基坑降水對周邊建筑物影響淺談

付 麗 李晶巖

1 概述

進入21世紀，我國的城市建設發展迅速，城市的規模以及人口都有了巨大的增長。同時作為城市化的產物之一高層建筑不僅在數量上越來越多，而且在高度上也越來越高，基坑的面積和深度也向大而深的方向發展，而在地下水位高的地區，工人需要干燥的工作環境，其施工過程中必須降水。

有效降水可以給施工人員提供干燥工作面，避免水下作業，使基坑施工能在水位以上進行，為施工人員提供操作可能性，也有利于提高施工質量。消除及減少作用在邊坡或坑壁圍護結構上的靜水壓力與滲透壓力，提高邊坡或圍護結構的穩定性。防止地下水因滲流而產生流砂、管涌等破壞作用。

但降水也有不利作用，對鄰近環境有不良影響，主要是隨著地下水位的降低，在水位下降的漏斗范圍內，土體的自重將增大，這樣在降水水位影響范圍的地面，包括建(構)筑物就會產生附加沉降，該附加沉降在上部結構中再次產生附加應力增量，該結構內力大于結構的抗力時，上部結構發生開裂，對鄰近環境總是會有或大或小的影響，如果不認真對待，就會造成嚴重的后果。

本文以實際深基坑降水工程為依托，研究鄰近基坑降水引起的地面沉降對建筑物的影響。

2 降水引起沉降機理方程建立

測壓管水頭為:

其中，z為某點相對于任意選定的基準面的高度，稱為位置水頭，m;p為某點的水壓力，在土力學中稱為孔隙水壓力，Pa;γw為水的容重，N/m3;為某點孔隙水壓力的水柱高度，稱為壓力水頭，m;總水頭為測壓水頭和流速水頭之和，即:

其中，vw為某點處的滲流速度，m/s;為流速水頭，m。

由于土中滲流阻力較大，地下水的運動很緩慢，流速水頭很小，可以忽略不計。因此在滲流計算中，可以認為總水頭h等于測壓管水頭hn，即:

根據有效應力原理，某點處豎向有效應力σ'應為:

滲流的連續性方程:

滲流基本微分方程:

3 模型建立

地質條件:根據勘察設計院提供的地質資料，勘察期間場區地下水位:初見水位為-6.6 m～-7.2 m，靜止水位為-6.6 m～-7.2 m，其穩定水位基本判定在-6.6 m，考慮到水位上漲等因素，地下靜止水位按-6.0 m作為本工程的靜止水位。擬建工程基底埋深9.0 m(自然地面起算)，為保證在基礎開挖及基礎施工過程中正常施工，并考慮降水液面與基礎最低點的安全距離為0.5 m，故其地下水位必須降至-9.5 m(自然地面起算)以下。

①雜填土:含碎石、灰渣、砂土建筑垃圾和生活垃圾，層底埋深2.0 m～3.6 m。②粉質粘土:黃褐色，飽和、流塑，中～高壓縮性，層底埋深5.6m～6.8m，層厚3.5m～4.6m。③粘土、粉質粘土:黑褐色～黃褐色，可塑，中壓縮性，層底埋深2.5 m～7.4 m。④粉質粘土:灰褐色，軟塑，流塑，中～高壓縮性，層底埋深4.7 m～8.2 m。⑤粉砂:黃色～灰色，可塑，稍密，濕～飽和，層底埋深7.0 m～14.0 m。⑥細砂:黃色～灰色，可塑，稍密，飽和，層底埋深12.2 m～16.8 m。厚度6.0 m～9.2 m。⑦中砂:黃色～灰色，可塑，稍密～中密，飽和，層底埋深16.7 m～20.1 m。最大厚度7.0 m。⑧粉質粘土:灰色，可塑，中壓縮性，層底埋深18.2 m。⑨粉質粘土:灰色，可塑，中壓縮性，層底埋深19.0 m～24.6 m。

本模型使用六面體單元，單元數量為153 600個。

初始條件:計算模型的應力初始條件由自重應力生成，計算模型的滲流初始條件為定水頭，初始潛水位在地表以下6 m處。

邊界條件:左右邊界作為定水頭邊界(補給邊界)，左右計算邊界為基坑深度的3倍(20 m)，在基坑壁處有止水帷幕，所以降水對左右計算邊界的水位影響很小。下邊界作為流量為零邊界，下邊界取基坑深度的5倍(32 m)，降水對此邊界影響很小。

4 計算結果

圖1為建筑物角點的豎向位移隨井點至建筑物角點的距離改變的變化規律。由圖1可見，在井點至建筑物角點的距離為29 m～39.5m時，曲線的斜率很緩，位移隨井點至建筑物角點距離變化很小，位移增大趨勢不明顯;在井點至建筑物角點的距離為17m～29 m時，曲線斜率開始變陡，建筑物角點位移隨井點至建筑物角點距離變化增大，位移增大趨勢明顯。圖2是在井深發生變化的情況下，建筑物角點的豎向位移隨其變化的規律。由圖2得出，在井深為12 m～15m時，曲線斜率很緩，位移隨井深變化很小，位移增大趨勢不明顯;在井深為15 m～24 m時，曲線斜率開始變陡，位移隨井深增大開始增大，位移增大趨勢較明顯。

圖3為建筑物角點的豎向位移隨抽水量改變的變化規律。由圖3得出，在抽水量為3 m3/h～6 m3/h時，曲線的斜率很緩，位移隨抽水量變化很小，位移增大趨勢不明顯;在抽水量為6 m3/h～12 m3/h時，曲線斜率開始變陡，建筑物角點位移隨抽水量增大開始增大，位移增大趨勢明顯;在抽水量為3 m3/h～6 m3/h時，曲線的斜率很緩，水位隨抽水量變化很小，水位減小趨勢不明顯;在抽水量為6 m3/h～12 m3/h時，曲線斜率開始變陡，水位隨抽水量增大開始減小，水位減小趨勢明顯。

圖4為建筑物角點的豎向位移隨滲透系數改變的變化規律。由圖4得出，在滲透系數為3m/d～6m/d時，曲線的斜率很緩，位移隨滲透系數變化很小，位移增大趨勢不明顯;在滲透系數為6 m/d～12 m/d時，曲線斜率開始變陡，建筑物角點位移隨滲透系數增大開始增大，位移增大趨勢明顯。在滲透系數為3 m/d～6 m/d時，曲線的斜率很緩，水位隨滲透系數變化很小，水位減小趨勢不明顯;在滲透系數為6 m/d～12 m/d時，曲線斜率開始變陡，水位隨滲透系數增大開始減小，水位減小趨勢明顯。

5 結語

本文通過對實際工況條件下的計算，得到建筑物角點處豎向位移的變化規律。

1)隨著井群距離建筑物角點越來越近，井群對建筑物角點處的降水作用越來越強，建筑物角點處土中地下水位降低較大，地面沉降增加較大。

2)隨著井點深度越來越大，滲流路徑長度不斷減小，井點對建筑物角點處的降水作用越來越強，使建筑物角點處土中地下水位降低越來越大，地面沉降增大。

3)隨著單井抽水量的逐漸增大，外界機械能量逐漸增大，井點對建筑物角點處的降水作用增強，建筑物角點處水位降低，地面沉降增大。

4)隨著止水帷幕深度的增大，滲流路徑長度越來越大，井點對建筑物角點處的降水作用減弱，建筑物角點處土中地下水位降低越來越小，地面沉降逐漸減小。

5)本工程采用井深15 m，單井抽水量6 m3/h，止水帷幕16 m，進行降水工程是合理的。

6)工程中使用回灌和止水帷幕兩種技術措施有效地減小了沉降變形速率。最終鄰近基坑降水引起的地面沉降僅為0.004 m，對建筑物上部結構沒有影響。

［1］ 胡其志，何世秀.基坑降水引起地面沉降的分析［J］.湖北工學院學報，2001，16(1):66-69.

［2］ S.S.Kishnani，R.I.Borja.Seepage and soil-structure interaction in braced excavations［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1993，19(5):912-928.

［3］ 顧慰慈.滲流計算原理及應用［M］.北京:中國建材工業出版社，2000:2-16.

［4］ A.Leontiev，W.Huacasi.Mathematical programming approach for unconfined seepage flow problem［J］.Engineering analysis with boundary elements，2001(25):49-56.

［5］ Nunzio Romano，Bruno Brunone，Alessandro Santini.Numerical analysis of one-dimension unsaturated flow in layered soils［J］. Advances in Water Resources，1998(21):315-324.

［6］ 王 濱，賀可強.階梯流量法在深基坑降水中的應用［J］.施工技術，2002，31(1):23-25.

［7］ 王翠英，殷坤龍，王家陽.建筑工程基坑降水設計方案優化的探討［J］.施工技術，2005，34(1):15-17.

［8］ 胡 靜.復合單元法在深基坑降水井設計中的應用［J］.水力發電，2005，31(2):41-43.

［9］ 張立杰，秦紫東，東迎欣，等.基坑降水的三維非穩定滲流數值模擬［J］.低溫建筑技術，2005(4):79-80.

［10］ 龐景蘭.基坑開挖工程中滲流場的三維有限元分析［J］.水科學與工程技術，2006(6):24-26.

［11］ 紀佑軍，劉建軍，薛 強.基坑地下水滲流數值模擬［J］.武漢工業學院學報，2006，25(1):72-77.

［12］ 謝康和，柳崇敏，應宏偉，等.成層土中基坑開挖降水引起的地表沉降分析［J］.浙江大學學報，2003，36(3):239-242.

［13］ 何世秀，胡其志，莊心善.滲流對基坑周邊沉降的影響［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(9):1551-1554.