深基坑工程中地下水位變化對支護結構的影響研究

文／劉奎 中電建振沖建設工程股份有限公司 北京 100102

王克峰 北京華夏石化工程監理有限公司 北京 100020

引言：

深基坑工程作為城市建設中重要的基礎工程之一，為高層建筑、地下設施等的建設提供了必要的空間。然而，在深基坑工程的施工過程中，地下水位的變化常常引發諸多技術難題和安全風險。地下水位的升降可能導致周圍土體的變形、支護結構的穩定性問題以及與周圍環境的水文關系變化等，從而對工程的安全性和穩定性帶來潛在威脅。因此，深入研究地下水位變化對支護結構的影響，對于確保基坑工程的安全施工和可持續發展具有重要意義。

1.地下水位與支護結構的相互關系

1.1 地下水位變化的影響因素

地下水位與支護結構之間存在著密切的相互關系，地下水位的變化可以直接影響支護結構的穩定性和性能。地下水位是地下水體在垂直方向上的分布情況，其變化受多種因素影響。

首先，地下水位變化的影響因素之一是水文地質條件。不同地區的地下水位受到地質構造、土壤滲透性等因素的制約，導致不同地區的地下水位變化幅度各異。地下水位的上升或下降會直接改變地下土體的飽和度，從而引發土體體積的變化。

其次，降雨與排水是影響地下水位的重要因素。降雨會增加地表徑流和土壤滲透，導致地下水位的上升；而排水工程的施工和效果會影響地下水位的下降速度。特別是在降雨量較大的季節，地下水位的波動更加顯著，對支護結構的影響也更為明顯[1]。

此外，周邊地下水的開采也會對地下水位產生影響。城市建設和工業生產對地下水資源的開采可能導致地下水位的下降，進而影響支護結構的安全。地下水位的下降可能導致周圍土體的收縮和沉降，增加了支護結構受力和變形的風險。

1.2 地下水位變化與支護結構的相互作用機制

地下水位與支護結構之間存在著密切的相互關系，地下水位的變化與支護結構之間的相互作用機制直接影響著深基坑工程的穩定性與安全性。地下水位變化作為一個重要的外部因素，對支護結構的性能和行為產生著顯著影響。

地下水位的上升對支護結構造成的影響主要表現在兩個方面。首先，地下水位上升會增加土體的飽和度，引起土體的體積膨脹，從而增大了土壓力對支護結構的作用力。其次，上升的地下水位會通過土體顆粒間的水力背壓作用，引發土體的流動和溢流，導致土體的液化現象。這些現象的共同作用可能會導致支護結構的變形、破壞甚至傾覆，從而危及工程的安全性[2]。

相反，地下水位的下降也會對支護結構產生重要影響。地下水位下降引起周圍土體的脫水和收縮，可能導致土體開裂、沉降以及孔隙水壓力的變化。這些土體變化會影響支護結構的受力分布，增加支護結構產生變形和失穩的風險。

支護結構與地下水位變化之間的相互作用機制復雜且多樣，取決于支護結構的類型、材料特性、地下水位變化速率等因素。在工程實踐中，需要綜合考慮地下水位變化對支護結構穩定性、變形和承載能力的綜合影響，進而制定相應的設計和施工策略。準確評估地下水位變化與支護結構相互作用的影響，是確保深基坑工程安全可靠的關鍵一步。

2.地下水位變化對支護結構的影響及問題

2.1 地下水位上升對支護結構的影響

2.1.1 土體液化風險

土體液化是指在地下水位上升的情況下，土壤因失去有效固結力而表現出液體般的行為，從而喪失了承載力和穩定性。當地下水位上升時，土壤顆粒之間的有效應力減小，導致土壤的抗剪強度急劇下降，甚至會完全失去抗剪強度。這使得土體在水平荷載作用下失去了抵抗能力，造成土體的液化流動，從而導致基坑周圍土體的流失和下沉現象。這種液化現象不僅會導致土體體積變化，還可能引發地面沉降、支護結構的變形，甚至嚴重危及基坑工程的穩定性和安全性。

為了減輕土體液化風險，需要在支護結構設計和施工過程中采取一系列措施。首先，通過充分了解地下水位的變化規律，科學合理地確定支護結構的穩定性計算參數，確保結構在不同水位條件下都能保持穩定。其次，可以采用加固措施，如增加土壤的固結性和抗剪強度，通過注漿、振動加固等方法來提高土體的穩定性。此外，地下水位的監測與控制也顯得尤為重要，及時了解水位變化并采取適當措施，以防止土體液化風險的發生[3]。

2.1.2 支護結構浮升與傾覆風險

隨著地下水位上升，周圍土體的飽和度增加，可能導致支護結構產生浮升和傾覆的風險，嚴重威脅工程的穩定性與安全性。支護結構浮升是指支護結構底部受到浸潤水的上浮壓力，從而削弱了支護結構的穩定性，使其整體產生上升趨勢。特別是在松散土壤或粉砂土等地層中，由于水分的滲透，支護結構底部的土體被稀釋，從而導致整體的浮升現象。這種現象可能導致支護結構與周圍土體的失穩，甚至對地下工程周邊的建筑物和基礎設施造成損害。

另一方面，地下水位上升還可能引發支護結構的傾覆風險。地下水位的上升會增加土壤的重量和水平水壓，同時減小土體的有效側向約束力，使支護結構在水平荷載的作用下產生傾覆的趨勢。特別是在軟弱土壤地層中，支護結構的傾覆風險更加突出。這種傾覆現象可能不僅危及支護結構的穩定，還會對工程施工和周圍環境造成嚴重影響。

2.1.3 地表沉降與建筑物損害

地下水位的上升在影響支護結構時，還會引發地表沉降與建筑物損害等問題，這些問題在深基坑工程中必須予以充分關注。地下水位的上升導致了土體的飽和度增加，進而引發了土體體積的變化，從而影響了地表的穩定性和建筑物的安全性。

地表沉降是指在地下水位上升的情況下，由于土壤的收縮和流失，導致地表下沉的現象。地下水位的上升會導致土體顆粒之間的有效應力減小，從而造成土壤的收縮。這種收縮現象不僅會使地表出現不均勻下沉，還可能導致地表結構的破壞，如道路裂縫、建筑物的沉降等。特別是在地下水位迅速上升的情況下，地表沉降問題可能更加嚴重，影響基坑周圍環境的穩定性。

另一方面，地下水位上升還可能對建筑物產生直接的損害。當地下水位上升時，土壤的穩定性減弱，可能導致建筑物的地基失穩。此外，地下水位的上升還可能導致土壤中的鹽分上升，引發建筑物的腐蝕和損害。這些問題對于基坑周邊的建筑物和設施的穩定性和安全性造成了威脅[4]。

2.2 地下水位下降對支護結構的影響

2.2.1 周邊土體收縮與開裂

隨著地下水位下降，土體中的水分流失使土體的體積縮小，可能引發土體的收縮和開裂，對支護結構的穩定性和工程的安全性造成威脅。周邊土體的收縮與開裂是由于水分流失導致土體顆粒之間的相互作用力減小，從而引發土體體積縮小和內部微觀結構的破壞。這種土體變化會導致土體的力學性質發生變化，影響土體的抗剪強度和承載能力。當支護結構施加在土體上的荷載超過了土體的承載能力時，周邊土體可能會出現塌方、沉降和開裂等問題，從而導致支護結構失穩甚至破壞。

特別在軟弱土層中，由于其本身的力學性質相對較弱，當地下水位下降時，土體的收縮和開裂問題更加顯著。土體收縮和開裂不僅會影響支護結構的受力分布，還可能引發土體與支護結構之間的間隙擴大，增加土體的滲透性，從而對工程的穩定性產生重要影響。

2.2.2 支護結構失穩風險

地下水位的下降對支護結構產生的影響中，尤其需要考慮支護結構失穩風險，這是深基坑工程中一個不容忽視的問題。隨著地下水位下降，土體飽和度降低，可能引發支護結構的失穩，嚴重威脅工程的穩定性與安全性。

支護結構失穩風險是指在地下水位下降的情況下，由于土體的力學性質發生變化，導致支護結構的穩定性受到威脅，可能出現傾覆、滑移、變形等失穩現象。在支護結構設計中，通常會考慮土體的水壓力對支護結構的穩定性產生的影響。當地下水位下降時，土體中的水壓力減小，可能使支護結構所受的側向荷載減小，從而影響結構的穩定性。

2.2.3 地下滲流路徑變化

地下滲流路徑的變化是指地下水流動的路徑在水位下降過程中發生變化。當地下水位下降時，原本飽和的土體逐漸變得不飽和，土體中的孔隙水開始減少，地下水流動的路徑可能會受到阻礙或改變。這種路徑變化可能導致土體內部水分分布不均勻，可能引發土體的不穩定，從而影響支護結構的穩定性。

特別是在含水層豐富的地質條件下，地下水位的下降會導致孔隙水壓力減小，從而改變土體的飽和度分布。這種分布變化可能會導致支護結構周圍的土體產生收縮、開裂等變形現象，影響支護結構的受力和穩定性。此外，地下滲流路徑的變化還可能引發土體的滲透性增大，導致土體內部顆粒流失，加劇土體的侵蝕和沉積現象[5]。

3.深基坑工程中應對地下水位變化對支護結構的策略

3.1 地下水位控制與監測

3.1.1 地下水位監測技術

地下水位的變化對支護結構的穩定性產生重要影響，因此采用先進的地下水位監測技術可以及時獲取水位信息，實現實時監測和數據分析，從而指導工程實踐和決策。

地下水位監測技術包括多種方法，如壓力計、測斜儀、孔隙水壓計等。這些技術可以在工程施工過程中實時監測地下水位的變化情況，幫助工程團隊了解水位波動的趨勢和幅度。通過監測數據的分析，可以及時發現地下水位變化對支護結構的影響，以及與之相關的問題，如土體的液化、收縮、滲流路徑變化等。有了這些信息，工程團隊可以采取針對性的措施，調整施工計劃、加固支護結構，從而保障工程的穩定性和安全性。

地下水位監測技術的應用不僅可以在工程實踐中發揮重要作用，還有助于優化工程管理和決策過程。通過實時監測和數據分析，工程團隊可以了解工程施工過程中地下水位變化的規律，及時預警可能出現的問題，避免因地下水位變化引發的突發情況。此外，監測數據也可以為工程的后續設計和施工提供有價值的參考，以保障工程的長期穩定性。

3.1.2 地下水位調控方法

在深基坑工程中，有效應對地下水位變化對支護結構的影響至關重要。為此，需要制定一系列科學合理的策略，其中地下水位調控方法在整個工程過程中具有關鍵作用。通過合理的地下水位控制與監測措施，可以實現對地下水位的實時監測、調控和管理，以確保支護結構的穩定性和工程的安全性。

地下水位調控方法涵蓋了多種技術和手段，如降水、攔水墻、排水系統等。這些方法可以在不同的工程階段應用，旨在控制地下水位的變化，減少其對支護結構產生的影響。在基坑開挖前，可以通過設置攔水墻或進行降水來降低周圍土體的飽和度，從而減小地下水位的上升幅度。在施工過程中，可以采用排水系統來穩定地下水位，避免地下水位的過快下降引發的問題。

地下水位調控方法的關鍵在于合理規劃和科學實施。首先，應在工程前期進行詳細的水文地質調查，了解地下水位的分布和變化規律。根據調查結果，制定相應的調控方案，選擇適當的調控方法。其次，需要在工程施工過程中實施有效的監測措施，實時了解地下水位的變化情況，根據監測數據及時調整調控措施。同時，也要充分考慮地下水位調控可能帶來的環境影響，采取相應的環境保護措施。

3.2 支護結構設計優化

3.2.1 考慮地下水位變化的支護結構設計

通過合理的支護結構設計，能夠有效應對地下水位變化所帶來的挑戰，確保支護結構的穩定和工程的可持續發展。考慮地下水位變化的支護結構設計涉及多個方面。首先，需要充分了解地下水位的變化規律和幅度，預測不同水位條件下土體的受力情況。根據不同水位下土體的力學性質變化，采取適當的支護結構類型和參數，確保在不同水位條件下支護結構的穩定性。其次，可以通過增加支護結構的穩定性，如增加支撐點、加大支撐截面等，以增強支護結構的抗側壓能力，從而減輕地下水位變化對結構的影響。

在支護結構設計中，還需要充分考慮地下水位變化可能引發的土體液化、收縮、滲流路徑變化等問題。針對不同問題，可以采取相應的設計措施，如增加土體的固結性、采用防滲措施等，以降低地下水位變化對支護結構的不利影響。此外，還可以在設計中加入預警機制，設定支護結構的變形和沉降限值，一旦超過限值就及時采取補救措施，確保工程的安全運行。

3.2.2 支護材料選擇與防水措施

通過合理選擇支護材料和采取適當的防水措施，可以有效應對地下水位變化帶來的挑戰，確保支護結構的穩定性和工程的安全性。在支護結構設計中，支護材料的選擇是至關重要的一環。考慮到地下水位變化可能導致土體飽和度的變化，應選擇具有良好耐水性能的支護材料，如防水混凝土、聚合物材料等。這些材料能夠有效抵御地下水的滲透，減少水分對土體的影響，從而維護支護結構的穩定性。此外，還可以考慮添加防水劑等，增強支護材料的防水性能，提高材料的抗滲透能力。

另一個重要的策略是采取防水措施，以隔離地下水與支護結構之間的接觸。這可以通過設置防水層、擋水墻等方式實現。防水層可以阻止地下水的滲透，減少水分對支護結構的影響。擋水墻則可以在地下水位變化時，限制地下水的滲流路徑，減小支護結構周圍土體的飽和度變化。這些防水措施有效減輕了地下水位變化對支護結構的影響，提高了工程的穩定性。

在實際應用中，支護材料選擇與防水措施的策略需要根據工程的具體情況進行靈活調整。必須充分考慮水文地質條件、支護結構類型、地下水位變化幅度等因素，制定適合工程的支護材料和防水方案。此外，在工程施工過程中，需要實施嚴格的施工質量控制，確保支護材料的施工質量和防水效果[6]。

3.3 施工工藝調整與管理

3.3.1 地下水位變化應對施工工藝調整

通過靈活的施工工藝調整和有效的工程管理，可以在地下水位變化的情況下，保障支護結構的安全性和工程的順利實施。地下水位變化應對施工工藝的調整是確保工程安全的重要手段之一。在工程施工中，隨著地下水位的變化，土體的力學性質和穩定狀態會發生變化，因此需要根據地下水位變化的幅度和速度，對施工工藝進行及時調整。例如，在地下水位上升時，可以采取降水措施以減輕水壓對支護結構的影響；而在地下水位下降時，可以調整開挖和支護進度，避免因土體干燥引發的問題。

工程管理在地下水位變化應對中起到至關重要的作用。有效的工程管理可以確保施工進度的合理安排，避免由于地下水位變化帶來的工程延誤。此外，工程管理還包括對地下水位的實時監測和數據分析，及時了解水位變化情況，判定是否需要調整施工工藝。通過科學的管理措施，可以更好地應對地下水位變化帶來的挑戰。

在實際工程中，地下水位變化應對施工工藝調整需要綜合考慮多個因素，如水文地質條件、支護結構類型、工程進度等。必須制定靈活的施工計劃，根據地下水位變化的實際情況，及時進行調整。此外，也要建立完善的工程管理體系，確保工程施工過程中地下水位變化的有效監控和應對。

3.3.2 施工期間水位管理措施

施工期間的水位管理措施包括降水、排水和封堵等方法。在地下水位上升的情況下，可以采取降水措施，通過井點降水或抽水井排水等方式降低地下水位，減少水壓對支護結構的影響。在地下水位下降的情況下，可以適當增加降水量，以維持支護結構周圍的穩定狀態。另外，還可以設置臨時防水屏障，防止地下水滲流路徑的變化，減小支護結構受水分影響的程度。

在施工工藝調整與管理過程中，施工期間水位管理措施的有效實施和監測至關重要。首先，需要根據工程的具體情況，制定合理的水位管理方案，明確降水、排水和封堵的具體步驟和方法。其次，要建立嚴格的水位監測體系，實時監測地下水位的變化情況，根據監測數據調整水位管理措施。同時，也要注意施工期間的安全風險，采取必要的安全措施，保障工程人員和設備的安全。

結語：

綜合研究表明，地下水位變化對深基坑工程支護結構具有顯著影響。地下水位上升可能導致土體液化、支護結構浮升、地表沉降等問題，而地下水位下降則可能引發土體收縮、支護結構失穩等挑戰。有效的應對策略應包括支護結構設計優化、施工工藝調整與管理、合理的支護材料選擇與防水措施以及地下水位監測與調控等。在實際工程中，綜合考慮地下水位變化對支護結構的影響，采取科學合理的措施，將確保深基坑工程的穩定和安全。