，达到了支护的目的。A点处沉降值较地下水位2.5 m处基坑较大，说明若地下水位越浅，A点的沉降较大，但是两者差值较小，差值率不超过3%(两者数值相差除以较大沉降的绝对值)，说明沉降的影响控制在可控范围内，也说明此影响可忽略。

结合图5可知，地下水位4.0 m处基坑经过排水处理后，B点沉降增大，较地下水位2.5 m基坑处大，说明地下水位越深，排水和支护措施会对地面沉降造成一定的影响，而地下水位2.5处B点沉降进一步缩小，说明此处基坑排水效果明显，达到了控制沉降的目的。

图6 第四次开挖后地面沉降

结合图6可知，地下水位4.0 m处B点沉降值依然较2.5 m处基坑沉降值大，但是较第三次开挖沉降数值不变，说明此基坑的降水效果也达到了工程的要求。两基坑A点沉降不变，说明只要排水和支护效果达到工程要求了，离基坑越远的地面，沉降变形越小，受地下水位距离的影响较小，甚至可忽略此影响。

4 结语

本文对不同地下水位的基坑开挖、排水和支护进行了数值模拟，并分析对不同开挖次数后的地面沉降进行了研究，研究结果表明：

(1)地下水位越浅的基坑，基坑进行排水、支护等处理后，对地面沉降的影响越小；

(2)地下水位不同，但距离基坑越远，其地面的沉降影响可越小；

(3)相同的处置措施，不同的地下水位的基坑，对地面沉降的影响不超过3%，一定程度上可认为若地下水位相近的基坑，对地面沉降的影响较小，甚至可忽略；

(4)本文数值模拟的结果可供地下水位较浅，且地下水位相近的基坑做参考，对于地下水位线相差较大，且地下水位较深的基坑，尚有待进一步研究。