西安地區(qū)黃土基坑降水試驗(yàn)及地面沉降分析

盧靖 程彬

(1.中鐵二院西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西西安 710054;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安 710054)

0 引言

黃土是一種特殊的區(qū)域性土，其柱狀節(jié)理發(fā)育，粉粒吸水性較差，在豎向具有較好的滲透性，地表水能夠迅速下滲;但水平方向滲透系數(shù)較小，滲透性差，且具有濕陷性、水敏性和結(jié)構(gòu)性等特性［1］。西安地區(qū)的黃土更有其顯著的代表性。

在基坑工程施工中，經(jīng)常會(huì)遇到需要降低地下水位的情況。降水的設(shè)計(jì)、施工以及降水所引起的其他巖土工程問(wèn)題，對(duì)基坑工程和周邊環(huán)境的安全至關(guān)重要。以往這一方面的研究主要集中在理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算，且主要針對(duì)軟土地基。

本研究通過(guò)對(duì)西安地區(qū)黃土場(chǎng)地深基坑降水試驗(yàn)，估計(jì)基坑大降深降水時(shí)黃土場(chǎng)地的滲透系數(shù)和影響半徑，研究基坑內(nèi)水位降深和其引起的地面沉降的變化規(guī)律。為西安地區(qū)黃土深基坑降水的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件

本場(chǎng)地位于西安市繁華地帶，為西安梁洼地貌，主要含水層為中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土與中粗砂夾層。地下水位埋深6.56 m～7.93 m，含水層平均厚度為28 m。在距地面23 m以下可見(jiàn)2層～4層飽和、密實(shí)中粗砂，不均勻分布，夾于粉質(zhì)黏土中，厚度為0.7 m～7.5 m。場(chǎng)地自上而下的地層分布及主要物理、力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 降水試驗(yàn)方案及試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

結(jié)合西安地區(qū)黃土地形地貌、場(chǎng)地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，采用管井井點(diǎn)基坑降水。應(yīng)用干擾井群穩(wěn)定流理論，獲得場(chǎng)地水文地質(zhì)參數(shù)，研究降水過(guò)程中水位降深和地面的沉降變化規(guī)律?；悠矫鏋?5 m×50 m的近似長(zhǎng)方形，降水井井?dāng)?shù)為11口，觀測(cè)井1口，觀測(cè)井結(jié)構(gòu)同降水井，井深均為35 m，井外徑800，濾水管內(nèi)徑500，濾水管采用無(wú)筋混凝土濾水管，井管外采用天然圓礫填料。井間距約為20 m。該場(chǎng)地降水井、觀測(cè)井和監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置見(jiàn)圖1。

抽水試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)每眼抽水井的井內(nèi)水位和出水量進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)對(duì)各井內(nèi)水位進(jìn)行觀測(cè)，試驗(yàn)前應(yīng)先抽1 d～2 d，以確保抽水時(shí)流量穩(wěn)定。

圖1 降水試驗(yàn)井的平面布置圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)降水過(guò)程中各井水位的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以得到各井的降深與時(shí)間的關(guān)系，見(jiàn)圖2。根據(jù)這些試驗(yàn)結(jié)果，可進(jìn)行本場(chǎng)地滲透系數(shù)、出水量、降水影響半徑的計(jì)算。

圖2 降深與時(shí)間的關(guān)系

2.1 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是基坑降水中最重要的水文地質(zhì)參數(shù)之一，由抽水試驗(yàn)結(jié)果可反算滲透系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得降深與時(shí)間的關(guān)系，見(jiàn)圖2。從圖2可見(jiàn)，隨著時(shí)間的增加，各降水井及觀測(cè)井內(nèi)水位的降深也隨之增加，但其增加的幅度較小，這是由于在開(kāi)始觀測(cè)水位變化時(shí)，已經(jīng)開(kāi)始抽水1 d～2 d，地下水的運(yùn)動(dòng)已趨于穩(wěn)定流狀態(tài)，這樣可以更好的利用穩(wěn)定流潛水完整井公式計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)。

運(yùn)用1個(gè)觀測(cè)孔的穩(wěn)定流潛水完整井公式計(jì)算土層綜合滲透系數(shù) k［2］:

其中，Q為出水量，m3/d;r1，rw分別為抽水孔距觀測(cè)井的距離和抽水孔半徑，m;H為含水層厚度，取28.0 m;S1，Sw分別為觀測(cè)井和抽水井的井內(nèi)水位降深，m。

對(duì)不同抽水井進(jìn)行計(jì)算，得到滲透系數(shù)k值見(jiàn)表2，它反映了黃土、粉質(zhì)黏土和中粗砂薄層的綜合滲透性。

表2 各孔土的滲透系數(shù)

從表2可見(jiàn)南邊1，8，9，10，11號(hào)孔的滲透系數(shù)要大于北邊2，3，4，6，7號(hào)孔。這是由于在場(chǎng)地存在多層中粗砂薄層，且其呈不均勻分布，其南邊最大厚度為7.5 m，北邊最大厚度0.7 m，且顆粒由南向北逐漸變細(xì)。因此，在工程實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)不同地段選擇合適的水泵類型。

2.2 降水影響半徑、基坑涌水量［3］

其中，R為基坑降水影響半徑，m;r0為基坑等效半徑，m;A為基坑面積，m2;S為基坑水位降深，m;滲透系數(shù)k取其平均值6 m3/d。

計(jì)算得本場(chǎng)地的基坑降水影響半徑R=235.899 m;基坑涌水量 Q=3 723.890 m3/d。

2.3 基坑水位降深及沉降分析

通過(guò)Fortran語(yǔ)言編制計(jì)算程序，運(yùn)用有限元差分法，計(jì)算本場(chǎng)地的降深及地面沉降變化規(guī)律。圖3，圖4分別為基坑中心水位降深為9 m時(shí)，場(chǎng)地附近的降深和沉降等值線。

圖3 基坑中心水位降深為9m時(shí)的降深等值線

離基坑中心越遠(yuǎn)，等值線就會(huì)越來(lái)越稀疏，這表明隨著距離的增加，水位降深越來(lái)越小，最后趨向于零，此時(shí)的距離即為影響半徑。

圖4 基坑中心水位降深為9m時(shí)的沉降等值線（單位：m）

對(duì)通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，2，3剖面線的地面沉降可知(見(jiàn)圖5)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，2觀測(cè)的沉降值較小與計(jì)算值基本一致，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3觀測(cè)的沉降值較大，明顯要大于計(jì)算值，只是由于靠近監(jiān)測(cè)點(diǎn)3附近有一剛竣工的12層辦公樓，其地基沉降尚未結(jié)束，在水位降低的情況下地面沉降更明顯。

圖5 基坑中心水位降深為9m時(shí)的沉降曲線

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)西安黃土梁洼地區(qū)的降水試驗(yàn)，計(jì)算和分析了該場(chǎng)地的水位降深和地面沉降變化規(guī)律，得到以下結(jié)論:

1)抽水試驗(yàn)中，利用穩(wěn)定流計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)快捷方便，但要注意抽水時(shí)間要足夠使地下水達(dá)到穩(wěn)定流的狀態(tài)，這樣計(jì)算的結(jié)果才真實(shí)可靠。

2)西安黃土梁洼地區(qū)土層的綜合滲透系數(shù)為4 m3/d～10 m3/d，影響半徑為 235.9 m，基坑涌水量為 3 723.890 m3/d。

3)黃土地區(qū)的基坑降水對(duì)周圍環(huán)境影響較大，尤其是對(duì)附近有新竣工的建筑物的影響。在基坑開(kāi)挖和降水的過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)附近建筑物的監(jiān)測(cè)，如有異常情況，則應(yīng)采取相應(yīng)的工程措施，確保安全。

［1］ 柳利麗，胡長(zhǎng)明，梅 源.黃土地區(qū)地鐵車站深基坑降水設(shè)計(jì)與施工［J］.建筑技術(shù)，2012，43(1):55-57.

［2］ 馮志焱，劉 林.黃土場(chǎng)地基坑大降深降水試驗(yàn)研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，38(9):192-198.

［3］ JGJ 120-99，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.