深基坑内降水及坑外回灌对邻近桩基建筑的影响分析

2020-05-18杨世华

福建建筑 2020年4期

杨世华

(福建省建筑设计研究院有限公司福建福州 350001)

0 引言

城市用地日益紧张，为了开发地下空间，深基坑大量出现，由此带来的岩土工程问题与环境问题日益增多，其中以地下水的影响尤为突出[1]。稍有不慎，即造成涌水、流砂、基坑失稳，危及工程本身的建设与周边环境。目前，地下水控制措施，一般采用止水和降水两种方法[1]。大量工程实践和研究证明，当采用降水措施时，基坑周边的土体及建(构)筑物会发生变形，甚至遭受破坏。为了消除或降低降水对周围环境的影响，通过地下水位回灌技术是一种较为经济、简便的控制措施[2-10]。

本文以某一减压降水深基坑工程为例，通过实测数据分析深基坑减压降水对邻近桩基建筑沉降的影响，探讨承压水含水层回灌对控制影响的作用效果。

1 工程概况

某地铁车站基坑工程位于福州市仓山区螺洲镇环岛路北侧，基坑东西长约470.50m，南北宽约19.5m，开挖深度约17.50m，基坑支护采用地下连续墙+3道内支撑体系，其中，第一道为钢筋砼支撑，第二道、第三道微钢管支撑，地下连续墙宽度0.8m，深度约41m～45m。地下水控制措施，由于东半部含水层厚度较大，地下连续墙未穿过含水层，采用悬挂式止水。基坑东半部北侧为已建3年的别墅小区，别墅地上3～4层、地下1层，框架结构，预应力管桩基础，桩长约30 m，别墅地下室外墙距地铁车站基坑地连墙距离约35m。

1.1 工程地质情况

场地属于冲海积-海陆交互相平原地貌单元，地面高程5.0m～8.0m，场地土层自上而下为：<1-2>杂填土，厚约3.13m；<2-1>黏土，厚1.7m；<2-4-2>淤泥夹砂，厚3.86m；<2-4-4>淤泥夹砂，厚2.87m；<2-5>(含泥)中细砂，厚0.90m～13.90m；<3-1-1>粉质黏土，厚1.20m～7.20m；<3-2-1>中细砂，厚0.8m～6m；<3-7>(含砂)圆砾，厚0.90m～11.70m；<3-8>(含砂)卵石，厚1.60m～8.50m；<4-1-1>粉质黏土，厚0.45m～9.61m；<4-2>中细砂，厚1.0m～10.4m；<4-3-1>(泥质)圆砾，厚1.6m～5.8m；<4-3-2>(含泥)卵石，厚1.2m～9.8m；<6-2>全风化凝灰岩，厚1.0m～5.76m；<7-4>碎块状强风化凝灰岩，厚0.70m～6.15m；<8-2>中风化凝灰岩。地层分布如图1所示。

别墅管桩持力层为<3-7>(含砂)圆砾或<3-8>(含砂)卵石层。

图1 场地典型地质剖面图

1.2 水文地质情况

地铁车站基坑工程场地揭示的地下水，按埋藏条件包含上层滞水和承压水两种类型，其中承压水按赋存介质又可分为孔隙承压水、孔隙裂隙承压水和构造裂隙承压水。

对基坑影响较大的含水层主要为：人工填土中的上层滞水，其透水性中等，水量一般，主要接受大气降水及地表水补给；上部孔隙承压水含水层主要包括：<2-4-4>淤泥夹砂、<2-5>(含泥)中细砂，水位埋深约4m；下部孔隙承压水含水层主要包括： <3-2-1>中细砂、<3-7>(含砂)圆砾、<3-8>(含砂)卵石、4-2>中细砂、<4-3-1>(泥质)圆砾、<4-3-2>(含泥)卵石，水位埋深约5m。主要为中等～强透水层，地下水量丰富，上部和下部含水层之间隔水层局部缺失。故，上下承压含水层水力联系紧密，主要接受地表水和相邻含水层补给，稳定地下水位罗零标高1.89m～2.95m(本文水位标高均指罗零高程)，变幅2.0m～3.0m。

上层滞水水量较小，可采用集水明排，孔隙承压水水量大，对基坑影响很大，基坑开挖揭露上部孔隙含水层，应进行管井疏干降水；下部含水层产生坑底突涌，应进行管井抽水降压。

1.3 邻近桩基建筑变形特征

地铁基坑自东往西分段施工，基坑开挖时，坑内采取疏干排水措施，以保证较为干燥的作业环境；当东半部分基坑开挖深度约10m时，对下部承压水进行坑内降压抽水，下部承压水水头降至12.5m深度，此时坑外地下水位出现明显下降，降深达5m～10m，北侧别墅小区邻近地铁基坑侧约50m范围内，自西向东共5幢建筑地下室及墙面出现裂缝，大于50m范围建筑结构未见明显裂缝，典型裂缝如图2所示。随着地铁基坑开挖深度加大和地下水位的继续下降，裂缝出现不断增大现象。

图2 建筑墙面典型裂缝

1.4 建筑沉降原因分析

基坑开挖过程，对建筑结构沉降进行观测，对建筑裂缝情况进行调查、观测。根据地铁基坑监测，别墅建筑出现不均匀沉降，距基坑支护越近，沉降越严重，出现不均匀沉降，建筑墙面开裂；而地下连续墙位移很小，小于20mm。

考虑到别墅小区基础采用管桩，持力层为(含砂)圆砾或(含砂)卵石层，且基础距地铁基坑地连墙2倍基坑开挖深度以上，显然不是地下连续墙变形引起别墅不均匀沉降，而是由于基坑支护对下部强透水孔隙承压含水采用悬挂式止水。因此当深基坑坑内减压降水时，引起坑外孔隙承压水水头地下水位下降，地下水对土层的浮力减少，土层有效应力增大，周围土体产生固结，土体(包括桩基持力层)出现压缩变形，地面出现沉降，邻近建筑桩基出现负摩阻力(主要由软土、填土固结变形引起)，增大工程桩荷载，引起工程桩沉降，导致建筑沉降，水头位置越低，土骨架有效应力越大，桩基负摩阻力越大，桩端持力层压缩变形越大，建筑沉降越严重。沿垂直基坑支护方向，降低后的水头位置曲线呈漏斗型，水位降深不均匀，建筑桩基出现不均匀沉降，进而导致建筑墙面出现斜裂缝，裂缝与沉降累计变化曲线呈“喇叭口”型。

为了控制建筑变形，应恢复坑外地下水位，采取坑外回灌措施才能实现。因此，在地铁基坑支护和别墅小区地下室之间增设A、B型两种孔隙承压水水位回灌井进行水的回灌，其中A型回灌井进入<4-2>中细砂或<4-3-1>(泥质)圆砾层不少于5m，B型回灌井进入<3-2-1>中细砂层不少于5m，回灌井水头标高均控制在11.0m～13.0m；回灌期间，同时对孔隙承压含水层进行水位观测。观测点平面位置示意图如图3所示。根据观测结果，选择具有代表性区域(A-A’剖面及B-39#楼区域)观测点数据进行分析探讨。

图3 观测点平面位置示意图

2 数据分析探讨

2.1 回灌后地下水位变化规律

在地铁基坑支护结构和别墅小区地下室外墙之间，沿别墅小区地下室外墙附近自东往西增设一排回灌井(距地铁基坑地连墙约27.0m，距别墅小区地下室外墙约7.0m)，共27口，其中，A型回灌井8口，B型回灌井19口，回灌井间距约8.0m。当回灌井全部施工完成开始回灌时，地铁基坑减压降水井分批逐步停泵。自27口回灌井开始回灌至回灌结束，每天地下水回灌量与时间关系曲线如图4所示。B-39#楼附近的A型水位观测点SW1-2#和B型水位观测点SW5#的水位高程与时间关系曲线如图5所示。

分析图4和图5可知： ① 每天地下水回灌量基本上分为3个阶段：第一阶段，回灌量呈减少趋势，并趋于稳定；第二阶段：回灌量迅速减少并趋于稳定；第三阶段：回灌量继续迅速减少并趋于稳定;② 回灌过程中，随每天地下水回灌量的变化，水位观测点SW5# 和SW1-2#的水头位置变化规律基本相似，基本可分为：上升、稳定→下降、稳定→进一步下降、稳定3个阶段； ③ 回灌稳定后，水位观测点SW5#均比SW1-2#的水头位置高。

图4 每天地下水回灌量-时间曲线

图5 水位高程-时间曲线

2.2 建筑结构沉降变化规律

地下水回灌之前，在别墅小区地下室承重柱位置布设建筑结构沉降观测点，主要观测点共7排77点，排间距约6.0m～35.0m，距地铁基坑地连墙约34.0m～151.0m，每排观测点间距约7.0m～12.0m。在前期降水导致建筑沉降的基础上(最大沉降量约80mm)，自开始观测至观测结束，A-A’剖面上建筑结构沉降观测点14#、37#、56#、69#、75#、79#、81#，其沉降累计变化量与时间关系曲线如图6所示，沉降速率与时间关系曲线如图7所示。

分析图6和图7可知： ① 距地铁基坑地连墙≥69m时，建筑结构承重柱几乎不发生沉降；当距地铁基坑地连墙<69m时，距地连墙越近，沉降越严重，回灌结束后各观测点沉降均趋于稳定； ② 整个观测过程中，沉降速率呈减少趋势，最终几乎为零，其中回灌前，刚开始沉降速率减少较快，然后缓慢减少；回灌后第一阶段、第二阶段、第三阶段沉降速率变化规律基本一致，刚开始因承压水头位置降低，沉降速率增大，后随承压水头位置基本稳定，沉降速率逐渐减少。

图6 沉降累计变化量-时间曲线

图7 沉降速率-时间曲线

2.3 建筑裂缝变化情况

建筑结构沉降观测开始时，对距地铁基坑地连墙70m范围内的别墅建筑裂缝情况进行编号、标记、拍照和记录，期间定期进行观测，待沉降观测结束时，进行最后一次拍照和记录。经调查分析发现，别墅小区37#楼距地连墙>50m的建筑结构自始至终均无明显裂缝；距地连墙50m范围内，初次调查时，南北向墙面(垂直地铁基坑)存在典型斜裂缝，裂缝宽度约0.1mm～2.0mm，观测结束调查时，斜裂缝标志点开裂，张开约0.1mm～0.3mm；但总体上裂缝变化较小。

对孔隙承压含水层进行回灌作用后，孔隙承压水水头升高，桩基负摩阻力减少，压缩变形减少，并最终收敛稳定，建筑沉降和裂缝变化得到有效控制。