基坑開挖過程中水位下降對周邊建筑物沉降的影響分析

李

(浙江科欣工程設(shè)計咨詢有限公司,浙江 杭州 310015)

1 問題的提出

在水利工程、交通工程以及工業(yè)與民用建筑建設(shè)過程中,基坑圍護(hù)工程及周邊建筑物的安全正越來越受到參建各方的重視,其中基坑對周邊建筑物安全的影響主要來自其開挖過程中給周邊建筑物產(chǎn)生的附加沉降,過大的沉降可能導(dǎo)致周邊建筑物的傾斜、甚至產(chǎn)生裂縫,輕則影響建筑物的使用功能,嚴(yán)重的可能導(dǎo)致周邊建筑物的報廢[1]。為此,本文結(jié)合工程實例,重點分析了不同地層條件下基坑開挖過程中地下水位下降的規(guī)律、地下水位下降對周邊建筑物產(chǎn)生附加沉降的計算方法、以及基坑四周地下水位監(jiān)測的注意事項等[2]。

2 地下水位下降對周邊建筑物產(chǎn)生附加沉降的原因及計算方法

2.1 產(chǎn)生附加沉降的原因

對于基坑周邊的建筑物來說,水位下降也就意味著會在地基中產(chǎn)生一個附加應(yīng)力,這個附加應(yīng)力就會在地基中產(chǎn)生附加的沉降[3]。

2.2 附加沉降的計算方法

附加沉降可以根據(jù)分層總和法進(jìn)行計算[4],即:

式中:S為地基由于地下水位下降引起的沉降量,m;α為土的壓縮系數(shù),MPa-1;e0為土層的原始孔隙比;h為土層高度,m;ES為土層壓縮模量,MPa;ESi為基礎(chǔ)底面下第i土層的壓縮模量,MPa;Δ p為地下水位下降施加于土層的平均壓力,MPa。

2.3 離開基坑L距離處的地下水位

基坑周邊的地下水位可以根據(jù)下面的滲流拋物線公式計算[5],示意圖見圖1。

式中:q為滲入基坑的單寬滲流量,m3/(s·m);L為離開基坑的距離,m;h為基坑壁的地下水位,m;H為離開基坑L距離處的地下水位,m。

3 工程實例分析

3.1 實例 1

某建筑基坑,最大挖深為10.0 m,地下水位位于地表下1.5 m,基坑周邊土層分布見表1,基坑周邊地下水位降落示意見圖1。

表1 實例1工程基坑周邊土層分布表

圖1 某建筑基坑周邊地下水位降落示意圖

根據(jù)實測結(jié)果,基坑開挖完成時,基坑外壁實測地下水位下降了3.00 m,實測基坑縱向每米滲流量 q=1×10-5m3/(s·m),則離開基坑壁不同距離L的地下水位H按式(3)計算,結(jié)果見表2。

表2 某建筑基坑離基坑壁不同距離的地下水位表m

在離開基坑壁22.5～34.0 m位置有1幢民用住宅,它采用條形基礎(chǔ),根據(jù)表1的計算結(jié)果,基礎(chǔ)位置的地下水位下降幅度0.27～0.00 m,下降幅度很小 (見圖1)。假如按下降幅度0.25 m計算,根據(jù)公式(1)和 (2)計算該住宅會產(chǎn)生2.0 cm的附加沉降量 (見表3)。

表3 某建筑基坑周邊建筑物受地下水位下降影響的沉降量表

該基坑自2011年2月2日開挖,2011年7月1日完成,歷時近5個月,周邊建筑物實測沉降過程線見圖3。至開挖完成,實測該住宅在施工期產(chǎn)生的累計沉降僅8.0 mm,因此該工程在基坑開挖過程對住宅的影響很小,對它的安全沒有明顯影響。

3.2 實例2

某水利水運工程,與實例1位于同一城市,二者相距僅3 km,基坑最大挖深為9.8 m,地下水位位于地表下1.5 m,基坑周邊土層分布見表4,坑周邊地下水位降落示意見圖2。

表4 實例2工程基坑周邊土層分布表

圖2 某水利水運工程基坑周邊地下水位降落示意圖

根據(jù)實測結(jié)果,基坑開挖完成時,基坑外壁實測地下水位下降了 3.0 m,實測基坑縱向滲流量 q=1×10-5m3/(s·m)。離開基坑壁不同距離 L的地下水位H按式(3)計算,結(jié)果見表5。

表5 某水利水運工程基坑離基坑壁不同距離的地下水位表 m

在離開基坑壁30～40 m位置有1幢民用住宅,它同樣采用條形基礎(chǔ),根據(jù)表3的計算結(jié)果,基礎(chǔ)位置的地下水位下降幅度2.83～2.87 m,雖然該建筑物離基坑距離已經(jīng)有30多米,但地下水位下降幅度仍很大。假如按下降幅度2.85 m計算,根據(jù)公式 (1)和 (2)計算,該住宅會產(chǎn)生23.75 cm的附加沉降量(見表6)。

表6 某水利水運工程基坑周邊建筑物受地下水位下降影響的沉降量表

續(xù)表6

該基坑自2011年1月1日開挖,2011年8月7日完成,周邊建筑物實測沉降過程線見圖3。根據(jù)現(xiàn)場沉降觀測,實測該住宅在施工期產(chǎn)生的沉降為18.70 cm,房屋四周出現(xiàn)了幾條明顯的裂縫。

圖3 2個工程的實測周邊建筑沉降過程線圖

3.3 對比分析

基坑周邊的地下水位下降幅度和影響范圍受到很多因素的影響,首先是滲水量,對于任何圍護(hù)結(jié)構(gòu),由于施工的原因,或多或少都存在滲入基坑的滲水量。如果單位時間的滲水量Q越大,則基坑周邊地下水位下降幅度就大;其次是土層的土性,從本文的2個工程實例可以看出,在基坑壁水位同等下降幅度的條件下,其地下水位下降的影響范圍差別很大;還有影響因素有施工期的降雨量,根據(jù)工程實踐,降雨對地下水位也有明顯影響[6]。

基坑周邊建筑物由于基坑開挖會產(chǎn)生附加沉降,它的影響因素來自2個方面,第1個因素是地基土的側(cè)向變形,在基坑開挖過程中,基坑壁附近土體隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生面向基坑的水平位移,隨之引起地基沉降;第2個影響因素是地下水位下降,它會在地基土中產(chǎn)生附加應(yīng)力,繼而產(chǎn)生附加沉降。由于本文的工程實例其周邊建筑離開基坑壁距離較遠(yuǎn),地基側(cè)向變形的影響可以忽略不計,因此主要考慮了地下水位下降產(chǎn)生的附加沉降。由于2個工程土性的差別,地下水位下降影響范圍差別很大,實測沉降量一個僅8.0mm,另一個則下降了187.0 mm。

從沉降量的理論計算和實測結(jié)果來看,由于理論計算是最終沉降量,沒有考慮到固結(jié)度的影響,且由于基坑從開挖到回填的時間較短,因此實測沉降量明顯小于理論計算值。從工程實例2來看,理論計算沉降量是237.5 mm,實測沉降是187.0 mm。

4 結(jié) 論

從以上2個工程實例的計算和觀測結(jié)果分析來看,可以得出以下幾點結(jié)論:

(1)同樣的基坑開挖深度對周邊地下水位的影響明顯不同,尤其土層的性質(zhì),黏土層影響范圍小,砂土層影響范圍大,具體影響范圍可以根據(jù)土層的滲透系數(shù)和基坑的滲流量進(jìn)行分析計算。

(2)由于基坑開挖對地下水位的影響不同,因此對周邊建筑物的影響也不同,由地下水位變化對周邊建筑物產(chǎn)生的附加沉降差別也很大。為此,基坑圍護(hù)設(shè)計應(yīng)加強(qiáng)這方面的分析工作。

(3)在工程監(jiān)測實踐中,過去比較重視基坑壁周邊的水位監(jiān)測,容易忽視周邊建筑物的地下水位監(jiān)測,考慮到地下水位影響范圍的差別,基坑監(jiān)測設(shè)計可考慮在周邊建筑物四周布置水位觀測孔,以利于加強(qiáng)對周邊建筑物影響的監(jiān)控[7]。

(4)水位監(jiān)測報警指標(biāo)要辯證分析。按現(xiàn)行監(jiān)測規(guī)范規(guī)定一般地下水位下降累計值超過1.00～2.00 m時要報警。根據(jù)本文分析,對于不同土層來說,地下水位影響范圍差別很大,因此是否威脅周邊工程的安全要具體情況具體分析,如果盲目停工會造成不必要的工期延誤。

[1]李濤.某高層基坑工程對相鄰建筑物的影響分析[J].低溫建筑技術(shù),2013(6):130-131.

[2]韓杰浩.基坑開挖對周邊建筑結(jié)構(gòu)影響及破壞機(jī)理分析[J].山西建筑,2013(9):61-62.

[3]劉文清.最新水利水電工程一級施工實用技術(shù)和管理 [M].長春:吉林人民出版社,2001.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[5]王建華,徐中華,陳錦劍,等.上海軟土地區(qū)深基坑連續(xù)墻的變形特性淺析 [J].地下空間與工程學(xué)報,2005(4):485-489.

[6]楊國春,裴向軍,阮文軍.深基坑開挖中的化學(xué)注漿處理涌砂涌水 [J].探礦工程,2001(1):29-30.

[7]龐寶根.深基坑圍護(hù)體發(fā)生流砂的搶救[J].施工技術(shù),2000(10):15-16.