地下降水对周围环境的影响分析

邓友生, 姚志强

(1 湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068；2 四平市房屋建筑有限公司, 吉林 四平 136000)



地下降水对周围环境的影响分析

邓友生1, 姚志强2

(1 湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068；2 四平市房屋建筑有限公司, 吉林 四平 136000)

基坑工程中地下降水引起周围土体地下水位的变化和应力场的改变，致使周围土体发生不均匀沉降等严重后果。通过研究降低地下水位对周围地层移动影响机理，阐明地下降水与地面沉降两者相互影响，存在耦合效应。最后，根据比奥固结经典理论，建立较符合实际条件的地下水渗流场与应力场三维耦合数学模型。该模型较好地考虑了土体力学、土体水力学参数，真实地反映实际工程情况，故对工程实践具有参考作用。

地下降水； 沉降机理； 计算模型

随着越来越多地下空间被开发和利用。基坑工程朝着更深、更大的方向发展，但新的问题也随之出现，如何科学合理、安全环保、有效利用地下空间资源变得很重要。

基坑土体开挖过程中，土体原有的应力平衡状态受到破坏，引起周边地面沉降。同时，由于地下水存在，基坑降水会降低周边地区地下水位，引起周边地面沉降[1]。调查数据显示，我国因地下降水处理不当而导致的基坑事故，大约占21%～25%。过量降低水位或抽水时携带大量泥砂，地面及邻近建筑物发生不均匀沉降，导致周围道路或地下管线等设施发生倾斜，甚至断裂。

要保证基坑工程结构本身和周围环境的稳定、安全，避免发生经济财产损失，就必须对基坑工程水文地质情况作出正确的分析。能否按照行业规范标准将水位降至基坑底0.5 m以下，且不对周围建筑物构成威胁，地下降水方案设计是关键。地下降水的处理对施工进度、成本及安全有着重大影响，也是基坑工程能否顺利完成的关键。

1　研究动态

国内外学者对地下降水与地面沉降理论的研究不断深入。从目前的研究现状来看，我国的理论研究较落后，理论层面上的总结和分析还不够系统，需要完善。借鉴国外先进理论研究成果，结合我国具体国情，开展有针对性理论研究有着重大意义。

关于地下水渗流与地面沉降的计算模型理论研究，学者普遍认可的是根据Terzaghi有效应力原理建立的地下水三维渗流与一维垂向固结沉降的耦合模型。骆祖江等提出的根据比奥固结理论，充分考虑到土体非线性性质和土力学、土体水力学参数随渗流场和应力场的变化而改变的特点，建立比较符合工程实际条件的地下水渗流与地面沉降三维耦合计算模型[2,3]。金玮泽等在比奥固结理论的基础上，通过地下水渗流场与应力场三维耦合模型, 结合工程实例，得出耦合模型计算出的结果与实际工程情况相互吻合的结论[4]。木林隆等提出反分析方法，克服以往计算模型参数选取的难题，可准确计算基坑开挖引起周围土体的位移变化量。并根据大量实测数据，验证了该方法的合理性。又总结出基坑周围土体三维位移场的衰减规律，提出了基坑周边土体三维位移场的简化计算方法[5,6]。冯晓腊等研究在深基坑降水数值模拟计算中应用三维水-土耦合模型，模拟出基坑降水中渗流、非均质和各向异性等解析方法中很难解决的实际工程条件[7]。刘秀婷等在基坑降水设计和施工中，采用有限单元数值模拟及有关计算方法，通过实时控制，准确、快捷地进行基坑地下降水超前模拟计算，保证了基坑工程施工安全[8]。

Bransby和ThomasD.O’Rourke研究认为，基坑墙后土体发生位移时，会形成破裂面，具有整体性的特点，往往位移很大，应变却很小，该处发生地面沉降现象。闫金凤等通过应用FLAC3D数值模拟研究，深入分析孔隙水压力与土体变形两者耦合作用，总结出基坑降水过程中地面沉降量和坑底隆起量的变化规律[9]。王蓉琳等认为水文地质条件复杂或特大型深基坑工程应建立三维渗流数值模型，运用数值模拟。并以某大桥锚碇基坑工程为例，优化降水井点布设方案，并取得较好效果[10]。王卫东等以我国上海地区大量深基坑实测数据为基础，提出基坑开挖对周边建筑物影响的简化分析方法及预算基坑开挖引起周围建筑物附加沉降变形的计算方法，并验证了其合理性[11]。

2　基坑周围地层沉降机理

通常，土体是由颗粒、水和气体三相组成，一般认为土体变形是孔隙水排出、气体体积减小和土体骨架发生错动等原因造成的。在饱和土中，孔隙水压缩量较小，往往孔隙水排出引起土体中孔隙体积的变化。对于非饱和土，与饱和度也有关[12]。基坑开挖和基坑降水是引起地面沉降、变形的两大主要原因。引起基坑周围地层移动与坑底土体的隆起和围护墙的变形有着很大的关系，具体分析如下：

1) 坑底沉降

基坑土体开挖实质是卸荷的过程，破坏原始应力平衡状态。导致坑底土体产生以垂直向上为主的位移，出现弹性隆起现象，坑底中心位置处隆起量最大。且随土体开挖停止，隆起现象也随即消失，此时坑底隆起基本不会引起周围土体的沉降。但是，当土体开挖达到一定深度时，坑内与坑外地面高差不断增大，在坑底处形成局部塑性区，周围土体中形成较大塑性区，引起周围土体发生不均匀沉降[13]。

2) 围护墙变形

这是引起周围土体沉降的重要原因，基坑土体开挖后，由于卸荷作用，墙内侧形成被动土压力，墙外侧则受到主动土压力。围护墙两侧形成很大的土压力差，在实际工程中，施工工艺往往是先开挖土体后施工支护结构，这也就导致主动土压力区范围内土体早已向坑内侧发生水平位移移动。墙外侧土体水平应力不断减小，而塑性区不断扩大，墙体主动压力区和被动压力区范围内土体均发生了位移[14]。

通常，基坑降水有两条途径，即基坑外降水和基坑内降水，如设计或施工不当，都会引起周围地下管线、道路及建筑物产生不均匀沉降。通常，在含水层中，土颗粒本身具有很高强度，并且土颗粒四周的水均带有压力。当地下水位降低较小时，调整砂粒之间的位置是很难的，压缩量极小，整体很快处于稳定状态。但是，粘性土层符合太沙基一维固结理论，随着孔隙水的排出，土体产生压缩沉降[15]。地下降水对环境影响如下：

1) 地下水位的降低，导致孔隙水从土体中排出或抽水时带出细小土颗粒(砂)，土体压密。使得土颗粒位置重新排列组合，导致孔隙水压力降低，有效应力增加。最终，地面发生不均匀沉降。

2) 在坑内降水过程中，由于坑内外形成水头差，受到动水压力作用，土体结构变得松动并被破坏，坑内出现土体流失现象，基坑坍塌。

3) 坑底面有承压水层或坑内外水头差较大时，如承压水层压力大于坑底土体浮重力，便可形成“管涌”、“流砂”等现象，支护结构底端向坑内倾斜，坡面土体下滑，间接形成地面沉降[16]。

3　计算模型

在基坑降水施工整个过程中，存在着地下水渗流场、地面沉降位移场耦合效应。太沙基固结理论有着很大的局限，它是假定土体固结过程中总应力分布不断变化，但这与工程实际情况相反。太沙基固结理论只有在一维计算方面是精确地，但就二维、三维计算而言，是不精确的，比奥(Biot)从连续介质的基本方程出发，考虑到位移与孔压相互耦合，推导出三维固结方程(真三维固结理论)[4,17]。同时，注意区分太沙基固结三维方程称为拟三维(准三维)固结方程。比奥固结理论方程的求解很复杂，但应用于有限元计算中得到了很好的发挥。

3.1平衡方程

假定均质、各向同性的饱和土单元体，只考虑土体(含孔隙水)重力，则三维平衡微分方程为

(1)

εx、εy、εz、us、vs、ws分别为x,y,z坐标向上为正，压力为正, γ为土的重度

3.2有效应力原理

由有效应力原理可知，有效应力σ′与孔隙压力pw之和即为总应力，静水压力与超静水压力u之和则是孔隙压力，即

(2)

将式(2)代入式 (1)，得

(3)

3.3本构方程

假设土骨架作为线弹性体，服从广义胡克(Hooke)定律，采用应变来表达应力，则有

(4)

G、v分别为剪切模量和泊松比，εv为体应变，且εv=εx+εy+εz

3.4几何方程

假定条件为小变形，用位移表示应变，则6个应变分量分别为

(5)

εx、εy、εy、us、vs、ws分别为x、y、z方向上的正应变、位移。

3.5固结微分方程

将式(4)、(5)代入式(1)，得到用位移和孔隙水压力表示的平衡微分方程，为

(6)

式(6)中的三个方程中有四个未知量，但另加一个方程，便可求解。通常，就饱和土而言，土体单元含水量的变化率等于土体积的变化率(水不可压缩)，由达西(Darcy)定律推导：

用位移表示得

(7)

K为渗流系数，YW为水的容重。式(6)、(7)联立得

(8)

u、us、vs、ws是坐标x、y、z和时间的函数。

最终，式(8)便是比奥固结方程，4个偏微分方程组成，含有4个未知量，可解，它是反映地面沉降变形与地下水渗流的耦合(流固耦合)。

4　结语

地下降水如何引起地面沉降的过程是很复杂的，其引发基坑周围土体内地下水位和应力场的改变，诱使地面不均匀沉降，导致地下管线、道路及周围建筑物不同程度的破坏，甚至出现重大工程事故。因此，探讨地下降水对周围环境影响的相关理论研究具有重要的意义。根据比奥固结理论，建立地下水渗流场与应力场三维耦合模型，则考虑了土体的非线性性质及土体固结变形过程中土体力学、土体水力学参数。较好地反应工程实际情况，取得理想效果。

从设计和施工人员角度出发，依据工程详细的水文地质资料，准确运用地下降水引起周围地面沉降计算模型，根据分析结果，优化设计、施工方案，确保地下管线、道路及周围土体的沉降不超过事先模拟允许的沉降量。通过采取一系列有效防治措施，确保地下降水不会对周围环境产生深远影响。

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[责任编校： 张岩芳]

An Analysis of the Influence of Foundation Excavation Dewatering on the Surrounding Environment

DENG Yousheng1, YAO Zhiqiang2

(1SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 2SipingMunicipalHousingConstructionCo.,LTD,Siping, 136000,China)

Excavation dewatering causes the changes of the underground water level and the stress field in the surrounding soil, resulting in serious consequences such as uneven settlement of soil. The present study, through studying the mechanism of lowering underground water level on the surrounding soil movement aimed to show the coupled reaction that excavation dewatering and ground subsidence influenced each other. At last, according to Biot consolidation theory, the 3D coupling mathematical model of groundwater seepage field and stress field was established. The model could better consider the parameters of soil mechanics, soil hydraulics parameters, and reflect the actual situation in real engineering. Therefore, it could serve as a reference for engineering practice.

excavation dewatering; settlement mechanism; calculation model

2015-09-26

国家自然科学基金资助(51378182)

邓友生(1969-)， 男， 湖南郴州人，博士后，湖北工业 大学教授，研究方向为桥梁基础，基坑工程

1003-4684(2016)04-0097-04

TU94

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