基于CFD-DEM方法的深基坑降水對地面沉降的影響研究

高 貴

（山西八建集團有限公司，山西 太原 030027）

0 引言

對于深基坑工程，降水是防止地下水滲入基坑，保證基坑在干燥條件下施工的關鍵。當工程位于富水地層時，必須進行降水處理，但降水處理很容易造成卵石地層中的細顆粒被沖刷，造成較大的地面沉降[1]。但目前，對降水引起的顆粒損失規(guī)律，特別是顆粒損失率和損失粒度分布的研究較少[2]。而CFD-DEM 耦合方法可以準確地反映圍巖中細顆粒與地下水之間的相互作用，能夠捕捉顆粒和流體的微觀和宏觀特征，為研究降水造成的細顆粒損失提供了新的見解。

本文以實際深基坑工程為例，通過降水試驗分析富水砂卵石地層降水引起地面沉降的規(guī)律，并利用CFD-DEM 耦合數值模型分析砂卵石地層深基坑降水引起細砂流失的規(guī)律，這對富水砂卵石地層深基坑降水設計具有參考意義。

1 工程概況

案例工程位于呂梁市中陽縣，是橋坡底片區(qū)棚戶區(qū)改造安置住房三期工程。工程包括1號樓和3號樓，分別為地上26 層和30 層，地下3 層的建筑?？偨ㄖ娣e為29399.21㎡，總工期為838d。工程的主要特點包括：（1）結構類型為剪力墻結構，具有較高的抗震性能；（2）采用鋼筋混凝土基礎，具有良好的承載能力；（3）建筑外墻采用保溫材料，提高了節(jié)能性能；（4）采用節(jié)水型衛(wèi)生潔具，節(jié)約水資源。在施工過程中，項目部將嚴格按照國家和地方的相關法規(guī)、規(guī)范和標準進行施工，確保工程質量、安全和環(huán)保。同時，項目部將與各參建單位密切配合，共同推進工程的順利實施，力爭按期完成建設任務，為業(yè)主交付滿意的優(yōu)質工程。

2 地層情況及降水試驗概述

深基坑降水可能會導致地面沉降，從而對周圍的建筑物、基礎設施等產生影響。例如，地面沉降可能會導致建筑物基礎的不均勻沉降，從而引發(fā)建筑物的裂縫、傾斜甚至倒塌。因此，在施工前，應對深基坑降水對地面沉降的影響進行充分的評估。該工程采用明挖蓋挖法施工，基坑長428.1m，寬25.5m，深22m?；幼陨隙碌貙又饕獮槿斯ぬ钔?、粉質黏土、砂卵石，下伏基巖為泥巖?；由奥咽瘜雍穸葹?～12m，粒度分布為2～10cm。砂卵石地層中有一層厚厚的砂層，呈帶狀和透鏡狀分布。基坑內地下水儲量豐富，一般埋深4.0~8.5m，平均埋深6.0m，地下水主要有黏土層以上人工填土中的滯留水、第四系松散巖層中的孔隙水（微承壓水）和基巖裂隙水[5]。松散巖層中的孔隙水對施工影響很大，因此在施工過程中有必要對基坑進行降水[3]。砂卵石地層中的基坑降水極有可能造成細微顆粒的流失，從而引起相當大的地面沉降。該基坑采用管井降水，基坑周邊共開挖降水井55 口，平均中心距16m，降水井與開挖面距離3m。

3 深基坑降水試驗

選擇JS-15、JS-16、JS-17、JS-18、JS-19等5口降水井進行降水試驗。降水井位于厚10~12m、深5~18m 的砂卵石地層中。降水試驗主要研究砂卵石地層中的降水，旨在找出基坑降水過程中地面沉降的規(guī)律。在距降水井2m、5m、10m、15m、20m、25m、30m 處的基坑斷面上設置了7 個地面沉降監(jiān)測點。在試驗過程中，采用5口降水井同時降水，降水速度為8m3/h，對降水過程中的地面沉降和地下水位進行實時監(jiān)測，如圖1所示。

圖1 地面沉降隨時間和地下水位的變化規(guī)律

在降水試驗開始之前，地下水深為4.7m。試驗開始時，由于砂卵石地層具有較強的透水性，地下水位在0~18h 內顯著持續(xù)下降至17.8m，18~72h 基本保持不變，72h停止降水，72~96h后地下水位持續(xù)回升至原水位。

降水過程中出現地面沉降，但或多或少滯后于地下水位的變化。地面沉降在72h達到峰值，最大沉降量為8.7mm，在距離降水井最近的監(jiān)測點SP1 處被記錄到。降水72h結束后，SP1和SP2的地面沉降略有恢復，但恢復幅度很小，恢復滯后。砂卵石地層具有很高的滲透性，降水容易引起地面沉降和細小顆粒的損失，從而導致地層的固結沉降。

4 降水數值分析

4.1 數值模型

砂卵石地層透水性強，粒度分布差，顆粒黏聚力弱。因此，在降水作用下，顆粒很容易被沖走，造成固結沉降。采用DEM-CFD耦合方法分析了顆粒在降水過程中的損失，基坑的基巖為中等風化的低滲透泥巖，降水對基巖的影響較小，只考慮砂卵石地層和黏土層。砂粒粒徑為0.001～0.6m，黏土粒徑為0.02～0.13m。對于黏性幾乎為零、抗拉強度為零的砂卵石地層，顆粒-顆粒接觸模型采用線彈性模型，黏土層采用平行黏結模型[4]。

模型長30m，高15m，粉質黏土厚5m，砂卵石層厚10m，地下水深5m。流體網格尺寸為0.5~1m，在流體模型底部中心預留0.6m出水口模擬降水井。濾料產生并固定在降水井附近的兩個流體格柵中，濾料的接觸模型為線彈性模型。計算模型模擬了濾料粒徑分別為0mm、4mm、8mm、12mm 的管內充填情況。每種濾料的降水速度分別為4m3/h、6m3/h、8m3/h 和10m3/h，共模擬了16種工況。

在數值模擬之前，首先標定地層參數。以砂卵石地層的參數標定為例：進行了三軸剪切試驗，得到了地層的應力-應變曲線；根據試驗中的實際尺寸建立了數值模型，調整了顆粒的細觀結構參數，計算了試件的應力-應變曲線，使之不斷接近剪切試驗的結果。當模擬峰值強度與試驗結果的峰值強度相差<5%時，所得到的細觀結構參數可以認為是滿足要求的。砂卵石地層應力-應變曲線的數值計算結果與試驗結果的對比如圖2所示。

圖2 數值試驗與室內試驗結果的對比

4.2 降水對顆粒損失的影響

基坑降水過程中，卵石地層中的細顆?；蚨嗷蛏贂l(fā)生遷移，降水主要引起卵石地層中細顆粒的遷移，對粒徑較大的卵石影響不大。細顆粒離降水孔越近，它們移動得越遠，降水井中過濾介質粒徑越大，基坑降水量越大，顆粒遷移越明顯。當降水井中不使用過濾介質時，直徑較大的卵石也發(fā)生了明顯的位移。

降水速度越快，濾料的粒徑越大，細顆粒的損失越嚴重，對濾料的影響也越明顯。在降水井中使用濾料時，細顆粒（<5mm）的損失<7%；不使用濾料時，細顆粒的損失約為15%。當沒有過濾介質時，不僅細顆粒的損失增加，而且損失的顆粒尺寸也逐漸增加，最大損失粒徑達到26mm，但當使用過濾介質時，最大損失粒徑從未超過10mm。

在降水作用下，卵石地層中流失的顆粒主要為砂。當濾料粒徑為12mm 時，粒徑<6mm 的顆粒流失率為85%~90%；當不使用濾料時，粒徑<5mm 的顆粒流失率為70%~80%。降水引起的砂粒流失是引起地層變形的主要因素，過濾介質的粒度越大，降水速度越快，降水對顆粒的影響也越大。當沒有過濾介質時，較大顆粒（粒徑>5mm）的損失明顯增加，占損失顆粒的20%～30%。

4.3 降水對地面沉降的影響

在卵石地層中進行基坑降水過程中，降水井周圍的細顆粒會被沖走，顆粒的流失會引起降水井區(qū)域地層變形，隨著卵石地層孔隙度的增大，在重力作用下會發(fā)生固結沉降（如圖3 所示），這是造成地面沉降的主要原因。施工過程中，降水速度越快，降水井所用濾料粒徑越大，顆粒流失越嚴重，地層變形越明顯，上方地面沉降越嚴重。地面沉降的增加表現為地面沉降波谷曲線的增加和沉降量的增加。

圖3 地面沉降示意圖

卵石層在降水過程中，地下水位下降較快，與地下水位下降相比，地面沉降滯后。在降水過程中，由于地下水位下降，帶走了卵石層中的細顆粒，使地層變形，在重力作用下，卵石層發(fā)生固結沉降，引起地面沉降。地下水位恢復后，地面沉降或多或少有所恢復，但恢復不顯著。這一規(guī)律與降水試驗結果一致。

5 降水與開挖耦合效應的數值分析

5.1 數值模型

富水卵石地層基坑施工引起的地面沉降是降水與基坑開挖耦合作用的結果。在研究降水對地面沉降影響的基礎上，建立了數值模型，分析了降水與開挖耦合作用下的地面沉降規(guī)律。模型的尺寸為40m×30m×20m，其中粉質黏土厚5m，卵石層厚10m，底部為中風化泥巖，地下水埋深5m。開挖過程為先開挖后支護。降水和開挖模擬分為8個步驟。在此基礎上，研究了濾料粒徑為0mm、4mm、8mm、12mm，降水量為4m3/h、6m3/h、8m3/h和10m3/h的16種工況。此外，還安排了一個不降水的附加工況進行比較。

5.2 與實地測量的比較

基坑開挖時，降水與開挖同時進行。圖4顯示了不同開挖深度的數值計算和現場測量結果之間的比較，結果表明，數值計算結果與現場實測結果基本一致，反映了相同的規(guī)律，驗證了數值模擬的可靠性。在卵石地層中進行基坑施工時，卵石地層的降水和開挖是控制地面沉降的關鍵。

圖4 計算結果與現場實測結果的對比

5.3 計算結果

隨著基坑開挖和降水的進行，地面沉降不斷加劇。模型中的地層有3種類型：粉質黏土層、卵石層和中風化泥巖層。粉質黏土層位于地下水位以上，滲透性低，降水對其影響不大；卵石層透水性強，降水時顆粒流失嚴重，卵石層降水引起的地面沉降較大；中風化泥巖透水性弱，因此它不受降水的顯著影響，并且顆粒不被洗滌。因此，卵石層基坑開挖和降水是控制地面沉降的關鍵，卵石層降水引起的地面沉降約占總沉降量的35%。

脫水速率的增加或降水井中過濾介質粒徑的增大，都會導致卵石地層中細顆粒流失量的增加，進而導致地面沉降量的增大。降水對地面沉降的分布也有影響，降水井附近地面沉降最大，與降水率相比，濾料粒徑對地面沉降的影響更大。有降水的最大地面沉降與無降水的地面沉降的比率增加。

濾料粒徑對地面沉降有顯著影響。當粒徑為4mm時，地面沉降增加約0.07~0.13mm；當粒徑為8mm時，地面沉降增加約0.14～0.26cm；當粒徑為12mm時，地面沉降增加約0.22～0.41cm；當不使用過濾介質時，地面沉降增加約1.06～1.76cm。隨著濾料粒徑的增大，降水對地面沉降的影響逐漸增大。

6 結束語

本文通過建立CFD-DEM耦合數值模型，分析了基坑降水引起的顆粒損失和地面沉降的規(guī)律。結論如下：

（1）砂卵石地層具有較強的透水性。降水后，地下水位迅速下降，造成地面沉降。即使在地下水位恢復后，地面沉降也基本沒有反彈。

（2）砂卵石地層中的基坑降水過程中，砂粒占總流失顆粒的比例超過70%。降水井中使用的濾料粒度越大，基坑降水越嚴重，流失的顆粒比例和粒徑越大，從而引起地面沉降。

（3）在基坑施工中，砂卵石地層中的基坑降水和開挖是控制地面沉降的關鍵階段，卵石地層中的降水引起的地面沉降約占總沉降量的35%。隨著濾料顆粒尺寸的增大，降水對地面沉降的影響越來越大。

（4）施工中應注意降水井濾料的選擇。粒徑小于8mm的鵝卵石是濾料的首選。