基坑工程问题研究论文：基坑工程承压水问题的研究现状

基坑工程问题研究论文：基坑工程承压水问题的研究现状[摘要] 本文对基坑工程承压水问题的研究现状进行了探究。

[关键词] 基坑工程问题研究地下水是深基坑工程研究的核心问题之一，尤其是在沿海软土地区，地下水是基坑工程失稳破坏的关键因素，也是导致基坑工程事故最直接的原因之一。

根据王曙光、蒋红星、叶琳昌等的统计数据显示，与地下水有关的基坑事故约占总事故的45％～70％。

目前的研究及工程实践也表明，承压含水层（地下水）对基坑工程的施工安全性具有重要的影响。

从近年来上海、南京、广州地区地铁车站基坑施工的实际情况来看，多数基坑工程事故与承压水处理不当有关，承压含水层（地下水）已成为导致基坑工程事故的关键因素之一。

如上海轨道交通4号线越江隧道区间因冷冻设备出现故障造成承压水涌入隧道造成直接经济损失1.5亿元；南京地铁2号线元通站地铁盾构出洞口由于承压水失稳导致基坑涌水事故，盾构机淹没，损失巨大；广州地铁4号线罗湖区东门中路因承压水处理不当造成基坑失事，死亡2人，造成重大的损失。

我国关于基坑工程承压水的研究还比较少。

近年来，随着城市地铁工程建设的快速发展，一些专家学者对承压水问题进行了相关的研究，并逐渐从理论研究转向工程应用。

1. 承压水的渗流理论研究现状正确分析基坑开挖及降水引发的渗流场与应力场的变化规律，对于基坑工程降水方案优化设计、防治引发周围环境沉降等具有十分重要的意义。

在国外，c·v·theis、hantush、neuman、witherspoon 等对地下水运动的不稳定性和承压含水层的赋水性的研究，主要集中研究了地下水非稳定渗流理论，提出了第一类越流理论（不考虑弱透水层弹性赋存量的释放补给及假定非抽水含水层的水头值保持不变）、第二类越流理论（考虑弱透水层弹性赋存水的释放对抽水含水层地下水渗流的影响）、第三类渗流理论（双层承压含水层组的渗流理论），以上理论都称为弹性渗流理论，它是建立在以下三个方面的假定：①含水层（组）骨架的压缩变形符合弹性虎克定律；②含水层（组）骨架仅在竖向发生位移；③地层的竖向总应力保持不变。

在工程实践中，用弹性渗流理论来计算和预测含水层（组）内的地下水位的变化，精度是足够的，但不能解释含水层（组）土骨架的变化特征，将其应用于计算和预测地下水水位降引起的地层压缩和地面沉降，误差较大。

为此，w·brutsaert和m·y·corapcioglu提出了无越流承压含水层渗流的粘弹性理论，corapcioglu还提出了流变性质的地下水渗流的数学模型，这种非弹性渗流理论能够比较好地解释含水层（组）地下水渗流的变形机制。

关于渗流力的计算，早在1975年，louis和dessenne 等人就提出渗流与岩土体共同作用的概念。

但是将其作用于实际工程的实例较少，我国学者郦能惠、沈珠江（1999）提出了在土石坝工程中考虑渗流作用的计算方法；李广信教授（1998）通过剪力分析指出了在基坑工程的土压力计算中考虑渗流作用的重要意义；魏汝龙教授（1998）在土压力计算中考虑渗流力的方面做了大量工作；高俊合（1998）考虑了固结变形及渗流效应的耦合作用，分析基坑工程支护结构位移。

但是更精确的计算则必须借助于数值模拟计算方法。

吴林高（1995）在室内模型试验的基础上，通过大量的分析和计算，得出因抽水引起的土骨架压密的应力—应变关系，含水层的渗透系数与有效应力增量的相关关系，同时采用提出的经验关系式推导了变参数地下水非稳定渗流数学模型。

刘陕南、吴林高（1997）通过cu试验，以上海第三层淤泥质粘土和第四层淤泥质粘土为试验对象，研究了工程降水引起的前期固结压力的增长对软土工程性质的影响。

魏汝龙（1998）提出了一种考虑渗流力时计算土压力和水压力的方法，并将它与不同的水土分算或合算的方法进行比较，认为如果挡墙前后的水头差很大，且土的渗透性较好或基坑施工期较长，则计算土压力和水压力时宜考虑渗流力。

李广信和周顺和（1999）研究了墙后填土中的超静孔隙水压力对挡土结构物的土压力影响，认为超静孔压的存在使挡土结构上的总压力发生改变，土压力也不再成直线分布，而且最大压力也不一定在底部，滑裂面的位置和形状也都会发生变化。

李广信等（2002）针对基坑地基土中水的渗流引起水压力和土压力的变化，对有上层滞水，一般自由渗流、有承压水、基坑内排水与基坑外降水以及有超静孔压等情况的基坑支护结构上的水土压力进行计算分析，结果表明，水土压力的大小及分布与静水时的明显不同，且考虑渗流影响时较适合用库仑土压力理论，基坑外人工降水与基坑内排水相比，更有利于基坑的稳定。

目前对承压水的研究较少，承压水地层基坑抗隆起的影响大小尚无合适的算法。

黄强（1999）考虑上覆土层重量与滞水层水压及承压水的水压力平衡，给出基底抗突涌安全验算公式；刘建航、候学渊（1997）则给出了解决承压水引起基坑突涌的措施；杨进良（1999）在基坑边坡的稳定分析中不仅考虑了潜水渗流的作用，还把承压水层作为整体渗流场的一部分，指出在基坑设计的各项验算中，将整体渗流场分开，取其部分进行计算；李学山（2005）模拟了承压水引起的坑底破坏同时还进行了降水后的计算，比较了坑内坑外降水的差异。

这些方法都必须与实际的场地条件相结合。

2. 渗流问题的数值模拟研究现状在基坑降水（降承压水）及其引起的地面沉降计算中，运用数值模拟方法可以很好地模拟降水（降承压水）过程中的沉降变形基本规律，具有很重要的现实意义。

近些年来，比奥固结理论有限单元法已经从土体固结的沉降变形分析领域推广到了基坑开挖领域。

平扬、白世伟（2001）等基于比奥固结理论，并将其扩展应用于弹塑性分析领域，将渗流场水力作用与应力场藕合，通过有限单元法模拟，得到了基坑开挖及降水过程中，开挖范围及邻近区域地面沉降等环境效应的基本规律的认识，为基坑开挖设计与信息化施工提供借鉴。

丁州祥、龚晓南等（2005）采用biot固结理论编制有限元程序，分析了止水帷幕对基坑工程环境效应的影响，包括止水帷幕不同打设深度的效果，以及两种封闭式帷幕发生漏水时对地下水位和坑外土体位移的影响等。

宗金辉、王成华（2003）编制了基坑渗流场三维有限元程序比较理想的反映了基坑渗流场中等势线、流速矢量、无压渗流场自由面以及流量等渗流要素在不同条件下的变化规律。

黄春娥、龚晓南（2001）建立了有限元法与条分法结合计算渗流作用下基坑稳定性的计算模型，既利用了有限元计算渗流场的有效性，又不脱离条分法多年使用积累的经验，融合了两种算法的优点。

冉启全等（1997）根据流固藕合力学的理论与方法，充分考虑软粘土的流变特性，建立了包括主固结和次固结的渗流—变形—沉降藕合模型，将地面沉降过程视为一个动态藕合作用过程，同时对渗流、变形和沉降过程进行仿真模拟，从而对地面沉降进行计算和预测。

罗晓辉、杨志锡和杨林德等（1997）也通过数值模拟的手段对基坑开挖中渗流场与应力场藕合作用进行了研究。

魏加华、崔亚莉、邵景力等（2000）将三维地下水流模型与地面沉降模型（太沙基一维沉降固结模型）藕合起来，运用有限元法对地下水渗流场和地面沉降量进行模拟。

徐耀德（2004）在掌握场区水文地质条件和抽水试验成果的基础上，通过利用对某基坑降水工程建立了较合理的渗流计算模型，并针对可能采用的基坑降水方案模拟预测出基坑降水中的基坑内外地下水位变化，定量评估了基坑降水引起的附加地面沉降问题，为结构设计核算和施工应对措施提供了重要依据。

冯晓腊（2005）通过对基坑工程的三维有限元分析，表明三维数值模拟方法可以很好的模拟基坑降水中防渗帷幕、非均质和各向异性等解析法难以处理的实际工程条件。

骆祖江（2005）运用潜水、承压水渗流理论和有限差分法，以及干湿单元、预处理共扼梯度算法，以上海环球金融中心塔楼基坑降水为依托工程，对基坑降水的三维非稳定渗流场的计算建模和降水疏干过程进行了数值模拟研究，同时分析了基坑内外渗流场的变化，为基坑降水设计和施工提供了依据。

严驰（2005）利用palxis有限元程序计算了考虑基坑中微承压水作用下支护结构变形和整体稳定，重点突出了承压水对有效应力和稳定性的影响，将各种计算方法的成果进行对比，绘制承压水影响下基坑周边和下部土质中的渗流场，结合工程实例进行分析，通过与实测值进行比较，得到了承压水影响下的基坑稳定分析的量化结果，为完善设计理论和工程决策提供了科学依据。

基坑渗流的有限元分析，目前的研究主要集中在运用（二维与三维）数值模拟进行渗流的理论分析，但结合具体承压水降水工程的数值模拟较少，且对承压水的作用缺乏深入地分析；在基坑降低承压水的数值模拟中又以稳定渗流居多，而非稳定渗流偏少。

3. 降低承压水对周围环境影响问题的研究现状基坑降水（承压水）引起周围环境的地面沉降一直是工程界关心的问题，国内外许多专家学者对此展开研究，并取得了一定的进展。

罗晓辉（1996）对渗流场进行了稳定渗流与非稳定渗流有限元分析，忽略固结效应，将渗流场的水力作用与应力场祸合，求得在深开挖过程中，因降水形成的地下水渗流的基本规律。

胡展飞（1998）进行了降水预压加固基坑底部饱和软粘土的实践，成功的减小了基坑四周饱和软土的最大水平位移。

刘国彬（2002）研究了上海地区的浅层承压水，上海地区浅层承压水一般距离基坑坑底较近，而且其上覆黏土层一般又较薄，在基坑开挖施工过程中承压水极容易冲破地层薄弱处形成管涌或流砂。

所以，在施工过程中，即使在降低承压水水头的情况下也必须加强对基坑坑底，尤其是地下墙附近角隅处的观察，发现情况应立即采取注浆封堵。

何世秀等（2003）将开挖产生的应力场与渗流场叠加，并通过有限元模拟，求取基坑周边地表沉降值。

徐耀德（2004）在掌握场区水文地质条件和抽水试验成果的基础上，利用modflow软件对某基坑降水工程建立了较合理的渗流计算模型，并针对可能采用的基坑降水方案，模拟和预测基坑降水引起的基坑内外地下水位变化，定量评估了基坑降水引起的附加地面沉降问题，为结构设计计算和施工应对措施提供了重要依据。

金小荣等（2005）从影响基坑周围土体沉降的诸多因素中选出3个主要因素：弹性模量、降水深度和渗透系数，利用二维有限元法分析了它们对基坑周围土体沉降性状的影响。

同时通过建立二维有限元模型，研究了工程上采用的回灌和止水措施对减小地表变形的作用。

研究表明，使用回灌井、回灌沟或止水帷幕措施可减小地表总沉降和不均匀沉降。

麦静怡（2006）就基坑降水过程中地下水渗流动水压力对基坑管涌、流砂、基底隆起和对支护结构水土压力的影响的分析。

谢康和（2007）等研究了成层土中基坑开挖降水引起的土中应力变化及周围地表沉降求解方法，在假定降水引发的渗流时一维竖向的条件下，推导了基坑周围土中有效应力和地表沉降的计算公式，并结合工程实例进行了对比分析，认为基坑降水及由此引起的渗流使土中有效应力改变是基坑周围地表发生沉降的根本原因。