基坑开挖过程中水位下降对周边建筑物沉降的影响分析

李

(浙江科欣工程设计咨询有限公司,浙江 杭州 310015)

1 问题的提出

在水利工程、交通工程以及工业与民用建筑建设过程中,基坑围护工程及周边建筑物的安全正越来越受到参建各方的重视,其中基坑对周边建筑物安全的影响主要来自其开挖过程中给周边建筑物产生的附加沉降,过大的沉降可能导致周边建筑物的倾斜、甚至产生裂缝,轻则影响建筑物的使用功能,严重的可能导致周边建筑物的报废[1]。为此,本文结合工程实例,重点分析了不同地层条件下基坑开挖过程中地下水位下降的规律、地下水位下降对周边建筑物产生附加沉降的计算方法、以及基坑四周地下水位监测的注意事项等[2]。

2 地下水位下降对周边建筑物产生附加沉降的原因及计算方法

2.1 产生附加沉降的原因

对于基坑周边的建筑物来说,水位下降也就意味着会在地基中产生一个附加应力,这个附加应力就会在地基中产生附加的沉降[3]。

2.2 附加沉降的计算方法

附加沉降可以根据分层总和法进行计算[4],即:

式中:S为地基由于地下水位下降引起的沉降量,m;α为土的压缩系数,MPa-1;e0为土层的原始孔隙比;h为土层高度,m;ES为土层压缩模量,MPa;ESi为基础底面下第i土层的压缩模量,MPa;Δ p为地下水位下降施加于土层的平均压力,MPa。

2.3 离开基坑L距离处的地下水位

基坑周边的地下水位可以根据下面的渗流抛物线公式计算[5],示意图见图1。

式中:q为渗入基坑的单宽渗流量,m3/(s·m);L为离开基坑的距离,m;h为基坑壁的地下水位,m;H为离开基坑L距离处的地下水位,m。

3 工程实例分析

3.1 实例 1

某建筑基坑,最大挖深为10.0 m,地下水位位于地表下1.5 m,基坑周边土层分布见表1,基坑周边地下水位降落示意见图1。

表1 实例1工程基坑周边土层分布表

图1 某建筑基坑周边地下水位降落示意图

根据实测结果,基坑开挖完成时,基坑外壁实测地下水位下降了3.00 m,实测基坑纵向每米渗流量 q=1×10-5m3/(s·m),则离开基坑壁不同距离L的地下水位H按式(3)计算,结果见表2。

表2 某建筑基坑离基坑壁不同距离的地下水位表m

在离开基坑壁22.5～34.0 m位置有1幢民用住宅,它采用条形基础,根据表1的计算结果,基础位置的地下水位下降幅度0.27～0.00 m,下降幅度很小 (见图1)。假如按下降幅度0.25 m计算,根据公式(1)和 (2)计算该住宅会产生2.0 cm的附加沉降量 (见表3)。

表3 某建筑基坑周边建筑物受地下水位下降影响的沉降量表

该基坑自2011年2月2日开挖,2011年7月1日完成,历时近5个月,周边建筑物实测沉降过程线见图3。至开挖完成,实测该住宅在施工期产生的累计沉降仅8.0 mm,因此该工程在基坑开挖过程对住宅的影响很小,对它的安全没有明显影响。

3.2 实例2

某水利水运工程,与实例1位于同一城市,二者相距仅3 km,基坑最大挖深为9.8 m,地下水位位于地表下1.5 m,基坑周边土层分布见表4,坑周边地下水位降落示意见图2。

表4 实例2工程基坑周边土层分布表

图2 某水利水运工程基坑周边地下水位降落示意图

根据实测结果,基坑开挖完成时,基坑外壁实测地下水位下降了 3.0 m,实测基坑纵向渗流量 q=1×10-5m3/(s·m)。离开基坑壁不同距离 L的地下水位H按式(3)计算,结果见表5。

表5 某水利水运工程基坑离基坑壁不同距离的地下水位表 m

在离开基坑壁30～40 m位置有1幢民用住宅,它同样采用条形基础,根据表3的计算结果,基础位置的地下水位下降幅度2.83～2.87 m,虽然该建筑物离基坑距离已经有30多米,但地下水位下降幅度仍很大。假如按下降幅度2.85 m计算,根据公式 (1)和 (2)计算,该住宅会产生23.75 cm的附加沉降量(见表6)。

表6 某水利水运工程基坑周边建筑物受地下水位下降影响的沉降量表

续表6

该基坑自2011年1月1日开挖,2011年8月7日完成,周边建筑物实测沉降过程线见图3。根据现场沉降观测,实测该住宅在施工期产生的沉降为18.70 cm,房屋四周出现了几条明显的裂缝。

图3 2个工程的实测周边建筑沉降过程线图

3.3 对比分析

基坑周边的地下水位下降幅度和影响范围受到很多因素的影响,首先是渗水量,对于任何围护结构,由于施工的原因,或多或少都存在渗入基坑的渗水量。如果单位时间的渗水量Q越大,则基坑周边地下水位下降幅度就大;其次是土层的土性,从本文的2个工程实例可以看出,在基坑壁水位同等下降幅度的条件下,其地下水位下降的影响范围差别很大;还有影响因素有施工期的降雨量,根据工程实践,降雨对地下水位也有明显影响[6]。

基坑周边建筑物由于基坑开挖会产生附加沉降,它的影响因素来自2个方面,第1个因素是地基土的侧向变形,在基坑开挖过程中,基坑壁附近土体随围护结构产生面向基坑的水平位移,随之引起地基沉降;第2个影响因素是地下水位下降,它会在地基土中产生附加应力,继而产生附加沉降。由于本文的工程实例其周边建筑离开基坑壁距离较远,地基侧向变形的影响可以忽略不计,因此主要考虑了地下水位下降产生的附加沉降。由于2个工程土性的差别,地下水位下降影响范围差别很大,实测沉降量一个仅8.0mm,另一个则下降了187.0 mm。

从沉降量的理论计算和实测结果来看,由于理论计算是最终沉降量,没有考虑到固结度的影响,且由于基坑从开挖到回填的时间较短,因此实测沉降量明显小于理论计算值。从工程实例2来看,理论计算沉降量是237.5 mm,实测沉降是187.0 mm。

4 结 论

从以上2个工程实例的计算和观测结果分析来看,可以得出以下几点结论:

(1)同样的基坑开挖深度对周边地下水位的影响明显不同,尤其土层的性质,黏土层影响范围小,砂土层影响范围大,具体影响范围可以根据土层的渗透系数和基坑的渗流量进行分析计算。

(2)由于基坑开挖对地下水位的影响不同,因此对周边建筑物的影响也不同,由地下水位变化对周边建筑物产生的附加沉降差别也很大。为此,基坑围护设计应加强这方面的分析工作。

(3)在工程监测实践中,过去比较重视基坑壁周边的水位监测,容易忽视周边建筑物的地下水位监测,考虑到地下水位影响范围的差别,基坑监测设计可考虑在周边建筑物四周布置水位观测孔,以利于加强对周边建筑物影响的监控[7]。

(4)水位监测报警指标要辩证分析。按现行监测规范规定一般地下水位下降累计值超过1.00～2.00 m时要报警。根据本文分析,对于不同土层来说,地下水位影响范围差别很大,因此是否威胁周边工程的安全要具体情况具体分析,如果盲目停工会造成不必要的工期延误。

[1]李涛.某高层基坑工程对相邻建筑物的影响分析[J].低温建筑技术,2013(6):130-131.

[2]韩杰浩.基坑开挖对周边建筑结构影响及破坏机理分析[J].山西建筑,2013(9):61-62.

[3]刘文清.最新水利水电工程一级施工实用技术和管理 [M].长春:吉林人民出版社,2001.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50007—2011建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[5]王建华,徐中华,陈锦剑,等.上海软土地区深基坑连续墙的变形特性浅析 [J].地下空间与工程学报,2005(4):485-489.

[6]杨国春,裴向军,阮文军.深基坑开挖中的化学注浆处理涌砂涌水 [J].探矿工程,2001(1):29-30.

[7]庞宝根.深基坑围护体发生流砂的抢救[J].施工技术,2000(10):15-16.