基坑開挖引起地面沉降研究

摘 要：城市基坑開挖引起的地面沉降是城市管理、建設(shè)需要注意的關(guān)鍵性問題，具有出現(xiàn)的范圍廣泛、發(fā)生災(zāi)害后果惡劣等基本特點(diǎn)。根據(jù)對國內(nèi)外文獻(xiàn)的檢索與參考發(fā)現(xiàn)，地面沉降的方式分為土體固結(jié)引起的沉降、孔隙水體滲流引起的地面沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形引起的沉降、坑底回彈引起的沉降、支撐拆除引起的土體向內(nèi)變形沉降。

關(guān)鍵詞：分析方法；機(jī)理研究；沉降監(jiān)測

近年來由于輕軌交通的運(yùn)量大，速度快，耗時短的特點(diǎn)，到2016年年底，全國已經(jīng)建成大約2500公里的軌道里程。由于國務(wù)院放開了軌道交通建設(shè)的審批門檻，所以各大城市也在緊鑼密鼓的加緊各自城市的城市軌道交通的建設(shè)步伐。但是由于南北方的天然地質(zhì)條件有相當(dāng)大的差別，在這種無差別式的發(fā)展模式下，必定會引起較為嚴(yán)重的巖土工程問題。

1 計算分析方法

1.1 有限元法

有限元法的關(guān)鍵思維是把一個連續(xù)的整體劃分為若干個子單元，并通過節(jié)點(diǎn)之間的相互連接作用，組成一個組合整體，對于其內(nèi)部的每個單元都采用一個近似的函數(shù)來表示，并且最后表示出整個求解區(qū)域的未知變量，再通過原始數(shù)學(xué)模型的分析，建立要求解未知量的微分方程，再表示為矩陣方程，最后得到原始問題的解答。有限元法有其自身不可替代的優(yōu)越性：（1）幾何模型適用性：其內(nèi)部單元可以是不同的幾何形狀。（2）物理問題適用性。（3）嚴(yán)格理論之上的可靠性。（4）計算機(jī)計算的高效性。

1.2 地層損失法

地層損失法采用的是彈性地基粱法，地層損失法最先用于隧道地面沉降的計算，其損失量為開挖土體的體積與隧道體積的差值，并通過這個差值大小來確定地層損失率，進(jìn)而估計地面沉降的大小。而現(xiàn)今的基坑開挖中，也極為廣泛的得到運(yùn)用，把圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向的位移圍城面積與地面沉降的面積之比值關(guān)系，求得地面的沉降。

1.3 估算法

（1）時空效應(yīng)法：通過工程實(shí)踐的證明在基坑開挖支撐中，由于基坑開挖會使得土體被暴露于空氣中，進(jìn)而使得時間會影響坑體的穩(wěn)定性和變形變位，甚至當(dāng)開挖基坑的尺寸大小較大時，這種時空效應(yīng)會更加的明顯。（2）穩(wěn)定安全系數(shù)法：在此法的最關(guān)鍵性結(jié)果是認(rèn)為，基坑底部抗隆起安全系數(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移、地面最大沉降，這三者存在一定的關(guān)系，從而通過彼此的關(guān)系進(jìn)行實(shí)踐性運(yùn)用，解答實(shí)際問題。

2 沉降機(jī)理及影響因素

地面沉降是一個由多方面因素耦合的結(jié)果，既有人為的因素也有自然的災(zāi)害因素，地下結(jié)構(gòu)的開挖、土體自然固結(jié)、荷載變化再壓縮、地下水位開采變動、降雨引起的滲流力作用、海平面的上升等都是沉降不可忽視的重要因素。

2.1 軟土自重壓密固結(jié)

地面沉降量隨著時間增長而增大，在軟土和人工填土等空隙較大、壓縮性較強(qiáng)、承載能力較低的地區(qū)，會發(fā)生土體在自身重力的作用下，土體排除自身水分、顆粒重新排列的作用，使得土越趨密實(shí)，使得地面不可避免的發(fā)生沉降。

2.2 地下開采過量沉降

地下水位開采會引起土體的原始應(yīng)力的有效應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而推進(jìn)土體的再次固結(jié)變形，而松散土體顆粒的變形是由于土體內(nèi)部本來就存在大大小小的空隙沒有完全的壓縮密實(shí)，開采會引起原始應(yīng)力的平衡被打破，從而土體會尋求新的平衡點(diǎn)，使得土體內(nèi)部顆粒發(fā)生重新排列，引起地面的塌陷甚至崩塌事故的發(fā)生。

2.3 地下滲流力的作用

在開挖區(qū)，一般會形成開挖臨空面，而當(dāng)?shù)叵滤惠^開挖區(qū)而言較高時，會使得坑體外部的水分會沿著地表向坑內(nèi)發(fā)生流動，在流動的過程中，會產(chǎn)生一定的滲流力，滲流力對于土體的固結(jié)和沉降有著加劇的作用。并且水分的潤滑，更加有利于顆粒間的移動，對沉降位移也是一大因素。

2.4 城市高程建筑物之間的相互作用

由于現(xiàn)代化建設(shè)的持續(xù)化進(jìn)行，城市化也在加緊步伐，城市高程建筑物如同雨后春筍般的聳立，勢必會對原始的地層造成附加的荷載作用，使得地面發(fā)生再次壓縮變形，更有甚者，彼此之間應(yīng)力影響區(qū)的重疊，造成更加劇烈的地面變形破壞。

3 地面沉降監(jiān)測

地面沉降的監(jiān)測作為評價和驗(yàn)證地面危害性研究具有極其重要的作用，能夠及早的提醒人們對于沉降危害的預(yù)防和治理，監(jiān)測的技術(shù)大致可以分為以下幾個方面：水準(zhǔn)測量技術(shù)、三角高程測量技術(shù)、GPS測量技術(shù)、INSAR監(jiān)測技術(shù)、分層沉降監(jiān)測技術(shù)。

3.1 水準(zhǔn)測量技術(shù)

在有地面沉降的地區(qū)，布設(shè)地面沉降水準(zhǔn)網(wǎng)，對地面沉降進(jìn)行反復(fù)的監(jiān)測研究，并為控制地方沉降提供準(zhǔn)確、可靠地資料。

3.2 三角高程測量技術(shù)

通過對自身位置和需要觀測位置的角度測量和水平距離的測量工作，從而利用三角函數(shù)關(guān)系，計算出地面沉降的大小的方法，對于不同的地勢條件都有很好的適用性。

3.3 GPS測量技術(shù)

主要是通過相對定位方式，對于不同的點(diǎn)可以得出該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而達(dá)到監(jiān)測沉降的目的，但是此方法對監(jiān)測系統(tǒng)的選擇有很大的要求。

3.4 INSAR監(jiān)測技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)，是通過雷達(dá)技術(shù)獲取SAR圖像，并利用不同角度時SAR圖像具有不同相位差或干涉條紋的原理，從而可以通過調(diào)整視角，從而得到分辨率較高的數(shù)學(xué)高程模型。

3.5 分層沉降監(jiān)測技術(shù)

針對土體，在不同的高程和位置，設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，來測量土體的分層沉降值，繼而得到總體的沉降值。分層沉降系統(tǒng)可以分為：鋼尺沉降儀、沉降管、沉降環(huán)等。

4 結(jié)語

地面沉降是城市公路、地鐵隧道、基坑開挖、地下開采工程中常見的地質(zhì)災(zāi)害問題，文章分析了基坑開挖的地面沉降影響因素、沉降觀測手段、和沉降的機(jī)理性研究，為我們更好地認(rèn)識和預(yù)防地面沉降危害的發(fā)生，有效保護(hù)生命財產(chǎn)安全，對社會的發(fā)展有著積極地作用。

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作者簡介：李果（1994.12- ），男，重慶人，碩士，重慶交通大學(xué)，研究方向：巖土工程。