西安地区黄土基坑降水试验及地面沉降分析

卢靖 程彬

(1.中铁二院西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西西安 710054;2.中煤科工集团西安研究院，陕西西安 710054)

0 引言

黄土是一种特殊的区域性土，其柱状节理发育，粉粒吸水性较差，在竖向具有较好的渗透性，地表水能够迅速下渗;但水平方向渗透系数较小，渗透性差，且具有湿陷性、水敏性和结构性等特性［1］。西安地区的黄土更有其显著的代表性。

在基坑工程施工中，经常会遇到需要降低地下水位的情况。降水的设计、施工以及降水所引起的其他岩土工程问题，对基坑工程和周边环境的安全至关重要。以往这一方面的研究主要集中在理论分析和数值模拟计算，且主要针对软土地基。

本研究通过对西安地区黄土场地深基坑降水试验，估计基坑大降深降水时黄土场地的渗透系数和影响半径，研究基坑内水位降深和其引起的地面沉降的变化规律。为西安地区黄土深基坑降水的设计和施工提供依据。

1 工程概况

1.1 试验场地的水文地质与工程地质条件

本场地位于西安市繁华地带，为西安梁洼地貌，主要含水层为中更新统冲积粉质黏土与中粗砂夹层。地下水位埋深6.56 m～7.93 m，含水层平均厚度为28 m。在距地面23 m以下可见2层～4层饱和、密实中粗砂，不均匀分布，夹于粉质黏土中，厚度为0.7 m～7.5 m。场地自上而下的地层分布及主要物理、力学性质见表1。

表1 土层物理力学参数

1.2 降水试验方案及试验目的

结合西安地区黄土地形地貌、场地工程地质、水文地质条件和地区经验，采用管井井点基坑降水。应用干扰井群稳定流理论，获得场地水文地质参数，研究降水过程中水位降深和地面的沉降变化规律。基坑平面为65 m×50 m的近似长方形，降水井井数为11口，观测井1口，观测井结构同降水井，井深均为35 m，井外径800，滤水管内径500，滤水管采用无筋混凝土滤水管，井管外采用天然圆砾填料。井间距约为20 m。该场地降水井、观测井和监测点平面布置见图1。

抽水试验过程中，对每眼抽水井的井内水位和出水量进行观测，同时对各井内水位进行观测，试验前应先抽1 d～2 d，以确保抽水时流量稳定。

图1 降水试验井的平面布置图

2 计算结果与分析

根据降水过程中各井水位的监测结果，可以得到各井的降深与时间的关系，见图2。根据这些试验结果，可进行本场地渗透系数、出水量、降水影响半径的计算。

图2 降深与时间的关系

2.1 渗透系数

渗透系数是基坑降水中最重要的水文地质参数之一，由抽水试验结果可反算渗透系数。根据试验数据，可得降深与时间的关系，见图2。从图2可见，随着时间的增加，各降水井及观测井内水位的降深也随之增加，但其增加的幅度较小，这是由于在开始观测水位变化时，已经开始抽水1 d～2 d，地下水的运动已趋于稳定流状态，这样可以更好的利用稳定流潜水完整井公式计算水文地质参数。

运用1个观测孔的稳定流潜水完整井公式计算土层综合渗透系数 k［2］:

其中，Q为出水量，m3/d;r1，rw分别为抽水孔距观测井的距离和抽水孔半径，m;H为含水层厚度，取28.0 m;S1，Sw分别为观测井和抽水井的井内水位降深，m。

对不同抽水井进行计算，得到渗透系数k值见表2，它反映了黄土、粉质黏土和中粗砂薄层的综合渗透性。

表2 各孔土的渗透系数

从表2可见南边1，8，9，10，11号孔的渗透系数要大于北边2，3，4，6，7号孔。这是由于在场地存在多层中粗砂薄层，且其呈不均匀分布，其南边最大厚度为7.5 m，北边最大厚度0.7 m，且颗粒由南向北逐渐变细。因此，在工程实践中，应根据不同地段选择合适的水泵类型。

2.2 降水影响半径、基坑涌水量［3］

其中，R为基坑降水影响半径，m;r0为基坑等效半径，m;A为基坑面积，m2;S为基坑水位降深，m;渗透系数k取其平均值6 m3/d。

计算得本场地的基坑降水影响半径R=235.899 m;基坑涌水量 Q=3 723.890 m3/d。

2.3 基坑水位降深及沉降分析

通过Fortran语言编制计算程序，运用有限元差分法，计算本场地的降深及地面沉降变化规律。图3，图4分别为基坑中心水位降深为9 m时，场地附近的降深和沉降等值线。

图3 基坑中心水位降深为9m时的降深等值线

离基坑中心越远，等值线就会越来越稀疏，这表明随着距离的增加，水位降深越来越小，最后趋向于零，此时的距离即为影响半径。

图4 基坑中心水位降深为9m时的沉降等值线（单位：m）

对通过监测点1，2，3剖面线的地面沉降可知(见图5)，监测点1，2观测的沉降值较小与计算值基本一致，监测点3观测的沉降值较大，明显要大于计算值，只是由于靠近监测点3附近有一刚竣工的12层办公楼，其地基沉降尚未结束，在水位降低的情况下地面沉降更明显。

图5 基坑中心水位降深为9m时的沉降曲线

3 结语

通过对西安黄土梁洼地区的降水试验，计算和分析了该场地的水位降深和地面沉降变化规律，得到以下结论:

1)抽水试验中，利用稳定流计算水文地质参数快捷方便，但要注意抽水时间要足够使地下水达到稳定流的状态，这样计算的结果才真实可靠。

2)西安黄土梁洼地区土层的综合渗透系数为4 m3/d～10 m3/d，影响半径为 235.9 m，基坑涌水量为 3 723.890 m3/d。

3)黄土地区的基坑降水对周围环境影响较大，尤其是对附近有新竣工的建筑物的影响。在基坑开挖和降水的过程中，应加强对附近建筑物的监测，如有异常情况，则应采取相应的工程措施，确保安全。

［1］ 柳利丽，胡长明，梅 源.黄土地区地铁车站深基坑降水设计与施工［J］.建筑技术，2012，43(1):55-57.

［2］ 冯志焱，刘 林.黄土场地基坑大降深降水试验研究［J］.西北农林科技大学学报(自然科学版)，2010，38(9):192-198.

［3］ JGJ 120-99，建筑基坑支护技术规程［S］.