基于CFD-DEM方法的深基坑降水对地面沉降的影响研究

高 贵

（山西八建集团有限公司，山西 太原 030027）

0 引言

对于深基坑工程，降水是防止地下水渗入基坑，保证基坑在干燥条件下施工的关键。当工程位于富水地层时，必须进行降水处理，但降水处理很容易造成卵石地层中的细颗粒被冲刷，造成较大的地面沉降[1]。但目前，对降水引起的颗粒损失规律，特别是颗粒损失率和损失粒度分布的研究较少[2]。而CFD-DEM 耦合方法可以准确地反映围岩中细颗粒与地下水之间的相互作用，能够捕捉颗粒和流体的微观和宏观特征，为研究降水造成的细颗粒损失提供了新的见解。

本文以实际深基坑工程为例，通过降水试验分析富水砂卵石地层降水引起地面沉降的规律，并利用CFD-DEM 耦合数值模型分析砂卵石地层深基坑降水引起细砂流失的规律，这对富水砂卵石地层深基坑降水设计具有参考意义。

1 工程概况

案例工程位于吕梁市中阳县，是桥坡底片区棚户区改造安置住房三期工程。工程包括1号楼和3号楼，分别为地上26 层和30 层，地下3 层的建筑。总建筑面积为29399.21㎡，总工期为838d。工程的主要特点包括：（1）结构类型为剪力墙结构，具有较高的抗震性能；（2）采用钢筋混凝土基础，具有良好的承载能力；（3）建筑外墙采用保温材料，提高了节能性能；（4）采用节水型卫生洁具，节约水资源。在施工过程中，项目部将严格按照国家和地方的相关法规、规范和标准进行施工，确保工程质量、安全和环保。同时，项目部将与各参建单位密切配合，共同推进工程的顺利实施，力争按期完成建设任务，为业主交付满意的优质工程。

2 地层情况及降水试验概述

深基坑降水可能会导致地面沉降，从而对周围的建筑物、基础设施等产生影响。例如，地面沉降可能会导致建筑物基础的不均匀沉降，从而引发建筑物的裂缝、倾斜甚至倒塌。因此，在施工前，应对深基坑降水对地面沉降的影响进行充分的评估。该工程采用明挖盖挖法施工，基坑长428.1m，宽25.5m，深22m。基坑自上而下地层主要为人工填土、粉质黏土、砂卵石，下伏基岩为泥岩。基坑砂卵石层厚度为5～12m，粒度分布为2～10cm。砂卵石地层中有一层厚厚的砂层，呈带状和透镜状分布。基坑内地下水储量丰富，一般埋深4.0~8.5m，平均埋深6.0m，地下水主要有黏土层以上人工填土中的滞留水、第四系松散岩层中的孔隙水（微承压水）和基岩裂隙水[5]。松散岩层中的孔隙水对施工影响很大，因此在施工过程中有必要对基坑进行降水[3]。砂卵石地层中的基坑降水极有可能造成细微颗粒的流失，从而引起相当大的地面沉降。该基坑采用管井降水，基坑周边共开挖降水井55 口，平均中心距16m，降水井与开挖面距离3m。

3 深基坑降水试验

选择JS-15、JS-16、JS-17、JS-18、JS-19等5口降水井进行降水试验。降水井位于厚10~12m、深5~18m 的砂卵石地层中。降水试验主要研究砂卵石地层中的降水，旨在找出基坑降水过程中地面沉降的规律。在距降水井2m、5m、10m、15m、20m、25m、30m 处的基坑断面上设置了7 个地面沉降监测点。在试验过程中，采用5口降水井同时降水，降水速度为8m3/h，对降水过程中的地面沉降和地下水位进行实时监测，如图1所示。

图1 地面沉降随时间和地下水位的变化规律

在降水试验开始之前，地下水深为4.7m。试验开始时，由于砂卵石地层具有较强的透水性，地下水位在0~18h 内显著持续下降至17.8m，18~72h 基本保持不变，72h停止降水，72~96h后地下水位持续回升至原水位。

降水过程中出现地面沉降，但或多或少滞后于地下水位的变化。地面沉降在72h达到峰值，最大沉降量为8.7mm，在距离降水井最近的监测点SP1 处被记录到。降水72h结束后，SP1和SP2的地面沉降略有恢复，但恢复幅度很小，恢复滞后。砂卵石地层具有很高的渗透性，降水容易引起地面沉降和细小颗粒的损失，从而导致地层的固结沉降。

4 降水数值分析

4.1 数值模型

砂卵石地层透水性强，粒度分布差，颗粒黏聚力弱。因此，在降水作用下，颗粒很容易被冲走，造成固结沉降。采用DEM-CFD耦合方法分析了颗粒在降水过程中的损失，基坑的基岩为中等风化的低渗透泥岩，降水对基岩的影响较小，只考虑砂卵石地层和黏土层。砂粒粒径为0.001～0.6m，黏土粒径为0.02～0.13m。对于黏性几乎为零、抗拉强度为零的砂卵石地层，颗粒-颗粒接触模型采用线弹性模型，黏土层采用平行黏结模型[4]。

模型长30m，高15m，粉质黏土厚5m，砂卵石层厚10m，地下水深5m。流体网格尺寸为0.5~1m，在流体模型底部中心预留0.6m出水口模拟降水井。滤料产生并固定在降水井附近的两个流体格栅中，滤料的接触模型为线弹性模型。计算模型模拟了滤料粒径分别为0mm、4mm、8mm、12mm 的管内充填情况。每种滤料的降水速度分别为4m3/h、6m3/h、8m3/h 和10m3/h，共模拟了16种工况。

在数值模拟之前，首先标定地层参数。以砂卵石地层的参数标定为例：进行了三轴剪切试验，得到了地层的应力-应变曲线；根据试验中的实际尺寸建立了数值模型，调整了颗粒的细观结构参数，计算了试件的应力-应变曲线，使之不断接近剪切试验的结果。当模拟峰值强度与试验结果的峰值强度相差<5%时，所得到的细观结构参数可以认为是满足要求的。砂卵石地层应力-应变曲线的数值计算结果与试验结果的对比如图2所示。

图2 数值试验与室内试验结果的对比

4.2 降水对颗粒损失的影响

基坑降水过程中，卵石地层中的细颗粒或多或少会发生迁移，降水主要引起卵石地层中细颗粒的迁移，对粒径较大的卵石影响不大。细颗粒离降水孔越近，它们移动得越远，降水井中过滤介质粒径越大，基坑降水量越大，颗粒迁移越明显。当降水井中不使用过滤介质时，直径较大的卵石也发生了明显的位移。

降水速度越快，滤料的粒径越大，细颗粒的损失越严重，对滤料的影响也越明显。在降水井中使用滤料时，细颗粒（<5mm）的损失<7%；不使用滤料时，细颗粒的损失约为15%。当没有过滤介质时，不仅细颗粒的损失增加，而且损失的颗粒尺寸也逐渐增加，最大损失粒径达到26mm，但当使用过滤介质时，最大损失粒径从未超过10mm。

在降水作用下，卵石地层中流失的颗粒主要为砂。当滤料粒径为12mm 时，粒径<6mm 的颗粒流失率为85%~90%；当不使用滤料时，粒径<5mm 的颗粒流失率为70%~80%。降水引起的砂粒流失是引起地层变形的主要因素，过滤介质的粒度越大，降水速度越快，降水对颗粒的影响也越大。当没有过滤介质时，较大颗粒（粒径>5mm）的损失明显增加，占损失颗粒的20%～30%。

4.3 降水对地面沉降的影响

在卵石地层中进行基坑降水过程中，降水井周围的细颗粒会被冲走，颗粒的流失会引起降水井区域地层变形，随着卵石地层孔隙度的增大，在重力作用下会发生固结沉降（如图3 所示），这是造成地面沉降的主要原因。施工过程中，降水速度越快，降水井所用滤料粒径越大，颗粒流失越严重，地层变形越明显，上方地面沉降越严重。地面沉降的增加表现为地面沉降波谷曲线的增加和沉降量的增加。

图3 地面沉降示意图

卵石层在降水过程中，地下水位下降较快，与地下水位下降相比，地面沉降滞后。在降水过程中，由于地下水位下降，带走了卵石层中的细颗粒，使地层变形，在重力作用下，卵石层发生固结沉降，引起地面沉降。地下水位恢复后，地面沉降或多或少有所恢复，但恢复不显著。这一规律与降水试验结果一致。

5 降水与开挖耦合效应的数值分析

5.1 数值模型

富水卵石地层基坑施工引起的地面沉降是降水与基坑开挖耦合作用的结果。在研究降水对地面沉降影响的基础上，建立了数值模型，分析了降水与开挖耦合作用下的地面沉降规律。模型的尺寸为40m×30m×20m，其中粉质黏土厚5m，卵石层厚10m，底部为中风化泥岩，地下水埋深5m。开挖过程为先开挖后支护。降水和开挖模拟分为8个步骤。在此基础上，研究了滤料粒径为0mm、4mm、8mm、12mm，降水量为4m3/h、6m3/h、8m3/h和10m3/h的16种工况。此外，还安排了一个不降水的附加工况进行比较。

5.2 与实地测量的比较

基坑开挖时，降水与开挖同时进行。图4显示了不同开挖深度的数值计算和现场测量结果之间的比较，结果表明，数值计算结果与现场实测结果基本一致，反映了相同的规律，验证了数值模拟的可靠性。在卵石地层中进行基坑施工时，卵石地层的降水和开挖是控制地面沉降的关键。

图4 计算结果与现场实测结果的对比

5.3 计算结果

随着基坑开挖和降水的进行，地面沉降不断加剧。模型中的地层有3种类型：粉质黏土层、卵石层和中风化泥岩层。粉质黏土层位于地下水位以上，渗透性低，降水对其影响不大；卵石层透水性强，降水时颗粒流失严重，卵石层降水引起的地面沉降较大；中风化泥岩透水性弱，因此它不受降水的显著影响，并且颗粒不被洗涤。因此，卵石层基坑开挖和降水是控制地面沉降的关键，卵石层降水引起的地面沉降约占总沉降量的35%。

脱水速率的增加或降水井中过滤介质粒径的增大，都会导致卵石地层中细颗粒流失量的增加，进而导致地面沉降量的增大。降水对地面沉降的分布也有影响，降水井附近地面沉降最大，与降水率相比，滤料粒径对地面沉降的影响更大。有降水的最大地面沉降与无降水的地面沉降的比率增加。

滤料粒径对地面沉降有显著影响。当粒径为4mm时，地面沉降增加约0.07~0.13mm；当粒径为8mm时，地面沉降增加约0.14～0.26cm；当粒径为12mm时，地面沉降增加约0.22～0.41cm；当不使用过滤介质时，地面沉降增加约1.06～1.76cm。随着滤料粒径的增大，降水对地面沉降的影响逐渐增大。

6 结束语

本文通过建立CFD-DEM耦合数值模型，分析了基坑降水引起的颗粒损失和地面沉降的规律。结论如下：

（1）砂卵石地层具有较强的透水性。降水后，地下水位迅速下降，造成地面沉降。即使在地下水位恢复后，地面沉降也基本没有反弹。

（2）砂卵石地层中的基坑降水过程中，砂粒占总流失颗粒的比例超过70%。降水井中使用的滤料粒度越大，基坑降水越严重，流失的颗粒比例和粒径越大，从而引起地面沉降。

（3）在基坑施工中，砂卵石地层中的基坑降水和开挖是控制地面沉降的关键阶段，卵石地层中的降水引起的地面沉降约占总沉降量的35%。随着滤料颗粒尺寸的增大，降水对地面沉降的影响越来越大。

（4）施工中应注意降水井滤料的选择。粒径小于8mm的鹅卵石是滤料的首选。