城市地下空间开发涉及大量深基坑工程。在含有承压水的地层中进行基坑开挖时,一般需要进行承压水降水施工,降水和开挖的耦合作用对深基坑的正常施工和安全提出了新课题。考虑到深基坑工程在地下空间开发中的普遍性,对基坑降水开挖耦合作用引起的环境影响进行深入研究,揭示水位变化和地层变形的规律并提出相应的施工建议具有非常重要的实际意义。本文以降水固结理论为切入点,对基坑降水开挖耦合作用下水位变化、地层变形和结构物变形的特征和规律进行了研究。首先提出了考虑开挖耦合作用的降水固结理论并进行了验证;探讨了止水结构影响下坑内降水引起的水位变化和土层变形特征,分析了参数影响规律;然后研究了降水开挖耦合作用下基坑的水位和地层变形响应,并分析了耦合作用、本构模型及降水开挖方式对结果的影响;最后结合两个基坑工程实例验证了本文提出的理论在实际应用中的适用性和可靠性。本文主要内容和结论包括:(1)提出了考虑开挖耦合作用的降水固结理论并进行了验证。通过在渗流方程内嵌入孔隙水压缩项、采用边界降水代替点降水、施加应力释放荷载和设置零孔压边界等措施对已有理论进行改进,提出了考虑开挖耦合作用的降水固结理论并进行数值实现。将本文理论的数值解与经典解析解和现场抽水试验数据分别进行了对比,验证了该理论的合理性和可靠性。(2)利用提出的理论,对止水结构影响下坑内单井和群井降水进行了数值模拟,提出并采用了降水效率f_h和坑外沉降系数f_δ两个指标来评价坑内降水效果和地表沉降,详细分析了不同参数的影响规律。单井分析表明:有墙时坑内外降深和地表沉降均呈现不连续,且与无墙时相比,f_h偏大而f_δ偏小;最大地层沉降出现在承压层顶部。参数影响的规律为:增大止水结构遮挡比时,f_h增大而f_δ减小;增大井滤管长度和井与止水结构的距离时,f_h与f_δ均增大;滤管按承压层中央、底部、顶部的顺序进行埋置时,f_δ逐渐减小;抽水流量和渗透系数对f_h和f_δ几乎不产生影响。以f_h和f_δ评价参数影响程度,从高至低排序为:止水结构遮挡比,滤管长度,井与止水结构距离,滤管埋置位置,抽水流量,渗透系数。群井分析表明:群井降水时,f_h和f_δ分别为单井时的2.5倍和2.2倍;相比于中央布置和四周布置,群井采用均匀布置时最优,可使f_h最大而f_δ最小;增加降水井数目将使f_h和f_δ同时增大。(3)对基坑降水开挖耦合作用引起的环境影响进行了数值模拟,对比分析了与非耦合计算结果的差异,研究了不同本构模型和降水开挖方式的影响,最后定量评价了管井降压效果。结果表明,耦合作用下水位主要受降水工序影响。地层变形规律为:最大地表沉降在墙后0.55D_e处(D_e为开挖深度);降水前开挖、降水和后续降水开挖引起的沉降分别占7.8%,51.7%和40.5%;随降水时间延长,土层压缩范围从承压层向上覆土层扩展。墙体变形规律为:最大侧移值约0.23%D_e,其中开挖和降水引起的侧移比例为92.3%和7.7%。相比于耦合分析,非耦合分析预测的地表沉降、地层沉降和墙体侧移分别被低估了约20%,9%和31.6%,但坑底隆起被高估了约9.7%,即非耦合分析偏于危险。分析本构模型的影响发现:水位不受本构模型影响;线弹性模型结果偏小,适用于初步分析;摩尔-库伦模型适用于详细分析;修正剑桥模型结果保守,适用于重要工程。分析降水开挖方式的影响发现:多次降水开挖方式可使变形缓慢增大,应尽量采用。分析管井降压效果发现:坑底隆起随降深增大而减小,降深增大至一定程度以后隆起基本不变。(4)对两个基坑工程实例进行降水开挖的数值模拟,并评价了本文提出的理论在实际应用时的适用性和可靠性。对于虹桥枢纽基坑工程,水位和地表沉降的计算值与实测值相当接近;墙体侧移的计算值与实测值趋势一致但量值略有差异。对于世纪大都会基坑工程,水位、墙顶竖向位移和墙后地表沉降的计算值与实测值吻合较好;墙体侧移在开挖面以上模拟很好,而在开挖面以下与实测值存在差异;隧道隆起的计算值与实测值相当接近,但隧道变形的空间特性有待进一步研究。综合两实例分析结果,本文提出的理论适用于分析降水开挖耦合作用下复杂深基坑的环境影响,且预测值与实际很接近。