本学位论文在广泛分析前人有关本课题研究资料的基础上，对武汉市深基坑降水引起周边地面沉降进行了系统研究，文章研究了降水引起周边地面沉降的特点及变化规律，将三维有限元法与线性规划理论结合起来，建立了深基坑降水优化设计模型，进一步对降水方案进行了优化设计，通过11个有代表性的深基坑降水工程的相关资料，得出武汉地区降水引起地面沉降修正系数Ms值。论文主要对以下几个方面的内容进行了研究： 一、武汉市汉口地区的地层一般处于江、河的一级阶地，典型的二元结构，基坑降水主要是通过深井降水来控制强透水层的承压水，而弱透水层中的承压水往往被人们忽视，未加以关注，而降水引起的地面沉降主要产生在弱透水层中，有时正是由于对弱透水层中的承压水处理不当或未处理，而导致基坑开挖时出现管涌及流砂现象，严重地导致降水失败。如何认识弱透水层在基坑降水过程中的水文地质特性及如何正确处理弱透水层中的承压水致为关键。 论文分析了二元结构中“弱透水层”在基坑降水过程中的特性及水流渗流机理，认为弱透水层的渗透性呈极明显的各向异性，弱透水层在基坑开挖时将产生流土，管涌现象。基坑降水过程中，强透水层中的承压水下降的快，弱透水层中的承压水下降的慢，因此在强、弱透水层中产生了水头差，论文分析了在水头差作用下弱透水层的越流补给特性。从井结构的施工技术和成功与失败的降水工程工艺中总结出经验，分析采用不同的填砾层对降水效果的影响，洗井可减少降水井的水跃值，也可以增强井管周围土层的渗透性，在弱透水层中设置滤水管会导致含砂量增大；从而得出处理弱透水层中承压水的方法：弱透水层中的地下水采用砂井作为疏导暗井，还可以采用悬挂式隔渗帷幕作为挡水帷幕。 二、从众多的深基坑降水工程资料中分析总结出降水引起周边地面沉降的特点及变化规律。降水引起的周边地面沉降滞后于水位降深。水位降深S-T曲线一般简化为两阶段：水位下降期及水位稳定期，而降水引起的地面沉降△s—t曲线分为三阶段：沉降阶段、滞后阶段、稳定阶段。文章分析了降水引起周边地面沉降三阶段的机理；通过降水引起周边地面沉降的理论计算中，引出了弱透水层的水位降深及地面沉降的计算公式，并以“天一大厦”、“武汉展览馆改造工程”、“福星惠誉”降水工程为实例，计算分析了降水引起周边地面的沉降量、地面不均匀沉降率和地面沉降速率。 三、分析了深井降水对支护结构土压力的影响，工程降水在不同土层(粘性土层、砂土层)中对土压力的影响，降水过程中不同含水层应力变化模型(承压含水系统——减压型，潜水含水系统——疏干型)对支护结构土压力的影响。以汉口国际证券大厦降水工程为实例，在基坑内外侧进行了降水前后钻孔取样和常规土工试验，得出如下结果：由于降水后降深范围内土层中水的渗流，土体得到了固结压密，土体的密度增大，土体中原有的应力状态及物理力学性能发生变化；在不同的降水含水层应力变化模型中，降水后引起的土体中有效应力均增加，引起含水层土体的压密，C值增大，φ值也有所增大，因而作用在支护结构上的主动土压力减小，被动土压力增大，对支护结构有利。 地下水渗流的存在，不但减小了土体自身的抗剪强度，而且随渗流时间的推移，土体的强度还会进一步降低。同时渗流还增大了作用在支护结构上的水压力，增大了地下水位以下土体的自重应力。所以由于渗流的影响，使主动土压力增大，被动土压力减小，从而增大了支护结构上的侧压力，对支护结构的安全使用有负面影响。基坑降水会引起基坑内外地下水渗流，地下水状态随之改变，同时也会引起土的物理、力学性质的改变，直接影响作用于支护结构上土压力的大小。传统的土压力计算中，水土合算和水土分算是两种极端的处理方式，在基坑降水过程中，应根据具体地层选择适当的降水模型，本文综合考虑水压力及渗流的影响，推导出了作用在支护结构上某一深度Z处土压力的大小。 四、论文在对水—土耦合场相互作用分析、对地下水连续性方程和土体弹塑性应力—应变关系描述的基础上建立了基坑降水的三维水—土耦合的数学模型。论文首先分析了地下水流动产生的力学作用，提出了地下水作用的解析表达式；其次分析了应力对土体水力特性的影响，认为流体压力与应力状态是通过有效应力原理联系在一起的。根据弹塑性理论，建立了土的本构关系和基坑降水的三维水——土耦合的数学模型，通过对深基坑降水条件的概化，建立了简化的物理模型，分析确定了模型的计算范围及模型的定解条件。 五、通过对深基坑降水的空间有限单元剖分网格，建立了深基坑降水的三维水—土耦合数值模型，并对深基坑降水时实际工程条件的处理和模型的求解过程进行了分析。 根据场地开挖边界、地下防渗帷幕位置与降水井布置，将模拟区进行剖分，渗流空间平面和变形剖面均采用四边形单元网格。描述了节点设置和单元剖分的基本原则。将岩土体视作弹塑性材料，在非线性本构关系下，根据变分原理，得到土体渗流场有限元方程，将有限元方程用增量形式表达，得到深基坑降水的三维水——土耦合有限元方程。 论文对降水中井点、各向异性及非均质等各种工程条件进行了分析，对于非均质的情况，将渗透性不同的部分划分在不同的单元中，根据实际情况设定不同的计算参数。基坑周围设有防渗帷幕和其它工程桩时，计算时作为非均质处理，也可作为隔水或弱透水处理，并得出了考虑坑内外水力联系的二维数学模型的有限元方程。在地下水流动特征的模拟中分别得出，基坑降水过程中潜水含水层、承压含水层和具有越流补给的承压水层的渗流场；并对深基坑降水的三维耦合模型的求解过程进行了描述。 六、在利用解析解进行降水方案优化设计中，渗透系数及影响半径的确定至关重要，它是涌水量计算中两个必需的参数。目前影响半径和渗透系数的确定大多采用经验公式，未考虑具体的实际情况。论文在确定影响半径时考虑到将补给流量小到可以忽略不计时、因水位下降而不致产生地面沉降处视为影响半径范围，并考虑了有止水帷幕时的情况。渗透系数的确定考虑水跃值及非均质含水层的情况，论证了实际的抽水试验计算的K值可作为非均质含水层的综合渗透系数，通过武汉市某综合楼降水工程实例加以阐述。 论文将三维有限元法与线性规划理论结合起来，建立了深基坑降水优化设计模型。基坑井点降水优化设计时，设计变量包括井的数量、出(抽)水量、分布、滤管的埋深及长度和止水帷幕的长度，目标函数应是在保证基坑安全施工的前提下，使降水对周边地面产生的沉降最小。 降水的第一目标是降低该断面(以基坑为中心的外接圆断面)上含水层顶部的水头，即降深S(r0，O，t)达到设计降深S0；要想减小降水对周边地面沉降的影响，降水的第二目标是尽可能减少该断面上的平均降深。同时分析了完整井和非完整井的流动特征，结合上式，得出非完整井在坑周断面的平均降深小于设计降深S0，而完整井在坑周的降深(平均降深)等于设计降深，因此在保证基坑达到设计降深S0的同样条件下，非完整井的坑周断面平均降深小于完整井，也就是非完整井对周边地面沉降的影响小于完整井。论文提出了减降系数的概念，认为减降系数f随l0的增大而降低(10增大至含水层厚度时，就是完整井)，以减降系数做为目标函数，在保证降水井连续抽水的情况下，使减降系数最小，求Minf(l0)，l0∈M，M——含水层厚度。 在给定的约束条件(如：土层资料、初始水位、要求降深、降水井个数及排水量、允许沉降量等)下，通过模拟出的水头调整设计方案，最后给出一个最优化方案来实施。以武汉国际证券大厦降水工程为实例，对其每种情况的滤管埋深、止水帷幕的深度进行了三维有限元计算。采用数值模拟，在保证基坑降深的前提下，模拟不同止水帷幕的深度和不同滤水管长度，得出降水引起周边地面沉降量最小的组合值。 七、深井降水引起地面沉降的理论计算值远远大于实测值。目前湖北省深基坑工程技术规定(DB42/159-1998)中降水引起的地面沉降计算中，把压缩层厚度采用覆盖层、过渡层及承压含水层作为整个压缩层来计算，而且修正系数Ms没有考虑不同的情况如：降深、地层结构、时间、距离(与基坑边的距离)时的影响，人为因素很大。工程资料显现，在计算降水引起周边地面沉降量时采用覆盖层、过渡层及承压含水层作为压缩层来计算必须考虑其合理性，引起理论与实际误差的关键是修正系数Ms及压缩层厚度如何确定。 本文利用有效应力原理，分析了深井降水引起地面沉降的机理、多孔介质(岩土层)和水的压缩特征，得出结论：降水引起地面沉降的压缩层主要为降落漏斗水位以上降深范围内的覆盖层和弱透水层的厚度，推导出降水引起地面沉降量的公式。收集了10个有代表性的深基坑降水工程的相关资料，用理论公式计算出不同的降深(h)、地层结构(Es)、时间t、距离S(与基坑边的距离)时的沉降量，实测值与理论值的比值，得出一批降水引起地面沉降修正系数Ms值(一共880组数据)。采用BP神经网络对这批数据进行处理，使它能在给定的输入(t，S，Es，h)和输出(Ms)之间，建立一种网络映射关系。某基坑降水工程，Es、h值可以确定，利用该网络任意输入一组(Es，h)值，即可得出不同t、S对应的修正系数Ms值等值线图，从而查出任意t、S的修正系数Ms值，对类似地层的基坑降水工程在预测不同的时间、距离的实际沉降量具有实用价值。