基于长春某工程在基坑降水引发地面沉降方面的影响分析

吴银柱，瞿大卫

（长春工程学院，吉林 长春）

引言

基坑降水引起的周边环境的沉降破坏是工程中的常见问题，过程长且复杂，造成此危害的主要原因是渗流与应力场的耦合作用。基坑降水后，土体内的水从势能高处流向低处，原有土体内应力发生变化，进而导致周边环境内的地表造成不同程度的破坏。

国内诸多专家针对降水导致的地表沉降问题开展了研究，严学新（2019）以上海某工程为研究区域，从止水帷幕，复杂的地层特性，降水井排布三个方面入手，再结合数字计算和回归分析，对工程进行了分区研究处理，提出了针对复杂承压水含水层的控制降水沉降的新方法。王有旗（2022）以青岛某车站工程为研究实例，利用三维有限元模拟软件对该工程降水开挖引起的支护结构变形进行了模拟分析，得出降水对支护结构造成的变形量较小，不足10%，比起长边地连墙，短边地连墙对于降水过程更为敏感。李建强，杨勋等（2022）结合武汉长江中心项目B1 地块降水工程实例，针对武汉特殊的临江富水水文地质情况，并在工程中使用落地式止水帷幕的影响下，对基坑降水井的布置进行优化的施工技术。在施工场地，根据工程实际情况，在降水井和止水帷幕方面进行了重新布置与调整，从经济和安全两个角度对工程进行了优化。

降水引起的地面沉降问题现在多用理论计算的方式进行研究，本文应用Midas GTS NX 软件针对降水对周边土体产生的沉降作用进行了研究。

1 工程概况

1.1 工程区域概况

本工程位于长春市朝阳区南湖大路以北，宽平大路以西，红旗街以南。本工程±0.000 标高相当于绝对标高为232.3，场地自然标高约为231.90～232.15 m，基坑开挖深度约为5.45 和5.75 m，基坑支护周长约为169.0 m，基坑安全等级为二级基坑，基坑使用年限为一年。

1.2 场区地层分布

本工程的施工场地，勘探的总深度为23.2 m，根据勘探孔的勘察数据，场地的上部为杂填土层，下部为第四级冲击而形成的粉质黏土层。土层的物理力学性能见表1 和表2。

表1 分层土体物理性能

表2 分层土体厚度及物理参数

1.3 场区地下水分布

勘查深度内，场区地下水主要为潜水。

潜水主要埋藏于2.1 m 以下的粉质黏土层中，根据2021 年的勘察报告，此工程的初见地下水位为自然地面下3.5～3.9 m 处，水位标高为7.9～8.45 m。勘察时为丰水期，本场地地下水位标高为228.40～229.20 m，基础位于地下水位以下，本工程基础施工时需要进行降水，地下水控制方法应结合基坑支护体系方案，根据稳定性验算结果，充分考虑技术可行性及控制措施的可靠性，经综合分析后确定。建议在拟建场区内安设地下水位观测孔，加强地下水水位的监测工作，根据水位监测结果及对地下水动态分析变化的分析，针对基坑开挖的方案，确定相应的地下水控制措施。建议采用封闭式井点降水将地下水位降至基坑开挖面以下0.5～1.5 m。各土层渗透系数如下：

第②层粉质黏土渗透系数可按0.50 m/d 考虑，第③层粉质黏土渗透系数可按0.30 m/d 考虑，第④层粉质黏土渗透系数可按0.20 m/d 考虑，第⑤层粉质黏土渗透系数可按0.10 m/d 考虑。

2 降水设计计算

若想将地下水降至作业面之下，主要包括两种方式，集水明排和井点降水，前者是在基坑中开挖集水沟和集水井，将基坑中的地下水，引导入固定路线的集水沟中，再将沟中的水排入集水井，最后利用井中的水泵将水抽出，此种方法称为集水明排，该种方式施工方便、操作简单，但是抽水时会带走土中大量的泥沙，造成流砂，这会对施工产生不利影响。只适用于环境不复杂，且含水层较薄的施工地带。后者是采用在基坑周边一定范围布置利用管道相互连接的降水井，利用抽水设备把水从井中抽出，最后统一从管中排出以保持疏干的方式，该种方式适用于地下水位较高的地区，本文工程即采用井点降水中的管井降水。

基坑降水相关参数计算：

基坑降水井设置在基坑开挖范围1 m 的范围内，所围面积大约为1 981.44 m2。根据JGJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》计算基坑总涌水量

（1） 含水层潜水完整井计算公式

Q=πk=45.44 m3/d

式中，Q——基坑总涌水量（m3/d）；K——渗透系数（m/d）；H0——潜水含水层厚度（m）；s0——基坑地下水位设计降深（m）；R——降水的影响半径（m）；r0——基坑等效半径（m），可按进行计算。

（2） 含水层承压水完整井计算公式

Q=2πk

（3） 单井出水量计算

式中，q——单井允许出水量（m3/d）；R——过滤器外缘半径（m）；L——过滤器工作部分长度（m）；K——渗透系数（m/d）。

（4） 确定降水井深度

根据《工程降水设计施工与基坑渗流理论》书中的结论，降水井深度可按下式确定：

H=H1+h+JL+l=7.55+0.5+1/10×25+0.5+0.5=11.55 m，取12 m

式中，H——降水井深度（m）；H1——井点管埋深至基坑底面的距离（m）；H——基坑底部至降低后的地下水位的距离（m）；J——水力梯度，在降水井分布范围内宜为1/10～1/15；L——井点管至基坑中心的水平距离（m）；L——过滤器工作部分长度和沉淀管长度（m）。

（5） 确定降水井的数量

降水井数量计算：

式中，n——降水井数量；λ——调整系数，一级安全等级取1.2，二级安全等级取1.1，三级安全等级取1.0；Q——基坑涌水量（m3/d）；q——单井出水量（m3/d）。

参照长春本地的工程经验，宜按照6.0 m 间距来布置降水井，公布置34 口降水井。

3 模型建立

为了保证本文可以更快的进入问题讨论的重点，即让文章更具有针对性。在模型建立时遵循以下6 个基本假设：

（1） 本降水模型所使用的的材料均为各向同性、均匀。

（2） 土体假设为理想状态下的弹塑性材料。

（3） 假设土体中液体渗透均符合达西定律。

（4） 内摩擦角、渗透系数和粘聚力等土体参数均为恒定，不跟随时间变化而发生变化。

（5） 施工现场中的动荷载不纳入考量范围。

（6） 将模型中的降水井模拟为梁单元，将拉森钢板桩模拟为2d 板单元。

目标区域的降水井间距为6 m，经过计算将降水井深度设置为12 m。降水井的模拟方式大致分为两种，一种是在坑边土体上调整节点水头，再通过调整初始水位和降水后水位的节点水头来模拟，此种方法较为简单便捷，但是不利于表现单个井位对于降水过程的影响。另一种常用方式为使用1d 梁单元或者3d实体单元来模拟降水井，后通过直接调整降水井上的节点水头达到目的，此种方法对于表现单个井位降水影响更为直观。

基坑的开挖深度长、宽、深分别为67.8 m、27.7 m、7.55 m。依据理论和实际工程情况相结合的经验，基坑开挖对周边环境的影响范围一般在基坑周边3～5倍，在纵向深度的影响范围一般在2～3 倍，本文建立的模型范围长度、宽度、深度分别为120 m，90 m，20 m。根据本文依据工程的地勘报告，该工程的初见水位为3.3～3.7 m，本文模型将初始水位设置为3.5 m。

将工程所需材料的材料参数按实际情况输入模型中，之后将2 维CAD 平面图导入Midas GTS NX 软件中，使其扩展为三维立体模型，运用印刻和布尔运算功能将基坑嵌入地层土体模型中，使用混合网格生成器生成网格，设置基坑内部土体尺寸为1.5，基坑外土体尺寸为2，降水井尺寸为1.5，共划分网格64 038个。边界约束和重力约束采用软件自动生成，在基坑周边设置基坑开挖时的初始水位，将模型中的降水井设置为边界水头。

建立降水模型，共将模型分为5 个施工阶段来对基坑降水模型进行分析和研究，建立模型仅考虑降水的影响。

（1） 初始渗流场分析：（稳态）把各层土体和钢板桩地连墙等支护结构刚性连接网络进行激活，边界条件仅激活边界水头。

（2） 初始应力场分析：（应力）将边界约束和重力约束激活，钝化上一部中的支护结构刚性连接网络。

（3） 地连墙施工：（应力）激活钢板桩等支护结构网格组，钝化刚性连接网格。

（4） 降水：（瞬态）将地下水降为-9m，把降水水头激活。

（5） 降水固结：（应力）不做其他任何操作。

4 模拟分析

4.1 降水对周围地表环境的沉降影响

此模型中仅考虑降水对于周边环境的影响，忽略开挖，图1 和图2 为该步骤对于基坑周边30 m 范围内的变形沉降值。

图1 降水固结变形图

图2 沉降变形折线图

在基坑开挖施工前的降水阶段，降水所导致周边土体的沉降影响已经较为明显，如图3 所示，图中已降水井为中心，形成了一个降水漏斗状的沉降曲线，沉降影响在降水井附近达到最高，为11.19 mm，越远离降水井，沉降影响就越低，距离基坑中心50 m 之外，沉降已经降为2.47 mm，几乎对土体毫无影响。

图3 围护结构位移云图

4.2 降水对支护结构产生的水平位移影响

由图4 和图5 可知，降水造成的钢板桩的最大位移值在桩体最高处，为1.71 mm，之后位移距离随着桩体深度开始下降，土钉墙的最大位移同样位于墙体最高处，为1.68 mm，在墙体深度6.04 m 时达到最低，为0.93 mm，之后位移重新开始上升。从最大沉降值来判断，1.71 mm 位移对于支护结构的影响并不大，即降水导致的支护结构位移效果并不明显。

图4 钢板桩水平位移

图5 土钉墙水平位移

4.3 分层降水对于施工环境周边土体的影响

将该工程的降水过程由一次直接降至-9 m 更改为：（1） 每部降水4.5 m，分两次进行。（2） 每部降水3 m，分三次进行。

由图6 可知，分层降水的曲线基本一致，沉降值的大致曲线和趋势没有发生太大变化，沉降最大值也出现在同一位置，三种方式的最大值分别为11.19 mm、9.85 mm 和9.07 mm，可见分层降水确实可以降低降水所导致的土体沉降，由于分层降水每次降水的水量较小，相对减小了与外界的水头差值，自然土体沉降和支护结构的位移都会减少。以此可知，分层降水对于降水造成的周边环境破坏有良好的控制作用。

图6 分层降水沉降图

5 结论

本文以长春市某基坑为研究依据，使用Midas GTS NX 有限元分析软件对实际工程的降水过程进行了模拟，建立了三维基坑降水渗流耦合分析模型，模拟了基坑降水工程对周边地表土体的沉降影响。降水过程对于周边地表的沉降以降水井为中心，成降水漏斗状曲线，沉降最大值为11.9 mm，沉降变形的影响范围在基坑范围外30 m 左右，之后影响较为不明显。降水过程会导致钢板桩和土钉墙产生最多1.71 mm和1.68 mm 的沉降，最大值发生在桩体墙体的顶部，随着桩体深度增加呈下滑曲线，总体影响相对较小。分层降水可较为有效的控制降水引发的土体沉降，且不同次数的分层降水曲线基本一致。