某深基坑降水对周边建筑环境的影响分析

周　勇,祁彦龙(1．兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃兰州　730050; 2．兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州　730050)

某深基坑降水对周边建筑环境的影响分析

周勇1,2,祁彦龙1,2
(1．兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室,甘肃兰州730050; 2．兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州730050)

以兰州市某基坑工程为实例,研究了基坑降水对其周围地表及建筑物沉降的影响和变化规律.通过现场监测数据与ADNIA有限元模拟软件对其变化过程进行了分析.结果表明基坑降水引起建筑物周围及下方土体发生固结变形,最终导致建筑物发生不均匀沉降,并在实测与模拟的基础上提出了深基坑降水应注意的问题及应该采取的施工措施.

深基坑;降水;地面沉降;环境影响

引用格式:Zhou Yong,Qi Yanlong．Impact Analysis of Deep Foundation Pit Dewatering on Surrounded Building Environment[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):58G61．[周勇,祁彦龙．某深基坑降水对周边建筑环境的影响分析[J]．甘肃科学学报,2016,28(2):58G61．]

随着城市化的发展,高层建筑日益增多,出现了越来越多的深基坑工程.当地下水位埋深较浅时,为方便施工,降水是必要工作,现在的深基坑设计和施工控制重点不仅在于保证其强度、稳定性,还要控制对周围环境的影响[1].盲目降水势必造成周围建筑的不均匀沉降、开裂甚至破坏.在实际工程中,由于降水不慎造成支护工程的失败或造成周边严重的环境问题的实例屡见不鲜.另外,现场监测也是控制基坑降水的重要措施,适时监测周边建筑物的沉降,根据其发展趋势及时调整基坑施工方案,采取必要措施加固已有建筑,是很必要的[2].

1　工程概况

1．1基坑工程概况

兰州市某深基坑工程,基坑深度10．7 m,基坑长71．8 m,宽29．1 m,场地北侧为一栋6层砖混住宅楼,距基坑边约9 m,南侧为一栋8层住宅楼,距基坑边约11 m,东侧紧邻市区主干道,西侧为锅炉房,距基坑较远.根据现场情况,无放坡尺寸,为了保证基坑安全采用排桩加预应力锚杆进行支护,采用管井井点降水,降水井深15 m.

1．2场地岩土工程条件

根据场地的岩土工程勘察报告,在勘察深度内的地层为填土、黄土状粉土层、卵石层、强风化砂岩层.各土层的物理力学指标如表1所列.

表1　土的物理力学指标Table 1　Soil physicoGmechanical index

1．3基坑工程降水设计

该场地水位埋深7．10~9．10 m,而建筑物基础埋置深度为10．7 m,低于水位2 m左右,必须采取降水措施,才能进行基础施工.

(1)井管埋深Hw为了保证施工质量,基坑降水必须穿透卵石层,按潜水完整井计算,埋置深度须满足[3,4]

其中:Hw为降水井深度(m);h1为基坑深度,10．7 m(降水井在坑顶);h2为降水水位距基坑底深度,2．6 m;i为水力坡度;h3为降水期间的地下水位变幅,1．5 m;h4为过滤器工作长度,1．0 m;h5为沉砂管长度,2．5 m.经计算,降水井深度为14．33 m,取为15．0 m.

(2)出水量Q出水量Q按大井法计算得[3,4]

其中:Q为基坑出水量(m3/d);K为渗透系数,取50 m/d;H为含水层厚度,对完整井H应换成有效带深度H0,为4．44 m;R为降水影响半径;r0为基坑等效半径.将以上各数值代入式(2)可求得基坑出水量Q为2 152 m3/d.

(3)单井出水量单井出水量计算公式为[3,4]

(4)降水井布置n＝1．1Q/q＝1．1× 2 152/208＝11．38,设n＝11,在基坑内布设11眼降水井,井间距20．0 m,井径300 mm.降水井布置如图1所示.

图1　基坑周边建筑物分布及降水井布置Fig．1　Building distribution of foundation pit surroundings and arrangement diagram of dewatering well

2　实测沉降与数值模拟分析

图2　基坑周边建筑物沉降观测点布置Fig．2　Arrangement diagram of building settlement observation point of foundation pit surroundings

图3　6F住宅楼沉降观测曲线Fig．3　Observation curve of sedimentation of 6F residential buildings

图4　8F住宅楼沉降观测曲线Fig．4　Observation curve of sedimentation of 8F residential buildings

2．3有限元软件模拟

运用ADINA软件对以上工程进行数值模拟,并与实测数据进行对比验证[6].建立的模型见图5.提取6F、8F住宅楼相对应的数据,并绘制模拟沉降曲线,如图6、图7所示.

2．1监测点布置情况

为了确保基坑周边建筑物的安全,及时准确地掌握降水过程中周围建筑物的变形动态,在基坑南北侧两栋住宅楼各布置5个沉降观测点,现场监测采用定时观测与跟踪观察相结合的方法进行,监测频率可根据监测数据变化程度进行适当调整[5],具体布置见图2.

2．2沉降观测结果

沉降观测同工程施工同时进行,观测时间自2013年6月26日开始至2014年6月5日为止,共观测23次,各楼不同阶段的沉降观测值分别如图3、图4所示.

图5　三维计算模型Fig．5　3D calculation model

图6　6F住宅楼模拟沉降曲线Fig．6　Simulated settlement curve of 6F residential buildings

图7　8F住宅楼模拟沉降曲线Fig．7　Simulated settlement curve of 8F residential buildings

从模拟结果及沉降观测的数值来看,基坑附近建筑物沉降量随着降水深度的加深而增大,同一建筑物上不同点处的沉降变化规律相似,但不尽相同.有限元模拟沉降的变化趋势与实测沉降的变化趋势基本相同,实测值与模拟值相差不大.通过分析对比观测与数值模拟结果,发现6F住宅楼自2013年 10月沉降趋于稳定,最大沉降量为6．6 mm,8F住宅楼自2013年11月沉降才趋于稳定,最大沉降量为10．4 mm,两栋住宅楼结构形式及与基坑的距离基本相近,但沉降量相差较大,原因是在基坑开挖过程中,基坑南侧部分出现强风化砂岩层,致使南侧基坑降水达不到施工要求,在处理该处地层时造成了支护结构变形.为了保证基坑及周边建筑安全,经专家论证将此部分砂岩下挖两米用砂石骨料回填处理后再进行底板浇筑,后经监测基坑南侧8F住宅楼沉降趋于稳定,作用效果明显.

2．4降水造成地面沉降的估算

在井点降水无大量细颗粒随地下水被抽走的情况下,周围地面所产生的沉降量可用目前工程中常用的基于沉降实测资料的沉降计算方法进行预测,如三角形法、指数法和抛物线法等,这些方法已编制成相应的计算机程序,可方便地进行工程中常用的各类曲线的拟合.研究运用理正深基坑支护软件,根据工程地质、支护及降水的各项参数条件拟合出基坑地表沉降预测曲线,如图8所示.

图8　地表沉降预测曲线Fig．8　Prediction curve of surface settlement

由图8可以看出,三角形法、指数法和抛物线法预计地表最大沉降量分别为24 mm、36 mm、18 mm.实测建筑物各点最大沉降量为10．4 mm,模拟建筑物各点的最大沉降为8．19 mm,均小于地表沉降估算的最大沉降量,表明建筑物及周边环境是安全的.

3　周边建筑物沉降原因分析

一般而言,基坑施工对周边环境产生影响主要是由基坑开挖与降水引起的,一方面是基坑本身的变形引起坑外土体沉降,从而引起房屋沉降或路面开裂;另一方面是坑内降水引起坑外地下水位下降,从而引起坑外土体固结,导致地面沉降.

基坑外地表最大沉降按现行国家标准«建筑地基基础设计规范»[7]中基坑变形设计控制指标规定计算,即此基坑坑外地表最大沉降为0．25%H,计算结果为26．75 mm.由沉降观测曲线和沉降模拟曲线可以看出,基坑外地表沉降均小于最大沉降.6F居民住宅楼距离基坑约9 m,8F住宅楼距离基坑约11 m,两栋居民住宅楼距离基坑很近,主要受基坑开挖变形和基坑内降水影响,由于基坑使用排桩加预应力锚杆的结构进行支护,基坑周边环境由基坑开挖引起的变形较小,在保证支护结构不变形的情况下,居民住宅楼的沉降主要由深基坑降水引起.基坑降水,使建筑物周围及下方土体发生固结变形,导致建筑物发生不均匀沉降变形.随着基坑降水的加深,建筑物的沉降监测数值也逐渐增大,直到基坑底板浇筑完成,沉降值趋于稳定.

4　结论与建议

通过对该工程的设计、全程施工配合及监测结果分析,主要结论及建议如下:

(1)基坑附近建筑物沉降量随着降水深度的加深而增大,由于基坑降水导致土层固结挤密和土体颗粒流失,进而引起建筑物不均匀沉降,另外,随着时间的变化,同一栋建筑物上不同点处的沉降变化规律相似,但不尽相同;

(2)严格控制降排水.基坑进行坑内降水的时候,要重视降排水的效果,应时刻关注坑外的地下水位情况,分析坑内外的地下水联系情况及地下水位下降与建筑物沉降关系,便于采取有效措施;

(3)做好应急预案.针对工程中可能出现的各种情况提前做好准备措施,在深基坑开挖过程中遇有强风化砂岩层时,可采用砂石骨料回填处理后再进行底板浇筑,此方法作用效果明显,但费用开支较大;

(4)建议在基坑降水前对周边环境做好调查,对将会引起沉降的建筑物进行分析计算,做到实时预测,以采取合理的支护结构和降水形式等;

(5)及时封闭底板对控制周边建筑物沉降效果显著.因此,建议在类似工程情况下合理组织工序,投入足够的设备、机具,争取早日封闭底板.

[1]邱玉,魏焕卫,蒋洪胜．基坑降水对周边建筑物影响的实测与理论分析[J]．山东建筑大学学报,2012,27(4):435G439．

[2]陈永才,李镜培,邸国恩,等．某深基坑降水对周边环境影响的分析及处理措施[J]．岩土工程学报,2008,30(S1):319G322．

[3]施成华,彭立敏．基坑开挖及降水引起的地表沉降预测[J]．土木工程学报,2006,39(5):117G121．

[4]吴玮江,贺斌英．兰州某市政工程基坑降水设计[J]．甘肃科学学报,2003,15(S1):186G188．

[5]张勇,赵云云．基坑降水引起地面沉降的实时预测[J]．岩土力学,2008,29(6):1 593G1 596．

[6]赵金亮,王安华,韩圣钱．基坑开挖降水的三维有限元模拟分析[J]．科技咨询导报,2007,25(4):162G164．

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部．GB50007G2011建筑地基基础设计规范[S]．北京:中国建筑工业出版社,2011．

[8]王文峰．对基坑降水引起周围建筑物沉降的预测及其防治措施[J]．铁道勘察,2013,38(4):48G50．

Impact Analysis of Deep Foundation Pit Dewatering on Surrounded Building Environment

Zhou Yong1,2,Qi Yanlong1,2
(1．Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province, Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 2．Western Engineering Research Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

By taking a foundation pit engineering of Lanzhou city as practical examples,the influence and change rules of foundation pit dewatering on its surrounded earth surface and building settlement are studG ied．The analysis of change process of the onGsite monitoring data by using ADNIA finite element model software indicates that foundation pit dewatering causes soil consolidation and deformation in building surG roundings and below building,which leads differential settlement in buildings．Based on the actual measureG ment and simulation,the problems needing attention,and construction measurement supposed to be adoptG ed of foundation pit dewatering are proposed．

Foundation pit;Dewatering;Land settlement;Environmental influence

TU46＋3

A

1004G0366(2016)02G0058G04

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．013．

2015G03G12;

2015G04G27．

甘肃省自然科学基金项目(1208RJZA158);甘肃省高等学校基本科研业务费项目;兰州理工大学红柳青年教师培养计划(Q201108)．

周勇(1978G),男,湖北宣恩人,博士,教授,硕士生导师,国家一级注册结构工程师,研究方向为深基坑开挖支护和边坡加固．EGmail:gsutzhouy＠163．com．