地下水水位變動對建筑物影響的實例分析

祁星星

地下水水位變動對建筑物影響的實例分析

祁星星

受自然降水、人工使用等因素的影響，地下水水位十分不穩(wěn)定，在水浮力和土體有效自重壓力作用下，地基土整體收縮膨脹，會對上部建筑物的使用產(chǎn)生不利的影響。本文結合工程案例，模擬沉井降水進行現(xiàn)場抽水試驗，對地下水水位變動、周圍建筑物主體結構和樓地面的損傷觀察記錄，分析驗證地下水水位的變動對建筑物產(chǎn)生的影響，以供從業(yè)者參考。

降水；地下水水位；沉井施工；主體結構

從2000年開始，中國進入一個超高速的造城時代，各種舊城改造，新城建造如火如荼進行當中，由于自然降水、日常用水、施工用水等環(huán)境人為因素對地下水位的補充和使用，造成地下水水位的上升和下降，直接對已建建筑物地基土土體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，對建筑物的使用功能形成嚴重的破壞。本文結合實際案例，對地下水水位變動對建筑物的損壞進行現(xiàn)場觀測記錄，得出結論，以供相關從業(yè)人員參考。

1　案例概況

本案例中的建筑為一棟二層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架房屋，作為工業(yè)生產(chǎn)車間使用，建于2004年，基礎采用預應力高強混凝土管樁，一層、二層層高均為5.0m，寬度為42.5m，長度為60.0m，未設置伸縮縫，在中間部分設置后澆帶。

本案例中的接受井為鋼筋混凝土結構，采用高壓旋噴樁支護，沉井法施工，于2011年6月至2011年9月期間進行施工，施工期間進行不間斷抽水，接收井內(nèi)部直徑為7m，井深為16.750m，該井圓心距房屋距離為26.5～98.5m，詳見圖1。

2　工程地質

根據(jù)相關勘察單位出具的巖土工程勘察報告，房屋所處地層地質剖面示意圖詳見圖2，穩(wěn)定地下水位埋深約1.2～1.4m，屬上層滯水與承壓水水位的混合水位；受大氣降水及生活用水補給；上層滯水水位變化幅度約2m。

圖1　房屋與接收井平面示意圖

接收井所處地層地質剖面示意圖詳見圖3，接受井沿線場地地下水主要為賦存于表層填土中的上層滯水，以及下部砂層中的微承壓孔隙潛水及深部基巖裂隙水。場地線路沖淤積平原地段，地下水埋藏淺，鉆孔內(nèi)地下水穩(wěn)定水位埋深約1.0～2.0m，線路殘丘地段鉆孔內(nèi)地下水穩(wěn)定水位埋深約4.0～6.0m。場地地下水位主要受季節(jié)性降雨影響。

3　沉井施工

沉井井壁鋼筋混凝土采用分段澆筑下沉，下沉方法為排水法下沉，干封底施工。

采用沉井法施工，不需要板樁圍護，技術上安全可靠，施工操作簡便。比敞口明挖占地面積小，挖土量少，對鄰近建筑物的影響較小。同時，由于沉井基礎埋置較深，穩(wěn)定性好，能支承較大的荷載。因此，廣泛應用于深井構筑物（如水泵房、地下油庫、水池豎井等）和盾構或頂管的工作井、接收井。

圖2　房屋地質剖面示意圖

圖3　接收井地質剖面示意圖

沉降施工由于其特殊的施工工藝，給深井施工帶來便利的同時，引起了地下水位的變動。

4　試驗

4.1檢測及監(jiān)測程序及內(nèi)容

為明確沉井降水對周邊建筑物的影響，在接收井兩側設置2口抽水井進行抽水試驗模擬沉井降水，并每天按時監(jiān)測地下水水位變動。

建筑物具體損傷影響情況分兩次進行檢測，接收井結構工程竣工后約1年時間時進行首次檢測，在抽水試驗結束后進行第二次檢測。

本案例主要從房屋傾斜、室內(nèi)地面及周邊地面沉降、上部承重結構的裂縫損傷、樓地板裂縫損傷等影響方面進行觀測分析。

4.2抽水試驗

采用2臺管徑30mm、功率3kW的水泵進行抽水試驗，并在周邊房屋區(qū)域設置了觀測孔分兩個階段每天按時監(jiān)測地下水水位，本次抽水試驗分兩個階段進行觀測，第一階段為期13d，第二階段為期19d，在監(jiān)測地下水水位時根據(jù)該場地的地形條件，樓設置一個基準點，各觀測孔的水面高程以該基準點的零高程為高程進行零換算，根據(jù)各觀測點的地下水位的變化確定試驗階段各觀測孔水位下降量，接收井、抽水井及地下水位觀測點詳見圖4，水位下降量詳見圖5～6。

圖4　接受井、抽水井、地下水位觀測點位置圖

圖5　第一試驗階段各觀測孔水位下降總量圖

圖6　第二試驗階段各觀測孔水位下降總量圖

抽水試驗表明在連續(xù)抽水的條件下12個觀測孔的地下水位均有一定的下降；最靠近接收井圓心位置的觀測孔1第一試驗階段地下水位下降幅度為3.081m，第二試驗階段地下水位下降幅度為2.386m；距離接收井圓心位置最遠的觀測孔7第一試驗階段地下水位下降幅度為0.387m，第二試驗階段地下水位下降幅度為0.214m，根據(jù)本次抽水試驗實測抽水的降水影響半徑為160m。

5　損傷情況

5.1傾斜

為明確地下水位變化對既有房屋傾斜的影響情況，對房屋布置18個觀測點進行抽水試驗前后的傾斜進行測量，各觀測點布置詳見圖7，觀測結果詳見圖8。

如圖8所示，除個別測點外，房屋傾斜呈增大趨勢，但抽水試驗前后各測點的頂點位移均未超出相關規(guī)范規(guī)定限值，表明地下水位變化對房屋傾斜有一定影響，但未致房屋發(fā)生整體傾斜。

5.2地面沉降

圖7傾斜觀測點布置圖

圖8抽水試驗前后房屋各觀測點的頂點位移

根據(jù)房屋地面的布置情況，采用埋置鋼釘?shù)姆绞剑贾?個沉降觀測點，采用環(huán)線閉合單測站的觀測方式，對抽水試驗前和抽水試驗時的地面沉降進行觀測。本次觀測共設置3個基準點，分別布設在相對穩(wěn)固的變形區(qū)域，沉降觀測點布置詳見圖9，沉降觀測速率、累計沉降量分別詳見圖10～11。

圖9沉降觀測點布置圖

圖1　0各觀測點地面沉降速率

圖1　1各觀測點地面沉降量

由圖10結果可以發(fā)現(xiàn)，除測點5、測點8外，其余各測點抽水時的沉降速率均較抽水前有所增大，且大部分測點的沉降速率均超出相關規(guī)范[3]規(guī)定限制要求，表明地下水位變化對地面沉降影響較大，應引起足夠重視。

圖11結果表明，觀測期間各測點的最大累積沉降量為19.0mm，在觀測期間室內(nèi)地面的各測點均有不同程度的下沉、變形。

5.3裂縫

5.3.1柱、梁、板構件裂縫

抽水試驗前后對房屋主要承重框架柱、框架梁、樓板進行裂縫觀測，結果表明：框架柱裂縫為主要分布于邊柱中的水平裂縫，兩次觀測框架柱、梁的裂縫數(shù)量及裂縫寬度均未發(fā)現(xiàn)明顯變化，且所檢裂縫寬度均未超出規(guī)范規(guī)定限值；框架梁裂縫主要分布于屋面層，兩次觀測均為細小裂縫，且裂縫數(shù)量未發(fā)現(xiàn)明顯增加；樓板裂縫主要為分布于樓層角部位置的斜裂縫，抽水試驗前觀測的裂縫寬度大部分已超出規(guī)范規(guī)定限值，且抽水試驗后裂縫寬度普遍增大。表明地下水位變化對框架柱、梁損傷較小，對樓板影響較大。

5.3.2地面及周邊地面裂縫

結合地面沉降觀測，并對房屋地面及周邊地面進行裂縫觀測，兩次觀測均發(fā)現(xiàn)一層地面及房屋周邊的臺階、散水多處產(chǎn)生隆起、下沉、變形、開裂現(xiàn)象，且抽水試驗后裂縫寬度呈明顯的增大趨勢，所檢裂縫的最大寬度為75.0mm，對房屋正常使用產(chǎn)生一定影響，表明地下水位變化對地面影響較嚴重。

5.4損傷分析

根據(jù)本次抽水試驗實測抽水的降水影響半徑為160m，房屋距離接收井最近距離約26.5m，最遠距離約98.5m，表明房屋在接收井施工期間的降水影響半徑范圍內(nèi)。

地下水位下降會引起地下水壓變化，土層中空隙水應力改變，土層骨架有效應力發(fā)生改變，原土層土體密度重分配調(diào)整，土層重新被壓密，導致地面發(fā)生沉降。由于房屋穩(wěn)定地下水位埋深約1.2～1.4m，地下水的抽取造成地下水水位有明顯的下降，由于地基土的有效應力增加，產(chǎn)生固結沉降，基礎就會產(chǎn)生附加沉降。

6　結語

由于一些人為因素，如不合理的農(nóng)業(yè)灌溉、沉井施工抽水等；自然因素，如地震造成地勢的抬高、地下河道的下沉、河流的改道、氣候的變化等均會引起地下水位變動，本文就沉井施工引起地下水位變動對周邊26.5～98.5m范圍內(nèi)房屋的影響情況進行分析，以供相關工程借鑒、參考。

（1）采用2臺管徑30mm、功率3kW的水泵進行為期22d的抽水試驗，實測降水影響半徑為160m。

（2）地下水位變動會對房屋傾斜產(chǎn)生一定影響，但未致房屋發(fā)生整體傾斜。

（3）地下水位變動使室內(nèi)地面、樓面出現(xiàn)不同程度的下沉、變形、開裂，地面沉降速率及樓地面裂縫寬度均已超出規(guī)范規(guī)定限值，對房屋正常使用造成一定影響。

（4）地下水位變動使大部分邊跨框架柱及屋面框架梁均出現(xiàn)裂縫，但觀測期間內(nèi)水位變動未引起相應裂縫寬度及數(shù)量明顯變化，表明地下水位變動對框架柱、梁損傷有一定影響，但影響程度較小。

綜上可見，水位變動對周邊房屋會產(chǎn)生一定影響，其中對房屋樓地面影響最大，實際工程中如若不可避免房屋周圍出現(xiàn)地下水位變動時，應采取較經(jīng)濟合理的地基基礎處理措施及房屋加強構造措施等方法減小地下水位變動帶來的房屋損失。

[1]陳立生.大型深沉井在復雜環(huán)境中排水下沉的探討[J].地下工程與隧道，2003，01：28～32+56.

[2]王紅霞.大型沉井結構施工過程的力學模型及控制研究[D].上海：上海交通大學，2001.

[3]《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》（GB50144-2008）[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[4]葉冠勇.沉井施工對周邊建筑物影響工程實例分析[J].科技創(chuàng)新導報，2009，32：237～238.

[5]馬金彬.淺談地下水位變化及對建筑物基礎的多面影響[J].城市建設理論研究（電子版），2013，36.

The Example Analysis of the Impact of Groundwater TableChanges on Building

Qi Xingxing

Groundwater table is very unstable,due to the influence of factors such as natural rainfall,artificial factors and so on. Under the influence of water buoyancy and soil mass,the shrinkage and expansion of the foundation soil will have a negative effect on the usage of the superstructure.Combined with the engineering case,the pumping test was conducted by simulating open caisson precipitation.Based on the test,thechanges of the groundwater table,the damage of the main building structure and the ground floor were recorded,the influence of the change of groundwater table to the building was analyzed and verified,to provide reference for practitioners.

precipitation;groundwater table;construction of open caisson;main structure

TU46

A

1673-0038（2015）40-0310-04

2015-9-21

祁星星（1988-），女，山西運城人，碩士研究生，研究方向為結構檢測鑒定。