浅析淤泥质土地区深基坑降水引起的周边地表沉降

摘要：在我国沿海地区有大量海积淤泥质土地区，因城市发展迅速，越来越多的建筑物、构筑物在淤泥质土地区兴建，尤其是地铁建设正方兴未艾，这就促使大量深基坑工程在此兴建，而淤泥质粘土的强度低，含水量大，自稳能力差，在基坑工程降水后对周边影响复杂，本文依托深圳地铁前海湾站深基坑降水研究，结论可以为沿海类似地区深基坑设计施工提供借鉴。

关键词：深基坑降水 海积淤泥区 地表沉降

中图分类号：P25 文献标识码：A

1 引言

深基坑工程降水引起的地表沉降已广泛引起人们的重视，尤其是在城市内的深基坑项目对地表沉降的要求更为严格，于1996年10月在安徽省黄山市召开的深基坑开挖与支护研讨会上，与会专家一致认为基坑事故绝大部分与地下水有关［1］。但目前国内对沿海海积淤泥地区的研究却很少，而随着沿海城市建设的飞速发展，越来越多的深基坑项目在淤泥质土地区建设，必须采用降水措施，以保证土建无水施工。由于降水必然会引发地面沉降，给社会发展、城市建设、环境保护和人民生活带来危害。本文依托深圳前海湾地铁站项目，采用FLAC3D软件，对该深基坑进行降水数值模拟，并以模拟结果与现场监测结果对比，找出海积淤泥区降水引起地表沉降的规律性。

2基本理论公式

FLAC3D是连续介质快速拉格朗日差分分析方法(Fast Lagrangian Analysisof Coniinua)的英文缩写。FLAC3D程序模拟流体流过可渗透的介质，如土体，渗流计算可以独立于通常FLAC3D的力学计算，也可以与力学计算并行，及耦合计算。流体在多孔介质中流动时，主要引起以下几个变量的变化，即孔隙压力，饱和状态和渗透流量，这些变量通过流体质点平衡方程，Darcy定律间的相互关系来描述流体的流动，本构方程主要表现孔隙压力、饱和状态、体积应变和温度的变化关系，进而实现温度一流体一固体三者之间的耦合。流体改变牵扯到孔压、饱和度、力学体积应变、温度方面的改变，多孔介质渗流反应方程(本构定律)表达为:

(2.1)

M—比奥模量（）；n—孔隙比；α—比奥系数；β—不排水热力系数（1/oC），考虑了流体和颗粒的温度膨胀。s—饱和度；

对于小变形，流体质量平衡可以表达为：

(2.2)

—体积流体源强度；—由于流体质量传输引起的单位体积孔隙介质流体容量或流体体积的改变。在本构方程中将流体质量方程代入本构定律形成流体连续方程，即为数值分析的公式表达。

(2.3)

本文采用FLAC3D渗流模式中的完全流固耦合模型，完全耦合模型的理论基础是著名的Biot固结理论。它考虑土体的变形和地下水运动的相互作用，即孔隙水压力的变化对土体变形的影响以及土体变形对孔隙水压力的影响，将土的变形模型和地下水流动模型统一于相同的物理空间。该模型的地下水流和土体变形既可以是一维的，也可以是二维或三维的，不仅反映地面沉降，而且能反映地层的水平位移。若假设土体的应力应变关系满足广义虎克定律，则土的位移满足方程：

(2.12)

水流连续性条件，水流方程为:

(2.13)

式中：为拉普拉斯算子，、、分别为土体在ｘ、ｙ、ｚ方向的位移，沿坐标轴正向为正；Ｇ为土体的剪切模量；μ土的泊松比；为水的体积压缩模量。

3边界条件

在渗流计算中，边界条件是很重要的，直接影响渗流结算的结果，在FLAC3D

中，有4种类型的边界条件，它们分别是:

l)给定孔隙水压力；2)给定边界外法线方向流量向量；3)不透水边界，不透水边界为程序默认的边界条件；4)透水边界，透水边界采用如下形式给出；

(2.4)

式中：为边界外法线方向流量分量，h为透水系数，为边界上的孔压，P为渗流出口处的孔隙水压力，其它边界条件，如部分边界上的常压力和常流量，则需通过FISH语言来实现。

4算例

前海湾站是深圳地铁5号线工程起点站，位于前海片区现正进行填海施工的待规划开发区，规划晨文路和在建地铁1号线鲤鱼门站西侧地块内。所在地区为海冲积平原，原地貌为濒海渔塘，现已被人工填平，西南部为挤淤区，地形略有起伏地形较平坦，略向海域倾斜，原始地面高程-0.29～3.37m。由于人工围垦和养殖，湾内泥质潮滩十分发育且大部分为蚝田区，水深小于2米。场地内正在进行地铁施工，挖方、填方频繁，地面高程变化比较快，主要建筑物为该站东侧在建的深圳地铁1号线续建工程鲤鱼门站，无市政管线。

模拟深圳前海湾地铁车站基坑建立模型，基坑的平面形状呈矩形，模型=长*宽为28.0m∙150m（B∙L）,最大开挖深度18.0m，场地内土层呈水平层状分布，为淤泥质土，粉土，粘土，下卧中沙及强风化花岗岩，计算时取地下水位为-1.0m，车站主体围护结构主要采用φ1200@1000mm，长28m的套管钻孔灌注咬合桩体系。 在进行降水时，可以将基坑看做一口大井，计算模型如下图所示，场地内原状土层的渗透系数相差不大，统一看做一层潜水含水层。 图1深圳前海湾基坑计算示意图

图2工程完成后孔隙水压力云图图3基坑发生渗流矢量图

分别模拟计算在基坑宽28m情况时，降水深度分别为20m、18m、16m、14m时对降水影响范围，墙后地面沉降如下图：

图4不同降水深度引起地面沉降图 图5不同降水深度基坑外侧地面沉降详

图7降水前后不同位置孔隙水压力差值

图6不同降水深度坑外地下水位变化

降水深度对坑外侧地下水位变化范围与影响地表沉降范围影响不大，这与地表沉降主要是由地下水渗流而引发的固结沉降是相一致的，但通过上图可以看出，坑外的地下水位线变化幅度与坑内却截然不同，在进行基坑20m降水时，墙外最大地下水位变化不过4m，止水帷幕有效的阻碍了地下水位的变化，而海积淤泥土的特殊性（弱透水性）也起到了很重要作用，这就使在基坑外侧因降水而造成的地表沉降大大降低，能够保证基坑外侧不会因基坑降水而发生地下水急剧下降而造成严重后果。

因为工程降水引起的附加沉降不仅与降水产生的降落漏斗的形状、深浅等降水水头降有关，还与地层的分布情况、可压缩性、压缩层的厚度等因素有关，想要寻找出一个能够反映一般规律的统一数学公式是比较困难的。另外抽水的时间长短、抽水强度、抽水的季节、基坑场地的水文地质边界等因素又会影响到降水形成的降落漏斗的形态。因此本文忽略地层的分布复杂性，只针对深圳海积淤泥地区，淤泥质土厚且水位极高，主要沉降发生在淤泥质土层中，并认为抽水完成，忽略时间因素，由此找出地面沉降的经验数学公式，以此来对当地工程降水设计提供参考依据。假定淤泥质土为均质、各向同性，且有统一的渗流系数。则沉降计算公式可以采用：，通过上面数值模拟计算以及现场采集的数据，可以得出在淤泥质土地区应力增量系数α可以取值2.67，即上式可以简化为

5结论：

1)随着最大降水深度的增加，地表总沉降和不均匀沉降均明显增加;

2)地下水系统数值模拟结果、地面沉降计算结果与实际情况比较接近，为今后海积淤泥地区工程降水引发的地面沉降计算起到了指导作用；

3)假设淤泥质土均质且各向同性，推导了工程降水引起的地面沉降的简化计算方法，地表沉降量与地下水位降深之间的关系：;

4)综合考虑开挖和工程降水因素，计算了仅考虑开挖和同时考虑开挖和降水情况下基坑围护结构的最大侧向位移及发生位置，坑底最大隆起，坑后最大地面沉降量及发生位置，认为工程降水对基坑及环境的影响不容忽视，必须做好帷幕止水工作。

【1】顾宝和、周红，基坑工程若干基本问题的讨论—基坑开挖与支护研讨会综述，工程，No.3，1997