深基坑降水對地表沉降的影響分析

宋 慶 瑞

(山西省公路局晉中分局，山西 晉中 030600)

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深基坑降水對地表沉降的影響分析

宋 慶 瑞

(山西省公路局晉中分局，山西 晉中 030600)

研究了基坑降水引起坑外地表沉降的機(jī)理，介紹了常用的基坑降水方式，并對某項(xiàng)目基坑進(jìn)行了現(xiàn)場變形監(jiān)測與三維有限元模擬，得出了基坑降水對周邊地表沉降影響的一般規(guī)律，給出了減小這一影響的具體措施。

基坑降水，地表沉降，變形監(jiān)測，數(shù)值模擬

目前，許多高層建筑及市政工程周邊有大量的既有建筑與地鐵線路，還包括許多大大小小的管線，這使得基坑工程的設(shè)計(jì)與施工難度越來越大。在基坑工程施工過程中進(jìn)行降水必然會引起周邊土體應(yīng)力場以及地下水位的變化，進(jìn)而使土體產(chǎn)生變形，建筑物沉降，管線變形甚至破壞。因此，對基坑降水引起周邊地表沉降的影響規(guī)律以及減小沉降的有效措施的研究具有非常重要的意義。

1 基坑降水引起周圍地表沉降的機(jī)理

隨著降水工作的進(jìn)行，地下水位不斷下降，作用于土顆粒上的浮力逐漸減小，從而引起土體的固結(jié)、壓縮，表現(xiàn)為粘彈性固體降水壓密的特性。土體的變形過程分為兩個(gè)階段：第一階段為線性變化過程，隨著地下水位的下降，土體中的孔隙水隨滲流排出，作用于土骨架上的有效應(yīng)力不斷增加，土體產(chǎn)生固結(jié)變形。第二階段為非線性變化過程，土體的變形主要是土顆粒以及其間孔隙水的粘性流動引起的，在這一過程中，有效應(yīng)力基本維持在一個(gè)固定值，即土體的變形是隨有效應(yīng)力非線性變化的。

土體的變形沉降主要由于以下三個(gè)方面：

1)孔隙水壓力的減小。隨著降水工作的進(jìn)行，地下水位下降到一定程度后，孔隙中的水壓力將發(fā)生轉(zhuǎn)移、消散，使得孔隙水壓力不斷減小，在總壓力一定的情況下，作用于土顆粒上的有效應(yīng)力將不斷增大。

2)動水壓力的影響。在自然狀態(tài)下，土體中孔隙水的流動是在較小水力坡度下進(jìn)行的。降水過程會引起水力坡度的增大，同樣，滲透壓力也會變大。當(dāng)?shù)叵滤陨隙碌臐B透壓力與作用于土體上的浮力的合力大于土顆粒的自重與其間的摩擦力時(shí)，土體間將進(jìn)一步產(chǎn)生壓縮變形，在地表表現(xiàn)為沉降。

3)井點(diǎn)的真空作用。井點(diǎn)降水過程中，井點(diǎn)管周圍一定范圍內(nèi)的壓力將小于大氣壓力，在壓力差的作用下，土體顆粒會被擠向壓力較小的地方，從而產(chǎn)生壓縮變形。

2 基坑降水方式

1)明溝加集水井降水。該方法為人工排降法，主要應(yīng)用于地下潛水、施工用水和雨水的排除。在地下水較豐富地區(qū)，由于基坑邊坡滲水較多，錨噴支護(hù)施工困難，因此該法不適合單獨(dú)應(yīng)用于高水位基坑降水。

2)輕型井點(diǎn)降水。該方法適用于面積不大、降水深度要求不高的基坑工程，土層滲透系數(shù)一般為0.1 m/d～50 m/d。降水深度一般在3 m～6 m之間，若要求降水深度大于6 m，可以采用多級井點(diǎn)系統(tǒng)，但要求基坑周邊空間較大，以便于放坡或挖槽。

3)噴射井點(diǎn)降水。噴射井點(diǎn)降水系統(tǒng)能在井點(diǎn)底部產(chǎn)生250 mm水銀柱的真空度，其降水深度較大，一般可達(dá)到8 m～20 m。該方法適用的土層滲透系數(shù)與輕型井點(diǎn)一樣，但由于其抽水系統(tǒng)和噴射井管較復(fù)雜，運(yùn)行故障率較高，且能量損耗很大，因此所需費(fèi)用較高。

4)電滲井點(diǎn)降水。該方法適用于粘土、亞粘土、淤泥和淤泥質(zhì)粘土等滲透系數(shù)小于0.1 m/d的細(xì)顆粒土。其一般需要同輕型井點(diǎn)或噴射井點(diǎn)系統(tǒng)共同使用，降水深度取決于輕型井點(diǎn)或噴射井點(diǎn)。

5)管井井點(diǎn)降水。該方法適用于地層滲透系數(shù)較大、地下水豐富以及輕型井點(diǎn)無法解決的情形。且其一般用于潛水層降水。

6)深井井點(diǎn)降水。該方法是基坑工程中應(yīng)用較多的降水方法，它具有排水量大、降水深度大、降水范圍大的優(yōu)點(diǎn)。尤其適用于砂礫層等滲透系數(shù)很大且透水層厚度較大的地層，該種情形下，輕型井點(diǎn)和噴射井點(diǎn)的方法均不能使用。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

3.2 變形監(jiān)測

分別在基坑西側(cè)和換乘節(jié)點(diǎn)處布置變形監(jiān)測點(diǎn)，隨著基坑的不斷開挖，對連續(xù)墻的水平位移、基坑?xùn)|側(cè)的地表變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如圖1,圖2所示。

由圖1，圖2中可以看出：1)隨著開挖深度的不斷增加，連續(xù)墻的水平位移也在不斷增加；2)連續(xù)墻水平位移的最大值出現(xiàn)在基坑的下部，大約在20 m～25 m的深度范圍內(nèi)；3)基坑周邊地表的沉降隨開挖時(shí)間的增加而不斷增大；隨與基坑距離的增加而不斷減小。

3.3 數(shù)值模擬

對基坑結(jié)構(gòu)建立了相應(yīng)的三維有限元模型，如圖3所示，并對得到的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步的整理分析。

地面下17.3 m處地連墻變形見圖4，地表處地連墻變形見圖5。

由數(shù)值模擬結(jié)果可以得出：基坑的拐角處地下連續(xù)墻的水平位移值一般較大；隨著與基坑中心距離的不斷增加，地表沉降值在逐漸減小。模擬的結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值相差不大，可以為實(shí)際工程提供一定的指導(dǎo)作用。

4 減小基坑降水對周邊地表沉降影響的措施

1)準(zhǔn)確預(yù)估降水可能引起的不利影響。降水工程是以土體及其間的地下水為研究對象的復(fù)雜的巖土工程，必須按照勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測的順序逐項(xiàng)進(jìn)行。在前期的勘察與設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對周邊環(huán)境與地層情況進(jìn)行全面的了解，準(zhǔn)確預(yù)估降水可能帶來的不利影響。在降水的過程中，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)可靠的監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題。2)井點(diǎn)降水與回灌技術(shù)相結(jié)合的施工工藝。井點(diǎn)降水是在基坑周圍布置一系列井點(diǎn)進(jìn)行降水，以利于基坑開挖工作；而回灌技術(shù)是指在對沉降有要求的建筑物(構(gòu)筑物)一側(cè)，埋設(shè)井點(diǎn)管或砂井，人工將水回灌至地下，使原建筑物地下的水位恢復(fù)至井點(diǎn)降水前的正常水位，有效避免了降水引起的附加沉降。3)設(shè)置止水帷幕。在開挖范圍周邊一定距離設(shè)置一圈止水帷幕，可有效減小降水對帷幕外圍底層的影響。常用高壓旋噴(或定噴)、深層攪拌、注漿防滲帷幕等方式。豎向止水帷幕最好達(dá)到不透水層，從而充分減少降水的影響。當(dāng)含水層很厚，豎向止水帷幕難以穿透或造價(jià)太高時(shí)，可在坑底以下設(shè)置水平止水帷幕。4)合理布置井點(diǎn)。井點(diǎn)降水過程中，井點(diǎn)底部周圍的水位將會呈漏斗狀，通過合理的布置降水井點(diǎn)，可以有效地將降水對周邊環(huán)境的影響降至最小。5)縮短降水時(shí)間。一方面，確定能夠滿足開挖條件之前需要的抽水時(shí)間；其次，盡量加快基坑開挖速度；第三，確定停止抽水的時(shí)間。降水時(shí)間越長、基坑暴露時(shí)間越長，對周邊地層的影響將會越大。6)減少基坑周圍的靜、動荷載影響。井點(diǎn)通常布置在基坑附近，在該區(qū)域內(nèi)，降水深度最大，地表的沉降變形也最大。因此，若基坑周圍存在堆載或其他活載，勢必會增大土體的變形。

5 結(jié)語

本文通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬的手段對深基坑降水對周邊地表沉降的影響進(jìn)行了研究，得出了其影響的一般規(guī)律，并且給出了減小這一影響的防治措施。該研究結(jié)果可以為復(fù)雜地層下超深基坑施工中的變形控制提供相應(yīng)的建議和技術(shù)指導(dǎo)，減小基坑開挖產(chǎn)生的位移，提高施工的安全性。

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On influential analysis of dewatering in deep foundation pits on surface settlement

Song Qingrui

(JinzhongBranch,ShanxiRoadBureau,Jinzhong030600,China)

The paper researches the mechanism for the surface settlement out of the pits caused by the dewatering, introduces the common foundation pit’s dewatering approaches, undertakes the site deformation detection and three-dimension simulation, concludes the foundation pit’s dewatering on the general law of the surrounding surface settlement, and provides some measures to reduce the influence.

foundation pit dewatering, surface settlement, deformation detection, numeric simulation

1009-6825(2016)24-0072-02

2016-06-19

宋慶瑞(1978- )，男，工程師

TU463

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