地下降水對周圍環(huán)境的影響分析

鄧友生, 姚志強(qiáng)

(1 湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068；2 四平市房屋建筑有限公司, 吉林 四平 136000)

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地下降水對周圍環(huán)境的影響分析

鄧友生1, 姚志強(qiáng)2

(1 湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068；2 四平市房屋建筑有限公司, 吉林 四平 136000)

基坑工程中地下降水引起周圍土體地下水位的變化和應(yīng)力場的改變，致使周圍土體發(fā)生不均勻沉降等嚴(yán)重后果。通過研究降低地下水位對周圍地層移動影響機(jī)理，闡明地下降水與地面沉降兩者相互影響，存在耦合效應(yīng)。最后，根據(jù)比奧固結(jié)經(jīng)典理論，建立較符合實(shí)際條件的地下水滲流場與應(yīng)力場三維耦合數(shù)學(xué)模型。該模型較好地考慮了土體力學(xué)、土體水力學(xué)參數(shù)，真實(shí)地反映實(shí)際工程情況，故對工程實(shí)踐具有參考作用。

地下降水； 沉降機(jī)理； 計算模型

隨著越來越多地下空間被開發(fā)和利用?；庸こ坛睢⒏蟮姆较虬l(fā)展，但新的問題也隨之出現(xiàn)，如何科學(xué)合理、安全環(huán)保、有效利用地下空間資源變得很重要。

基坑土體開挖過程中，土體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，引起周邊地面沉降。同時，由于地下水存在，基坑降水會降低周邊地區(qū)地下水位，引起周邊地面沉降[1]。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國因地下降水處理不當(dāng)而導(dǎo)致的基坑事故，大約占21%～25%。過量降低水位或抽水時攜帶大量泥砂，地面及鄰近建筑物發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致周圍道路或地下管線等設(shè)施發(fā)生傾斜，甚至斷裂。

要保證基坑工程結(jié)構(gòu)本身和周圍環(huán)境的穩(wěn)定、安全，避免發(fā)生經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失，就必須對基坑工程水文地質(zhì)情況作出正確的分析。能否按照行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)將水位降至基坑底0.5 m以下，且不對周圍建筑物構(gòu)成威脅，地下降水方案設(shè)計是關(guān)鍵。地下降水的處理對施工進(jìn)度、成本及安全有著重大影響，也是基坑工程能否順利完成的關(guān)鍵。

1　研究動態(tài)

國內(nèi)外學(xué)者對地下降水與地面沉降理論的研究不斷深入。從目前的研究現(xiàn)狀來看，我國的理論研究較落后，理論層面上的總結(jié)和分析還不夠系統(tǒng)，需要完善。借鑒國外先進(jìn)理論研究成果，結(jié)合我國具體國情，開展有針對性理論研究有著重大意義。

關(guān)于地下水滲流與地面沉降的計算模型理論研究，學(xué)者普遍認(rèn)可的是根據(jù)Terzaghi有效應(yīng)力原理建立的地下水三維滲流與一維垂向固結(jié)沉降的耦合模型。駱祖江等提出的根據(jù)比奧固結(jié)理論，充分考慮到土體非線性性質(zhì)和土力學(xué)、土體水力學(xué)參數(shù)隨滲流場和應(yīng)力場的變化而改變的特點(diǎn)，建立比較符合工程實(shí)際條件的地下水滲流與地面沉降三維耦合計算模型[2,3]。金瑋澤等在比奧固結(jié)理論的基礎(chǔ)上，通過地下水滲流場與應(yīng)力場三維耦合模型, 結(jié)合工程實(shí)例，得出耦合模型計算出的結(jié)果與實(shí)際工程情況相互吻合的結(jié)論[4]。木林隆等提出反分析方法，克服以往計算模型參數(shù)選取的難題，可準(zhǔn)確計算基坑開挖引起周圍土體的位移變化量。并根據(jù)大量實(shí)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該方法的合理性。又總結(jié)出基坑周圍土體三維位移場的衰減規(guī)律，提出了基坑周邊土體三維位移場的簡化計算方法[5,6]。馮曉臘等研究在深基坑降水?dāng)?shù)值模擬計算中應(yīng)用三維水-土耦合模型，模擬出基坑降水中滲流、非均質(zhì)和各向異性等解析方法中很難解決的實(shí)際工程條件[7]。劉秀婷等在基坑降水設(shè)計和施工中，采用有限單元數(shù)值模擬及有關(guān)計算方法，通過實(shí)時控制，準(zhǔn)確、快捷地進(jìn)行基坑地下降水超前模擬計算，保證了基坑工程施工安全[8]。

Bransby和ThomasD.O’Rourke研究認(rèn)為，基坑墻后土體發(fā)生位移時，會形成破裂面，具有整體性的特點(diǎn)，往往位移很大，應(yīng)變卻很小，該處發(fā)生地面沉降現(xiàn)象。閆金鳳等通過應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬研究，深入分析孔隙水壓力與土體變形兩者耦合作用，總結(jié)出基坑降水過程中地面沉降量和坑底隆起量的變化規(guī)律[9]。王蓉琳等認(rèn)為水文地質(zhì)條件復(fù)雜或特大型深基坑工程應(yīng)建立三維滲流數(shù)值模型，運(yùn)用數(shù)值模擬。并以某大橋錨碇基坑工程為例，優(yōu)化降水井點(diǎn)布設(shè)方案，并取得較好效果[10]。王衛(wèi)東等以我國上海地區(qū)大量深基坑實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出基坑開挖對周邊建筑物影響的簡化分析方法及預(yù)算基坑開挖引起周圍建筑物附加沉降變形的計算方法，并驗(yàn)證了其合理性[11]。

2　基坑周圍地層沉降機(jī)理

通常，土體是由顆粒、水和氣體三相組成，一般認(rèn)為土體變形是孔隙水排出、氣體體積減小和土體骨架發(fā)生錯動等原因造成的。在飽和土中，孔隙水壓縮量較小，往往孔隙水排出引起土體中孔隙體積的變化。對于非飽和土，與飽和度也有關(guān)[12]?；娱_挖和基坑降水是引起地面沉降、變形的兩大主要原因。引起基坑周圍地層移動與坑底土體的隆起和圍護(hù)墻的變形有著很大的關(guān)系，具體分析如下：

1) 坑底沉降

基坑土體開挖實(shí)質(zhì)是卸荷的過程，破壞原始應(yīng)力平衡狀態(tài)。導(dǎo)致坑底土體產(chǎn)生以垂直向上為主的位移，出現(xiàn)彈性隆起現(xiàn)象，坑底中心位置處隆起量最大。且隨土體開挖停止，隆起現(xiàn)象也隨即消失，此時坑底隆起基本不會引起周圍土體的沉降。但是，當(dāng)土體開挖達(dá)到一定深度時，坑內(nèi)與坑外地面高差不斷增大，在坑底處形成局部塑性區(qū)，周圍土體中形成較大塑性區(qū)，引起周圍土體發(fā)生不均勻沉降[13]。

2) 圍護(hù)墻變形

這是引起周圍土體沉降的重要原因，基坑土體開挖后，由于卸荷作用，墻內(nèi)側(cè)形成被動土壓力，墻外側(cè)則受到主動土壓力。圍護(hù)墻兩側(cè)形成很大的土壓力差，在實(shí)際工程中，施工工藝往往是先開挖土體后施工支護(hù)結(jié)構(gòu)，這也就導(dǎo)致主動土壓力區(qū)范圍內(nèi)土體早已向坑內(nèi)側(cè)發(fā)生水平位移移動。墻外側(cè)土體水平應(yīng)力不斷減小，而塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，墻體主動壓力區(qū)和被動壓力區(qū)范圍內(nèi)土體均發(fā)生了位移[14]。

通常，基坑降水有兩條途徑，即基坑外降水和基坑內(nèi)降水，如設(shè)計或施工不當(dāng)，都會引起周圍地下管線、道路及建筑物產(chǎn)生不均勻沉降。通常，在含水層中，土顆粒本身具有很高強(qiáng)度，并且土顆粒四周的水均帶有壓力。當(dāng)?shù)叵滤唤档洼^小時，調(diào)整砂粒之間的位置是很難的，壓縮量極小，整體很快處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是，粘性土層符合太沙基一維固結(jié)理論，隨著孔隙水的排出，土體產(chǎn)生壓縮沉降[15]。地下降水對環(huán)境影響如下：

1) 地下水位的降低，導(dǎo)致孔隙水從土體中排出或抽水時帶出細(xì)小土顆粒(砂)，土體壓密。使得土顆粒位置重新排列組合，導(dǎo)致孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力增加。最終，地面發(fā)生不均勻沉降。

2) 在坑內(nèi)降水過程中，由于坑內(nèi)外形成水頭差，受到動水壓力作用，土體結(jié)構(gòu)變得松動并被破壞，坑內(nèi)出現(xiàn)土體流失現(xiàn)象，基坑坍塌。

3) 坑底面有承壓水層或坑內(nèi)外水頭差較大時，如承壓水層壓力大于坑底土體浮重力，便可形成“管涌”、“流砂”等現(xiàn)象，支護(hù)結(jié)構(gòu)底端向坑內(nèi)傾斜，坡面土體下滑，間接形成地面沉降[16]。

3　計算模型

在基坑降水施工整個過程中，存在著地下水滲流場、地面沉降位移場耦合效應(yīng)。太沙基固結(jié)理論有著很大的局限，它是假定土體固結(jié)過程中總應(yīng)力分布不斷變化，但這與工程實(shí)際情況相反。太沙基固結(jié)理論只有在一維計算方面是精確地，但就二維、三維計算而言，是不精確的，比奧(Biot)從連續(xù)介質(zhì)的基本方程出發(fā)，考慮到位移與孔壓相互耦合，推導(dǎo)出三維固結(jié)方程(真三維固結(jié)理論)[4,17]。同時，注意區(qū)分太沙基固結(jié)三維方程稱為擬三維(準(zhǔn)三維)固結(jié)方程。比奧固結(jié)理論方程的求解很復(fù)雜，但應(yīng)用于有限元計算中得到了很好的發(fā)揮。

3.1平衡方程

假定均質(zhì)、各向同性的飽和土單元體，只考慮土體(含孔隙水)重力，則三維平衡微分方程為

(1)

εx、εy、εz、us、vs、ws分別為x,y,z坐標(biāo)向上為正，壓力為正, γ為土的重度

3.2有效應(yīng)力原理

由有效應(yīng)力原理可知，有效應(yīng)力σ′與孔隙壓力pw之和即為總應(yīng)力，靜水壓力與超靜水壓力u之和則是孔隙壓力，即

(2)

將式(2)代入式 (1)，得

(3)

3.3本構(gòu)方程

假設(shè)土骨架作為線彈性體，服從廣義胡克(Hooke)定律，采用應(yīng)變來表達(dá)應(yīng)力，則有

(4)

G、v分別為剪切模量和泊松比，εv為體應(yīng)變，且εv=εx+εy+εz

3.4幾何方程

假定條件為小變形，用位移表示應(yīng)變，則6個應(yīng)變分量分別為

(5)

εx、εy、εy、us、vs、ws分別為x、y、z方向上的正應(yīng)變、位移。

3.5固結(jié)微分方程

將式(4)、(5)代入式(1)，得到用位移和孔隙水壓力表示的平衡微分方程，為

(6)

式(6)中的三個方程中有四個未知量，但另加一個方程，便可求解。通常，就飽和土而言，土體單元含水量的變化率等于土體積的變化率(水不可壓縮)，由達(dá)西(Darcy)定律推導(dǎo)：

用位移表示得

(7)

K為滲流系數(shù)，YW為水的容重。式(6)、(7)聯(lián)立得

(8)

u、us、vs、ws是坐標(biāo)x、y、z和時間的函數(shù)。

最終，式(8)便是比奧固結(jié)方程，4個偏微分方程組成，含有4個未知量，可解，它是反映地面沉降變形與地下水滲流的耦合(流固耦合)。

4　結(jié)語

地下降水如何引起地面沉降的過程是很復(fù)雜的，其引發(fā)基坑周圍土體內(nèi)地下水位和應(yīng)力場的改變，誘使地面不均勻沉降，導(dǎo)致地下管線、道路及周圍建筑物不同程度的破壞，甚至出現(xiàn)重大工程事故。因此，探討地下降水對周圍環(huán)境影響的相關(guān)理論研究具有重要的意義。根據(jù)比奧固結(jié)理論，建立地下水滲流場與應(yīng)力場三維耦合模型，則考慮了土體的非線性性質(zhì)及土體固結(jié)變形過程中土體力學(xué)、土體水力學(xué)參數(shù)。較好地反應(yīng)工程實(shí)際情況，取得理想效果。

從設(shè)計和施工人員角度出發(fā)，依據(jù)工程詳細(xì)的水文地質(zhì)資料，準(zhǔn)確運(yùn)用地下降水引起周圍地面沉降計算模型，根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計、施工方案，確保地下管線、道路及周圍土體的沉降不超過事先模擬允許的沉降量。通過采取一系列有效防治措施，確保地下降水不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

An Analysis of the Influence of Foundation Excavation Dewatering on the Surrounding Environment

DENG Yousheng1, YAO Zhiqiang2

(1SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 2SipingMunicipalHousingConstructionCo.,LTD,Siping, 136000,China)

Excavation dewatering causes the changes of the underground water level and the stress field in the surrounding soil, resulting in serious consequences such as uneven settlement of soil. The present study, through studying the mechanism of lowering underground water level on the surrounding soil movement aimed to show the coupled reaction that excavation dewatering and ground subsidence influenced each other. At last, according to Biot consolidation theory, the 3D coupling mathematical model of groundwater seepage field and stress field was established. The model could better consider the parameters of soil mechanics, soil hydraulics parameters, and reflect the actual situation in real engineering. Therefore, it could serve as a reference for engineering practice.

excavation dewatering; settlement mechanism; calculation model

2015-09-26

國家自然科學(xué)基金資助(51378182)

鄧友生(1969-)， 男， 湖南郴州人，博士后，湖北工業(yè) 大學(xué)教授，研究方向?yàn)闃蛄夯A(chǔ)，基坑工程

1003-4684(2016)04-0097-04

TU94

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