武漢一級階地基坑降水引起土層水位變化及壓縮變形研究

蔡嬌嬌，馮曉臘,2，李滕龍，梁明志，熊宗海,2，馮靜杰

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢豐達地質工程有限公司，湖北 武漢 430074；3.廣州中煤江南基礎工程公司，廣東 廣州 510000)

隨著經濟發(fā)展和城市化進程的推進，大城市生存空間的需求越來越大，近年來城市建筑物和構筑物不斷向著地下發(fā)展，基坑工程隨之興起。武漢市地下水豐富，尤其是長江、漢江一級階地地區(qū)，地下水與河流水力較為密切，在基坑開挖過程中地下水控制是基坑工程的重點[1～3]。同時，基坑降水將會引起周邊地下水水位的下降，而地下水水位下降往往會引起土層的變形及地面的沉降[4～6]。

一級階地地層具有典型的二元結構[7～9]，其一般存在多種類型含水層，且各層性質不盡相同，致使其在抽水過程中滲流規(guī)律及水位變化特點各不相同。目前對于武漢長江一級階地基坑降水引起各含水層的水位變化及降水引起的土體壓縮變形規(guī)律研究較少，且多基于數值模擬的方法進行[10～12]。為了更加切實、準確的了解武漢長江一級階地二元結構地層的水位變化及其引起的土體壓縮變形特點及規(guī)律，以指導基坑降水，本文通過現(xiàn)場群井抽水試驗觀測各含水層水位變化，并在此過程中對地表及土體深層沉降進行監(jiān)測，以研究基坑降水引起水位變化及土體壓縮變形的規(guī)律。

1 研究區(qū)工程地質概況

武漢地處江漢平原東部、長江中游，長江及其最大支流漢江橫貫市境中央，覆于其上的第四系松散堆積層受水力長期剝蝕作用，形成侵蝕區(qū)、過渡區(qū)和沉積區(qū)并存的地質地貌現(xiàn)象。在水流分選作用下，地層由淺部到深部沉積顆粒由細到粗，在長江及漢江兩岸的一級階地形成典型的二元結構地層。其典型地層結構分布情況，見表1。

表1 武漢一級階地地層結構Table 1 Stratigraphic texture at the Wuhan first terrace

根據武漢一級階地地層的巖性特征和水文地質特征，結合基坑工程特點，不考慮底部基巖裂隙水，將該場地二元結構地層概化為三層，建立該區(qū)域基坑場地巖土工程模型，見圖1。

圖1 武漢一級階地地層巖土工程模型Fig.1 Model of the formation of geotechnical engineering

2 試驗概況

試驗區(qū)位于武漢市武勝路與中山大道交匯處某深基坑工程，屬長江一級階地，其典型工程地質剖面見圖2。本試驗區(qū)共有三種地下水：上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水。其中上層滯水含水率較小，基巖裂隙水埋深較大，兩者對基坑開挖影響不大，故降水目標層為孔隙承壓水，承壓水初始水位埋深8.41 m。

圖2 試驗區(qū)地質剖面圖Fig.2 Geological profile of the test area

該場地進行抽水試驗，研究武漢長江一級階地基坑降水引起含水層的水位變化及該作用下土體壓縮變形規(guī)律。在場區(qū)基坑中共設置抽水井4口，觀測井5口，其中③-1層觀測井1口(G1)，④-1層觀測井1口(G2)，④-2層觀測井3口(分別為G3、G4、G5)。淺層觀測井G1用于觀測上層滯水水位；中層觀測井G2用于觀測承壓含水層上段微承壓(互層土)含水層水位；深層觀測井G3、G4、G5用于觀測承壓含水層水位(圖3)。

圖3 試驗井及監(jiān)測點平面布置圖Fig.3 Layout of the test wells and monitoring points

抽水10 d，在抽水過程中分別對試驗井的水位及兩個地表沉降監(jiān)測點和兩個深層土體沉降監(jiān)測點(T1、T2)不同深度土層進行分層沉降量進行監(jiān)測。分層沉降監(jiān)測在豎直方向上共選取5個點，其中C1位于②層頂，C2位于③層頂，C3位于④-1層頂，C4位于④-2層頂，C5位于④-3層頂。試驗井及監(jiān)測點平面布置如圖3所示，試驗井剖面結構及深層土體沉降量監(jiān)測點沉降磁環(huán)剖面布置見圖4。

圖4 試驗井及監(jiān)測點剖面示意圖Fig.4 Profile of the test wells and monitoring points

土體沉降監(jiān)測采用分層沉降儀。分層沉降儀所用傳感器是根據電磁感應原理設計，將磁感應沉降環(huán)預先通過鉆孔的方式埋入地下待測各點位，當傳感器通過磁感應沉降環(huán)時，產生電磁感應信號送至地表儀器顯示，同時發(fā)出聲光警報，讀取孔口標記點對應鋼尺的刻度值即為沉降環(huán)的深度。每次測量值與前次測量值相減即為該測點的沉降量。

3 試驗成果及分析

3.1 含水層水位變化特征及分析

通過抽水試驗過程中的水位觀測，得到試驗期間各試驗井的水位降深隨時間的變化，見圖5。

在降水過程中隨著抽水時間的增加，水位降深逐漸增加，且在前期水位下降速度較大，后期水位下降緩慢，且逐漸趨于穩(wěn)定。其中，抽水井J1、J2、J3、J4水位降深相對較大，約為6～7 m；④-2層觀測井G3、G4、G5降深次于抽水井，降深約為2～4 m，因G3、G4、G5與抽水井距離不同，其降深有所差別；③-1層觀測井G1和④-1層觀測井G2觀測的水位變化相對較小，降深約為0.1～0.2 m。

圖5 抽水試驗降深-時間曲線圖Fig.5 Drawdown-time curves of the pumping test

試驗場地位于武漢長江一級階地屬于典型的二元結構地層，含水層從上至下分別為上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水。試驗中通過對不同上層滯水、承壓含水層上段互層土微承壓含水層及承壓含水層中水位的觀測，不難看出其水位變化有如下特征：

(1)上層滯水水位變化很小，水位降深很緩慢。這是由于位于填土層中的上層滯水與抽水井濾管所處的承壓含水層之間存在相對隔水的黏性土，黏土層滲透性差，阻隔了兩個含水層之間的水力聯(lián)系，使得上層滯水不能直接快速的補給下部承壓水，這也正是上層滯水之所以稱為“上層滯水”的原因。

上層滯水一般水量較小，含水層不連續(xù)，且較為孤立與下部含水層聯(lián)系較弱，所以在基坑工程中，一般只需通過集水明排法進行疏導，該含水層一般不會造成危害。

(2)承壓含水層上段互層土微承壓含水層水位變化較小。該層位于相對隔水層與高承壓含水層之間，可以看作是由隔水層向含水層變化的過渡層，其屬于承壓含水層，卻區(qū)別于下部砂層承壓含水層[5]?；谄浞弁痢⒎凵芭c粉質黏土互層的性質，該含水層滲透性存在明顯的各向異性，其在水平方向上滲透系性很好，而在垂直方向上滲透性較差，兩個方向的滲透系數相差1～2個數量級，且明顯小于下伏砂土層。在抽取下層承壓水時，下段承壓水首先被排出，上段的承壓水會在水頭差的作用下向下補給，在排水過程中，由于垂向滲透性較差，垂向滲流速度減慢，導致上段微承壓含水層水位下降速度滯后于下段承壓水水位下降速度。該過渡層的水位下降速度及水位降深都將明顯滯后于下部承壓水的水位變化。

基坑開挖施工后，基坑內水位下降，將打破原有的地下水平衡，產生動水壓力，水流速度增加，該層土極易產生流砂、管涌等滲流破壞。因此，在基坑降水過程中，對于過渡層微承壓水的處理十分重要。

(3)承壓含水層水位明顯下降，不同位置下降速度不同。承壓含水層下段主要為砂層，滲透系數大，當位于該層的降水井抽取地下水時，該層承壓水首先被排出，表現(xiàn)為該層的抽水井水位明顯下降。抽水后，抽水井附近水位快速下降，打破原有水力平衡，地下水流向抽水井進行補給。抽水初期，提供補給范圍較小，抽水井出水速率明顯大于補給速率，此時表現(xiàn)為該層試驗井降深急劇增加，隨著降水時間增加，降水漏斗范圍擴大，補給量及補給速度增加，水位下降速度明顯變慢，并逐漸趨于穩(wěn)定。

該含水層水量大，水壓高，在基坑開挖過程中可能會出現(xiàn)突涌、流砂、管涌等滲流破壞現(xiàn)象，故此在基坑開挖施工過程中需要進行降水，若基坑開挖未揭穿該承壓含水層上覆相對隔水層，則以降壓為目的進行降水；若基坑底位于承壓含水層中，則前期降壓為主，后期需進行疏干降水。

3.2 降水引起土體壓縮變形及機理分析

通過抽水試驗過程中地表及土體分層沉降監(jiān)測，得到試驗期間地表及深層土體沉降監(jiān)測點各分層土體的沉降量隨時間變化，見圖6。

圖6 監(jiān)測點分層沉降監(jiān)測曲線Fig.6 Layered settlement monitoring curves

根據圖6中兩個深層土體沉降量監(jiān)測曲線可以看出，隨著抽水時間的增加，各監(jiān)測點的累計沉降量總體呈增加趨勢。其中，分層監(jiān)測點的累計沉降量由大到小分別為：位于③層頂的C2監(jiān)測點>位于④-1層頂的C3監(jiān)測點>位于②層頂的C1監(jiān)測點>位于④-2層頂的C4監(jiān)測點>位于④-3層頂的C5監(jiān)測點。

地表沉降監(jiān)測數據顯示，抽水10 d后，T1處地表最大沉降量1.2 mm，T2處地表最大沉降量1.0 mm。各分層土體壓縮量根據分層沉降儀測得的各剖面監(jiān)測點的沉降量進行計算，即：

ΔSn=Sn-1-Sn

(1)

式中：ΔSn——第n個土層壓縮量；

Sn——第n層土之下土層頂部的沉降量；

Sn-1——第n層土層頂部的沉降量。

統(tǒng)計試驗期間T1、T2點地表和各分層土體壓縮量見圖7。

由圖6可以看出，抽水試驗期間，③層頂沉降量最大，地表沉降和④-3層頂沉降量均較小。土層基本以②層粉質黏土為界，②層以下土體壓縮沉降，②層及其上覆土體膨脹回彈。

圖7 各土層壓縮量統(tǒng)計Fig.7 Layered compression deformation注：正值表示壓縮量，負值表示膨脹量。

基坑降水對周邊環(huán)境的影響主要是指降水引起的地表變形，即地面沉降。

基坑降水引起地面沉降與孔隙水壓力消散引起的壓密固結相關，水位的波動使得土粒間浮托力發(fā)生變化，水位的下降使得浮托力減小，依據有效應力原理：

σ=σ′+μ

(2)

式中：σ——總應力；

σ′——有效應力；

μ——孔隙水壓力。

隨著地下水水位降低，土層的含水量降低，孔隙水壓力消散，有效應力增加，土體的孔隙比減小，土層壓縮，地面發(fā)生固結沉降。

基坑降水引起地面沉降還與滲透破壞作用相關。降水引起水位下降，水力坡度增加，滲透壓力隨之增大，在動水壓力的作用下，地下水在土體中滲流時，土顆粒可能會被帶走或移動，從而發(fā)生沉降。

根據武漢長江一級階地二元結構的巖土工程地質條件和水文地質條件，由于其各層土體的性質不同，表現(xiàn)出的沉降特點也不同，根據現(xiàn)場試驗及沉降監(jiān)測結果，當降水時間較短時(如本研究中降水10 d)，地層在整個降水過程中總體表現(xiàn)為發(fā)生向下的沉降，但從各分層土體沉降量表現(xiàn)出①層、②層土體出現(xiàn)“膨脹”的現(xiàn)象。該現(xiàn)象產生的主要原因為：

(1)①層雜填土為松散狀，②層粉質黏土為可塑狀，當②層土體隨著其下伏土體的固結壓縮發(fā)生沉降時，①層雜填土中未經歷固結的松散顆粒物之間空隙增大，而位于表層的該層土體自重引起的壓力較小，在無其他上覆壓力作用時，無法完成壓縮變形，故表現(xiàn)出膨脹特性。

(2)依據勘察報告及相關研究[13]對土層承載力特征值及壓縮模量進行分析，由于②層黏性土強度較高，具有一定的地基承載力，而下伏③層粉砂、粉土與粉質黏土互層土承載力相對較低，在上部土體重力及荷載作用下，可能導致②層和③層土體之間產生“架空”現(xiàn)象。架空現(xiàn)象的存在使得位于③層頂的C2監(jiān)測點與位于②層頂的C1監(jiān)測點之間距離增大，故圖7數據中表現(xiàn)出②層土體“膨脹”的特點。

架空效應的存在將對周邊環(huán)境產生一定的不良影響和安全隱患，尤其在降雨較多或地面超載的情況下可能誘發(fā)周邊環(huán)境的破壞，如道路的開裂甚至坍塌，地下管道的變形甚至破裂等。一般情況下，在抽水后，短期內土層固結尚未完成，尤其是淺部黏性土。一般位于武漢長江一級階地地區(qū)的基坑工程在整個基坑施工開挖過程中時間較久，抽水時間較長(一般不小于3個月)，且基坑降水過程中水位降深較大，即孔隙水壓力的消散較抽水試驗期間要大得多，所以針對該類基坑工程，依據本次抽水試驗所揭示的部分成果，②層土體最終可能會產生較大的沉降。

4 結論

根據現(xiàn)場抽水試驗，研究了武漢長江一級階地基坑降水引起含水層的水位變化及該作用下土體壓縮變形規(guī)律，得到如下結論：

(1)在降水過程中，地下水以抽水井為中心向外，從抽水井疏干層由下至上逐漸疏干，存在水位變化的滯后現(xiàn)象。

(2)基坑降水引起的地面沉降與孔隙水壓力消散引起的壓密固結相關；還與滲透破壞作用相關。壓密固結，在降水前期主要發(fā)生在承壓含水層中，而此時淺部黏性土壓密固結尚未完成，隨著時間的增加，后期淺部黏性土可能會產生較大的沉降量；滲透破壞最可能發(fā)生在上段互層土的微承壓含水層中。

(3)當降水時間較短時，地層在整個降水過程中總體表現(xiàn)為發(fā)生向下的沉降，但從各分層土體沉降量表現(xiàn)出①層、②層土體出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，②層和③層土體之間產生“架空”現(xiàn)象。架空效應的存在對周邊環(huán)境帶來了不良影響和安全隱患，尤其在降雨較多或地面超載的情況下可能誘發(fā)周邊環(huán)境的破壞，故在實際工程中應注意該現(xiàn)象的產生。

[1] 吳林高. 基坑工程降水案例[M]. 北京：人民交通出版社, 2009.[WU L G. Dewatering case history for excavation [M]. Beijing：China Communication Press,2009.(in Chinese)]

[2] 馬鄖,徐光黎,劉佑祥.長江Ⅰ級階地某深基坑地下水控制分析[J]. 安全與環(huán)境工程, 2012(5)：144-149.[MA Y, XU G L,LIU Y X. Ground water controlling of a deep foundation pit on the first terrace of Yangtze River[J].Safety and Environmental Engineering, 2012 (5)：144-149.(in Chinese)]

[3] 寧國民, 陳國金, 徐紹宇,等. 武漢城市地下空間工程地質研究[J]. 水文地質工程地質, 2006, 33(6):29-35.[NING G M,CHEN G J, XU S Y,etal. Engineering geological research on the underground space of Wuhan City[J].Hydrogeology & Engineering Geology, 2006, 33 (6):29-35.(in Chinese)]

[4] 張建山. 基坑抽水地面沉降理論與工程應用[D]. 西安:西安理工大學, 2005.[ZHANG J S.The Fundamental of Land Subsidence and Case Studies Due to Groundwater Withdrawal[D]. Xi′an: Xi′an University of Technology,2005.(in Chinese)]

[5] 葉為民, 萬敏, 陳寶,等. 深基坑承壓含水層降水對地面沉降的影響[J]. 地下空間與工程學報, 2009, 5(增刊2):1799-1805.[YE W M, WAN M, CHEN B,etal. Influence of dewatering of confined aquifers on land subsidence during deep excavation[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2009, 5(Sup2): 1799-1805.(in Chinese)]

[6] 張勇, 趙云云. 基坑降水引起地面沉降的實時預測[J]. 巖土力學, 2008, 29(6):1593-1596.[ZHNAG Y, ZHAO Y Y. Real time prediction of land subsidence caused by foundation pit dewatering[J].Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(6):1593-1596.(in Chinese)]

[7] 馮曉臘, 張睿敏,熊宗海,等. 武漢某工程超深基坑降水設計與技術應用[J]. 施工技術, 2015(增刊2)：11-14.[FENG X L,ZHANG R M, XIONG Z H,etal. Dewatering design and technology application of super deep foundation excavation in a project in Wuhan[J]. Construction Technology, 2015(Sup2)：11-14.(in Chinese)]

[8] 徐楊青, 朱小敏. 長江中下游一級階地地層結構特征及深基坑變形破壞模式分析[J]. 巖土工程學報, 2006, 28(增刊1):1794-1798.[XU Y Q, ZHU X M. Studies on strata characteristics and model of deformation and collapse of deep excavation in the first terrace of Yangtze River[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006, 28(Sup1):1794-1798.(in Chinese)]

[9] 馮曉臘, 蔡嬌嬌, 熊宗海,等. 落底式止水帷幕條件下深基坑群井試驗研究[J]. 水文地質工程地質, 2016, 43(6):107-112.[FENG X L,CAI J J, XIOMG Z H,etal. Research on well group pumping test for foundation pit with drop waterproof curtain[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2016, 43(6):107-112. (in Chinese)]

[10] 張弘懷, 鄭銑鑫, 唐仲華,等. 寧波平原地面沉降全耦合數值模擬研究[J]. 水文地質工程地質, 2013, 40(4):77-82.[ZHANG H H, ZHENG X X, TANG Z H,etal. A study of full coupling numerical simulation of land subsidence in the Ningbo plain[J].Hydrogeology & Engineering Geology, 2013, 40(4):77-82. (in Chinese)]

[11] 李英, 何忠澤, 嚴桂華,等. 武漢二元結構地層基坑降水及其地面沉降研究[J]. 巖土工程學報, 2012, 34(增刊1):767-772.[LI Y,HE Z Z, YAN G H,etal. Excavation dewatering and ground subsidence in dual structural stratum of Wuhan[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(Sup1):767-772.(in Chinese)]

[12] 熊小鋒, 施小清, 吳劍鋒,等. 彈塑性變形條件下抽水引起的地面沉降三維數值模擬[J]. 水文地質工程地質, 2017, 44(2):151-159.[XIONG X F,SHI X Q,WU J F,etal. 3D numerical simulation of elasto-plastic land subsidence induced by groundwater pumping[J].Hydrogeology & Engineering Geology,2017, 44(2):151-159.(in Chinese)]

[13] 馬鄖. 武漢長江Ⅰ級階地超深基坑支護結構設計參數選取與變形關系研究[D]. 武漢：中國地質大學(武漢), 2014.[MA Y. Research on the relationship between deformation and design parameters for ultra deep foundation pit retaining structure in Wuhan Yangtze river first terrace[D].Wuhan:China University of Geosciences,2014.(in Chinese)]