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1、深基坑降水过程中地层变形数值模拟 史沛元，杨前雄 （武汉工业学院土木工程系 武汉 430023） 摘 要摘 要：为了控制基坑降水过程中因孔隙压力降低导致的地层沉降，根据渗流力学、弹性力 学的理论，结合有效应力原理，建立了基坑降水过程中地下水渗流及沉降计算的数学模型。 利用有限元方法对某基坑工程降水过程中地层沉降规律进行了数值模拟。 关键词关键词：基坑降水，有限元，数值模拟，渗流 Numerical Simulation of Land subsidence during Deep Foundation Dewatering Process Shi Pei-yuan, Yang Qian-xio
2、ng (Department of Civil Engineering, Wuhan Polytechnic University Wuhan 430023) Abstract: In order to control land subsidence induced by pore pressure declining during dewatering of deep foundation, according to seepage mechanics, elastic theory and Boit effective stress principal, mathematical mode
3、l to simulate seepage and land deformation was founded. Through numerical simulation, seepage and land deformation laws during dewatering of a deep foundation were studied. Key words: foundation dewatering, finite element, numerical simulation, seepage 1 引言 近几年由于国民经济的持续发展， 建筑业快速发展起来了。 在建筑密集的城市中兴建高层建
4、筑、地下车库、地下铁道或地下车站时，往往需要在狭窄的场地上进行深基坑的开挖。而降低地下水位是基坑工程的一个难点。 由于土质及地下水动力条件不同， 基坑开挖施工方法也不同。在没有地下水条件下，基坑可以轻易地挖至几米或更多，但在地下水位较浅或有地下水流的情况， 即便挖深 23 米也可能发生基坑塌方、 地面沉降危及周围建筑物的安全。因工程降水不当，而造成基坑工程失稳现象和事故时有发生。 而且随着高层建筑越来越多， 基坑开挖的面积和深度逐渐增大， 由基坑开挖引发的一系列城市环境问题越来越突出，特别是长江中下游地区，为了基坑开挖施工，常常需要大量临时性的降水。但是，当对基坑地下水处理不当时，常能造成基坑
5、坍塌、地面沉降等事故。致使工期延误，给国家造成损失。同时，基坑降水除了为地下工程提供安全的施工环境外，对后继工程能否完成也起着决定性的作用。 所以， 基坑降水在基坑开挖中占有举足轻重的作用。 目前基坑降水的方法主要有两种：集水井降水（明沟降水）和井点降水。集水井降水属重力降水，是在开挖基坑时沿坑底周围开挖排水沟（最小纵向坡度为 0.2%-0.5%），每隔一定距离（最大 30-40 米）设集水井，使基坑内渗出的水经排水沟流向集水井，然后用水泵排出基坑。排水沟和集水井的截面尺寸取决于基坑的涌水量。但是，当基坑开挖深度较大，地下水的动水压力和土的组成，可能引起流砂、管涌、坑底隆起和边坡失稳时，则宜采
6、用井点降水方法。 井点降水指在基坑内及基坑外一定范围内 布置一定数量、一定深度的抽水井，抽取主_要承压含水层中的地下水， 降低地下水位直至承压水对基坑底板向上的浮托力小于基坑底板土体的抗渗强度，抽水作业至基础施工完毕后，再使地下水恢复自然状态，属临时性降水措施。而且工程造价较低，但是由于长时间大幅度降低地下水，在形成降水漏斗范围内释水压密固结，引起地面沉降，若沉降量（或不均匀沉降量）大于周边构筑物的允许沉降量，必然会造成损害。 2 基坑降水过程中渗流及地层变形数学模型 存在于土体空隙中的水， 势必影响到土颗粒间的平衡状态。 在力学现象与水力现象之间有十分密切的相互作用。 我们称之为水土两相的耦
7、合作用。 通常渗流对变形的影响集中体现在渗透力对骨架的作用， 而变形的渗流的影响， 主要体现在变形改变了地层孔隙度和渗透能力。 基于渗流达西定律，考虑土层的可压缩性，可以得到基坑土体渗流数学模型为： 00=+ + + ttp fCzpk zypk yxpk x（1） 式中：Q 是微元体积流量；为流体密度；为流体粘度；p为孔隙压力；为土层孔隙度；C为地下水的压缩系数；t为时间。 f 基坑土体是一种饱和了水的多孔介质。 它所承受的总应力一部分由多孔介质内的流体所承受，即流体孔隙压力，另一部分则由土体骨架所承受，即有效应力。1925 年太沙基教授在进行土力学研究时提出了有效应力原理， 为解决饱和流体
8、的多孔介质的变形问题奠定了基础。根据弹性力学中的平衡方程，结合修正太沙基原理，可得基坑土体的平衡方程为： ()0,=+jijijijpF (2) 式中：为 Biot 系数，介于 0 到 1 之间的常数；ij为 Kroneker 张量；为总应力张量；为体积力分量。 ij iF岩土变形的几何方程在小应变条件下用张量形式可表示为： )(21,ijjiijuu+= (3) 式中：ji, 为应变张量；u为位移。 假设地层变形为弹性变形，应力和应变可由广义虎克定律给出： ijkkijijEE+=1(4) 式中：E为杨氏模量；为泊松比。 渗流定解条件包括边界条件和初始条件。边界条件指渗流区域集合边界上的水力
9、性质。又可分为第一类边界条件与第二类边界条件。第一类边界条件（Dirichlet 条件）又成为给定水头边界。通常可表示为： ),(),(11tzyxtzyxHS=（x,y,z (5) )1S第二类边界条件又称给定流量边界。相应边界表示为 ),(22tyxq=nHT () (6) 2,yx式中：n 为的外法线方向；为22或S, 1q2q22或S的侧向补给量。 中国科技论文在线_3 基坑降水过程中地层变形数值模拟 某工程基坑长度为 60 米，宽度 40 米，开挖深度为 12 米，所采用的降水方法为非完整型集水井降水方法，基坑的剖面图如下图 1 所示。计算单井出水量为 10m3/d,土层渗透系数为
10、8m/d，地下水埋深为 4 米，土层厚度分别为 5m,5m,10m, 降水影响半径为 226.274 米。基坑井点布置图如图 2 所示,基坑降水各点降深见图 3 所示。 图 1 基坑剖面图 图 2 基坑降水井点布置图 图 3 各点降深等值线图 计算得到的建筑物各角点沉降值分别为：建筑物角点1沉降0.155cm，建筑物角点2沉降中国科技论文在线_0.149cm，建筑物角点3沉降0.139(cm)，建筑物角点4沉降0.144(cm)，建筑物角点5沉降0.148(cm)，建筑物角点6沉降=0.152(cm)。 4 结论与认识 对于基坑降水实时控制， 通过数值模拟， 可以绘制出水位降深过程线及各时段基
11、坑降水等值线图， 分析比较水位降深计算值与基坑观测井实际水位观测值， 随时指导和控制各井各时段的出水流量，使实际降水不超降又满足工程要求，达到最佳降水效果。 对于邻近高楼、 交通要道或周边地下管道密集的基坑工程， 周边水位降深过大会引起地面、地下建（构）筑物因沉陷变形过大而破坏，通过数值模拟进行超前计算分析，掌握基坑内外水位变化过程，施工中及时调配抽（注）水井数量，预计提前降水时间，合理配备开机数量，可以保证基坑顺利开挖和周边建（构）筑物的安全。 参考文献 1、罗晓辉，深基坑开挖渗流与应力耦合分析，工程勘察，1996 年第 6 期 2、张在明著，地下水与建筑基础工程，中国建筑工业出版社，2001 3、罗焕炎、陈雨孙著，地下水运动的数值模拟，中国建筑工业出版社，1993 4、李广信，关于深基坑开挖工程中土与水的若干问题，地基基础工程，1997 年第 4 期 5、苑莲菊等著，工程渗流力学及应用，中国建材工业出版社，2001 中国科技论文在线_
