深基坑及人工挖孔樁降水引起的地面沉降問題討論

劉智明

【摘要】深基坑及人工挖孔樁開挖中的降水會引起周圍土體沉降。本文對深基坑及人工挖孔樁降水引起的地面沉降的范圍進行了討論，對幾種地表沉降的計算方法進行了比較，選定了不同工程沉降的計算方法，并在工程上給出了一些建議。

【關鍵詞】深基坑；人工挖孔樁；降水；沉降

1引言

目前，高層、超高層建筑層出不窮，隨之而來的深基坑工程、超大超深人工挖孔樁工程是越來越多。在工程設計和開挖施工中，為了防止基坑滲透破壞和方便施工，常采用一定止水措施和坑內(nèi)降水等方法降低地下水位。當止水帷幕下土層具有一定透水性時，基坑外地下水位也常伴隨有一定的降低，這時一方面會減少坑內(nèi)外水頭差，對防止基坑滲透破壞有利；但另一方面坑外地下水位的降低將導致周圍地表沉降加大而對鄰近建筑物、地下交通和周圍環(huán)境產(chǎn)生危害。因此，基坑降水對周圍地表沉降影響問題已引起廣泛關注和研究，深基坑降水引起的地面沉降的計算已成為一個重要的問題。

2基坑及人工挖孔樁開挖止水降水的幾種常見形式及問題

實際工程中，止水、降水措施是靈活多樣的，除與土層分布有關外，還要考慮周圍環(huán)境等因素。總結實際工程，可將止水降水概括為3種基本類型：

（1）完全止水型。當不透水地層相對較淺，目前的止水施工措施又能保證達到不透水地層深度時，為避免坑外地下水位下降而造成周圍地面沉降過大，常將止水帷幕設計達到不透水層一定深度，這時坑內(nèi)排水基本上不降低坑外地下水位或下降幅度很小。但由于未考慮弱透水性及巖石裂隙水的影響，基坑開挖時，尤其是人工挖孔樁開挖時，地下水位小幅下降，對地鐵及道路產(chǎn)生了一定影響。例如某超高建筑施工7m直徑人工挖孔樁，降水后對地鐵影響超過2cm。

（2）止降結合型。當不透水性地層較深，目前的止水施工措施難以達到不透水性地層，為了有效地減小地面沉降，仍需設置止（阻）水帷幕，這時阻水帷幕主要起到增大滲流路徑，從而減小坑外地下水位降低幅度的作用。

（3）完全降水型。指不設置阻水帷幕或僅阻隔淺層填土地下水（阻水帷幕底部在基坑開挖底面以上）。這種情況坑內(nèi)開挖也會使坑外原有地下水位自然降低，對地面沉降有一定影響，當這些土層密實度較差時，或者是粘性土與砂土互層時，降水對地面沉降的影響是顯著的。人工挖孔樁一般未考慮止水措施，按完全降水考慮，超大超深人工挖孔樁施工會對沉降產(chǎn)生較大影響。

3基坑及人工挖孔樁降水的影響范圍

在降水鄰域內(nèi)，水位下降值隨離開基坑邊壁距離的增加而減小，因此總的來說，地面沉降也有隨著離開基坑距離增大而減小的規(guī)律。

根據(jù)裘布依（Dupuit）地下水二維穩(wěn)定流運動公式，可以得到：

式中 ——基坑坑底的水位實際下降值； ——待測點處地下水下降值； ——基坑降水的引用影響半徑， ； ——基坑等效半徑； ——待測點距基坑邊壁的水平距離。

在公式中，單井抽水試驗引用影響半徑 可根據(jù)庫薩金公式及經(jīng)驗確定：

對于典型基坑，距基坑周邊3倍水位下降值的水平距離處，水位下降相當于最大下降量的70%，故此范圍內(nèi)是降水明顯影響區(qū)域；距基坑周邊20倍水位下降值的水平距離處，水位下降相當于最大下降量的7%，故此范圍以外的降水沉降可不予考慮。

4降水引起的地面沉降的計算方法

4.1分層總和法

在降水期間，降水面以下的土層通常不可能產(chǎn)生明顯的固結沉降，而降水面至原地下水位面之間的土層因排水固結，會在所增加的自重應力下產(chǎn)生較大的沉降，地表沉降主要由這一部分沉降量構成。從理論上講，井點降水在無大量細顆粒被水帶走的情況下，鄰域地面所產(chǎn)生的沉降量可用分層總和法進行計算。

4.2考慮豎向滲透力的方法

附加的地面沉降發(fā)生.其機理主要有如下幾點：

（1）土體的固結變形主要是孔隙水的滲出，孔隙水壓力逐漸消散，有效應力逐漸增加，因而其壓縮變形將逐步增加。

（2） 基坑的降水引起土體中水的流動，由滲流理論可知，土中水的流動會給土體施加一個動水壓力即滲透力 。其中 為水的密度， 為水力坡降，滲透力的方向有水平向（指向圍護結構）和豎直向，這兩個方向的力都會給地面造成附加沉降。

（3） 坑底的滲透出口嚴重時會出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，帶走一部分土體顆粒，加重坑底土體的隆起和坑外的地面沉降。

4.3二維非線形耦合計算方法

對于地下水流計算，采用雙層結構數(shù)學模型。根據(jù)基坑降水單井結構設計，當降水方案實施時，下層承壓水流主要以水平流動為主，而上層潛水流主要以垂直流動為主。結合定解條件，可解得潛水層地下水頭h 和承壓層地下水頭 H 。

土層參數(shù)的非線性耦合，在土層固結過程中，土層被壓密，孔隙度和孔隙比減小，因而改變了土的滲透系數(shù) 和貯水率 。

在基坑降水之前，通過土層任一水平截面，上覆地層荷載所形成的總應力與地下水的水壓 和固體骨架的有效應力 是相平衡的。當抽取地下水后，含水介質(zhì)中地下水的水頭 降低，亦即地下水的壓力 減小。為了維持其平衡，這部分力將轉嫁到多孔介質(zhì)骨架上，即增大了有效應力 ，從而壓縮多孔介質(zhì)，其垂向各分層壓縮量累加起來，表現(xiàn)為地面沉降量。

在本方法中，很好地引入了 和 （或 ）隨 （或 ）的變化關系，處理非線性固結問題。模擬計算值較好地反映了總沉降量隨時間的發(fā)展變化過程和態(tài)勢，與實際監(jiān)測斷面觀測值的變化規(guī)律基本一致。

但是計算過程非常復雜，一般必須使用計算機進行計算。不適用于中小工程。在大型工程、控制嚴格工程及科學研究中，可以較好地使用。以較準確地反映沉降的變化情況，制定相應措施。

5小結

降水引起鄰域內(nèi)地基變形問題有較為復雜的理論背景。實際工程中，由深基坑及人工挖孔樁開挖而引起的周圍土體水平位移和豎向位移耦合在一起，使得研究降水引起的土體變形更加復雜。在小型工程估計沉降時可使用分層總和法；在有一點沉降要求的工程中，可使用考慮豎向滲透力的方法計算沉降；在重點工程和研究中，可選用二維、三維耦合方法配合有限元計算沉降。

建議在深基坑及超大超深人工挖孔樁設計和施工時應考慮以下問題：超深基坑應設計完全止水性止水帷幕，使用三維全耦合計算以及有限元輔助計算等進行影響范圍及沉降分析；超深基坑及人工挖孔樁同時設計，共同考慮降水影響，設計基坑止水帷幕應考慮人工挖孔樁；在易受影響的地區(qū)（如地鐵、道路等）施工深基坑及超大超深人工挖孔樁應采取加固措施，巖石裂隙注漿、深層土體注漿等；超大超深人工挖孔樁可按基坑考慮單獨設計止水帷幕。

參考文獻

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