深基坑降水对地表沉降的影响分析

宋 庆 瑞

(山西省公路局晋中分局，山西 晋中 030600)



深基坑降水对地表沉降的影响分析

宋 庆 瑞

(山西省公路局晋中分局，山西 晋中 030600)

研究了基坑降水引起坑外地表沉降的机理，介绍了常用的基坑降水方式，并对某项目基坑进行了现场变形监测与三维有限元模拟，得出了基坑降水对周边地表沉降影响的一般规律，给出了减小这一影响的具体措施。

基坑降水，地表沉降，变形监测，数值模拟

目前，许多高层建筑及市政工程周边有大量的既有建筑与地铁线路，还包括许多大大小小的管线，这使得基坑工程的设计与施工难度越来越大。在基坑工程施工过程中进行降水必然会引起周边土体应力场以及地下水位的变化，进而使土体产生变形，建筑物沉降，管线变形甚至破坏。因此，对基坑降水引起周边地表沉降的影响规律以及减小沉降的有效措施的研究具有非常重要的意义。

1 基坑降水引起周围地表沉降的机理

随着降水工作的进行，地下水位不断下降，作用于土颗粒上的浮力逐渐减小，从而引起土体的固结、压缩，表现为粘弹性固体降水压密的特性。土体的变形过程分为两个阶段：第一阶段为线性变化过程，随着地下水位的下降，土体中的孔隙水随渗流排出，作用于土骨架上的有效应力不断增加，土体产生固结变形。第二阶段为非线性变化过程，土体的变形主要是土颗粒以及其间孔隙水的粘性流动引起的，在这一过程中，有效应力基本维持在一个固定值，即土体的变形是随有效应力非线性变化的。

土体的变形沉降主要由于以下三个方面：

1)孔隙水压力的减小。随着降水工作的进行，地下水位下降到一定程度后，孔隙中的水压力将发生转移、消散，使得孔隙水压力不断减小，在总压力一定的情况下，作用于土颗粒上的有效应力将不断增大。

2)动水压力的影响。在自然状态下，土体中孔隙水的流动是在较小水力坡度下进行的。降水过程会引起水力坡度的增大，同样，渗透压力也会变大。当地下水自上而下的渗透压力与作用于土体上的浮力的合力大于土颗粒的自重与其间的摩擦力时，土体间将进一步产生压缩变形，在地表表现为沉降。

3)井点的真空作用。井点降水过程中，井点管周围一定范围内的压力将小于大气压力，在压力差的作用下，土体颗粒会被挤向压力较小的地方，从而产生压缩变形。

2 基坑降水方式

1)明沟加集水井降水。该方法为人工排降法，主要应用于地下潜水、施工用水和雨水的排除。在地下水较丰富地区，由于基坑边坡渗水较多，锚喷支护施工困难，因此该法不适合单独应用于高水位基坑降水。

2)轻型井点降水。该方法适用于面积不大、降水深度要求不高的基坑工程，土层渗透系数一般为0.1 m/d～50 m/d。降水深度一般在3 m～6 m之间，若要求降水深度大于6 m，可以采用多级井点系统，但要求基坑周边空间较大，以便于放坡或挖槽。

3)喷射井点降水。喷射井点降水系统能在井点底部产生250 mm水银柱的真空度，其降水深度较大，一般可达到8 m～20 m。该方法适用的土层渗透系数与轻型井点一样，但由于其抽水系统和喷射井管较复杂，运行故障率较高，且能量损耗很大，因此所需费用较高。

4)电渗井点降水。该方法适用于粘土、亚粘土、淤泥和淤泥质粘土等渗透系数小于0.1 m/d的细颗粒土。其一般需要同轻型井点或喷射井点系统共同使用，降水深度取决于轻型井点或喷射井点。

5)管井井点降水。该方法适用于地层渗透系数较大、地下水丰富以及轻型井点无法解决的情形。且其一般用于潜水层降水。

6)深井井点降水。该方法是基坑工程中应用较多的降水方法，它具有排水量大、降水深度大、降水范围大的优点。尤其适用于砂砾层等渗透系数很大且透水层厚度较大的地层，该种情形下，轻型井点和喷射井点的方法均不能使用。

3 工程实例

3.1 工程概况

3.2 变形监测

分别在基坑西侧和换乘节点处布置变形监测点，随着基坑的不断开挖，对连续墙的水平位移、基坑东侧的地表变形的监测数据进行整理，如图1,图2所示。

由图1，图2中可以看出：1)随着开挖深度的不断增加，连续墙的水平位移也在不断增加；2)连续墙水平位移的最大值出现在基坑的下部，大约在20 m～25 m的深度范围内；3)基坑周边地表的沉降随开挖时间的增加而不断增大；随与基坑距离的增加而不断减小。

3.3 数值模拟

对基坑结构建立了相应的三维有限元模型，如图3所示，并对得到的计算数据进行了初步的整理分析。

地面下17.3 m处地连墙变形见图4，地表处地连墙变形见图5。

由数值模拟结果可以得出：基坑的拐角处地下连续墙的水平位移值一般较大；随着与基坑中心距离的不断增加，地表沉降值在逐渐减小。模拟的结果与现场监测值相差不大，可以为实际工程提供一定的指导作用。

4 减小基坑降水对周边地表沉降影响的措施

1)准确预估降水可能引起的不利影响。降水工程是以土体及其间的地下水为研究对象的复杂的岩土工程，必须按照勘察、设计、施工、监测的顺序逐项进行。在前期的勘察与设计过程中，应对周边环境与地层情况进行全面的了解，准确预估降水可能带来的不利影响。在降水的过程中，应进行详细可靠的监测，及时发现并解决问题。2)井点降水与回灌技术相结合的施工工艺。井点降水是在基坑周围布置一系列井点进行降水，以利于基坑开挖工作；而回灌技术是指在对沉降有要求的建筑物(构筑物)一侧，埋设井点管或砂井，人工将水回灌至地下，使原建筑物地下的水位恢复至井点降水前的正常水位，有效避免了降水引起的附加沉降。3)设置止水帷幕。在开挖范围周边一定距离设置一圈止水帷幕，可有效减小降水对帷幕外围底层的影响。常用高压旋喷(或定喷)、深层搅拌、注浆防渗帷幕等方式。竖向止水帷幕最好达到不透水层，从而充分减少降水的影响。当含水层很厚，竖向止水帷幕难以穿透或造价太高时，可在坑底以下设置水平止水帷幕。4)合理布置井点。井点降水过程中，井点底部周围的水位将会呈漏斗状，通过合理的布置降水井点，可以有效地将降水对周边环境的影响降至最小。5)缩短降水时间。一方面，确定能够满足开挖条件之前需要的抽水时间；其次，尽量加快基坑开挖速度；第三，确定停止抽水的时间。降水时间越长、基坑暴露时间越长，对周边地层的影响将会越大。6)减少基坑周围的静、动荷载影响。井点通常布置在基坑附近，在该区域内，降水深度最大，地表的沉降变形也最大。因此，若基坑周围存在堆载或其他活载，势必会增大土体的变形。

5 结语

本文通过现场监测与数值模拟的手段对深基坑降水对周边地表沉降的影响进行了研究，得出了其影响的一般规律，并且给出了减小这一影响的防治措施。该研究结果可以为复杂地层下超深基坑施工中的变形控制提供相应的建议和技术指导，减小基坑开挖产生的位移，提高施工的安全性。

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On influential analysis of dewatering in deep foundation pits on surface settlement

Song Qingrui

(JinzhongBranch,ShanxiRoadBureau,Jinzhong030600,China)

The paper researches the mechanism for the surface settlement out of the pits caused by the dewatering, introduces the common foundation pit’s dewatering approaches, undertakes the site deformation detection and three-dimension simulation, concludes the foundation pit’s dewatering on the general law of the surrounding surface settlement, and provides some measures to reduce the influence.

foundation pit dewatering, surface settlement, deformation detection, numeric simulation

1009-6825(2016)24-0072-02

2016-06-19

宋庆瑞(1978- )，男，工程师

TU463

A