降水引起的深基坑變形分析

阮高 史衛(wèi)國 牛定輝

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院 430074

降水引起的深基坑變形分析

阮高 史衛(wèi)國 牛定輝

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院 430074

地下水是影響基坑變形和穩(wěn)定的重要因素，地下水位的變化會(huì)引起土顆粒有效應(yīng)力的改變，劇烈的地下水位變化是地面不均勻沉降，基坑失穩(wěn)及鄰近建筑破壞的直接原因。本文通過基坑工程實(shí)例，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析降水對(duì)基坑變形的影響。證明降水是引起基坑變形的主要原因，高強(qiáng)度的降水導(dǎo)致地下水位的急劇下降，引起基坑變形的急劇增大，施工中應(yīng)避免對(duì)地下水的劇烈擾動(dòng)；短期的降水對(duì)基坑變形影響不大，引起的地面沉降可以通過地下水的回升得到部分恢復(fù)。

深基坑；降水；變形；監(jiān)測；地面沉降

隨著城市的快速發(fā)展，高層建筑也越來越多，各種超大、超深基坑工程也在不斷涌現(xiàn)，對(duì)基坑工程的設(shè)計(jì)和施工都提出了更高的要求。而地下水是影響基坑變形和穩(wěn)定的重要因素，地下水位的變化會(huì)引起土顆粒有效應(yīng)力的改變，劇烈的地下水位變化是地面開裂，基坑失穩(wěn)及鄰近建筑破壞直接原因。在地下水豐富的地區(qū)，合理控制地下水活動(dòng)是確保基坑工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)合理的降水及止水措施，研究降水引起的基坑變性特征，預(yù)測基坑變形量及穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)降水對(duì)周邊環(huán)境的影響是科研工作者所面臨的重要課題。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

冠日管理研發(fā)基地基坑支護(hù)工程場地位于深圳市南山區(qū)，場地占地面積為6000m2，擬建物設(shè)計(jì)為一棟地上塔樓二十一層，地面以上高度107m，地下室深度12.70m。

據(jù)勘察鉆孔揭露，場地內(nèi)在鉆探揭露深度內(nèi)共發(fā)育有如下地層：第四系人工填土層、第四系海陸交互相沉積層、第四系沖洪積層、第四系殘積層以及燕山期侵入花崗巖。主要巖土參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

場區(qū)內(nèi)地下水為上層滯水～潛水類型，主要賦存于土層、砂層的孔隙中，主要受大氣降水補(bǔ)給。勘察時(shí)測得鉆孔內(nèi)地下穩(wěn)定水位埋深為2.8～5.4m，標(biāo)高介于2.6～-0.67m。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)及止水帷幕

基坑采用鉆孔（或旋挖）灌注樁φ 1000@1500；設(shè)置3排預(yù)應(yīng)力錨索4×7 φ 5@1500（1樁1錨），設(shè)計(jì)抗拔力400kN（及450kN和500kN），錨索傾角25°。

考慮場地富含地下水，為減少對(duì)周邊建筑及道路管線等的影響，采用止水帷幕控制地下水，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和工程經(jīng)驗(yàn)，在基坑北、西、南三面設(shè)置高壓噴射注漿法止水帷幕，東側(cè)與朗科大廈基

坑止水帷幕銜接，止水樁插入全風(fēng)化花崗巖不小于2m。

表1 場地主要巖土層的物理參數(shù)

2 基坑降水及變形監(jiān)測

2.1 基坑降水

本基坑工程已于2010年9月份竣工并交建設(shè)單位使用，2010年11月26日至2011年1月19日基坑南面距本基坑約18m的超多維基坑工程進(jìn)行挖孔樁施工，施工期間挖孔樁內(nèi)大量抽排地下水，對(duì)本基坑工程變形產(chǎn)生極大影響。

超多維基坑工程人工挖孔樁設(shè)計(jì)間距1.8m，孔底標(biāo)高為-21.1m，施工期間采用跳挖方式成孔，分兩批成孔、澆筑。護(hù)壁為鋼筋混凝土澆筑而成， 20cm厚，整體性較好，地下水主要通過孔底滲入，涌水量較大，但未進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

2.2 變形監(jiān)測

本工程共進(jìn)行了5 項(xiàng)監(jiān)測項(xiàng)目：地面沉降、圍護(hù)樁頂水平位移、圍護(hù)樁體深層水平位移（測斜）、錨索拉力、地下水位監(jiān)測。其中沉降觀測點(diǎn)34個(gè)，基坑沉降測點(diǎn)16個(gè)，基坑位移測點(diǎn)16個(gè)，水位監(jiān)測點(diǎn)3個(gè)，錨索應(yīng)力測點(diǎn)2個(gè)，鋼筋應(yīng)力測點(diǎn)24個(gè)。

3 變形特性分析

3.1 基坑變形特性

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，鄰近基坑挖孔樁施工前期，本基坑變形已經(jīng)穩(wěn)定。其中地面沉降量、基坑沉降量基坑位移量均小于0.1mm/天，基坑深層位移小于3mm/周，北側(cè)、西側(cè)、南側(cè)基坑外水位分別為-7.6m、-6.2m、-11m。

隨挖孔樁施工深度加深，大量抽排地下水，導(dǎo)致地下水位降幅較大，地下水位的下降，引起南側(cè)路面沉降急劇增大，地應(yīng)力場重新分布，路面沉降再次趨于穩(wěn)定。挖孔樁施工完畢后，地下水位逐漸回升，地面沉降回彈，表現(xiàn)為觀測值為正值（正值為上升）。其他各側(cè)面由于水位變化不大，變形不明顯。如圖1所示為施工期間南側(cè)路面沉降監(jiān)測曲線 ，其中C12～C15距離基坑約6m，C20～C23距基坑約14m。

圖1 基坑路面沉降曲線

基坑深層位移穩(wěn)定期變形表現(xiàn)為支護(hù)的受彎變形，最大位移處于-10m位置，位移量約-20mm，-0.5m處位移約-12mm。挖孔樁降水后，變形表現(xiàn)為繞樁底向基坑外有微小的轉(zhuǎn)動(dòng)，周變形量最大值位于樁頂，變形量3.06mm。 圖2所示為基坑南側(cè)中部的CX6號(hào)點(diǎn)測斜觀測曲線。

圖2 基坑CX6號(hào)點(diǎn)測斜觀測曲線

3.2 基坑變形分析

基坑變形是支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑寬度、開挖深度、地層性質(zhì)等因素綜合作用的結(jié)果。挖孔樁降水前，由于基坑底部土層較好，支護(hù)樁入土深度較大，基坑變形較小。樁身產(chǎn)生彎曲變形，地面沉降成拋物線形，最大的地表沉陷發(fā)生在距坑邊以外某一定的距離處。

挖孔樁降水后，分析認(rèn)為12月20號(hào)沉降突變，主要受地下水位影響，基坑水位變化如圖3所示，觀測井位于各邊中部基坑支護(hù)樁外0.5m處。其中水位下降較快的為南側(cè)SW3觀測井，受止水帷幕影響SW1測點(diǎn)水位基本沒有變化，SW2觀測井水位略有下降。

圖3 觀測井水位變化曲線

由于本場地富含地下水，且地下埋深9m～18m地層中含有沙礫。當(dāng)挖孔樁施工掘進(jìn)到此深度范圍內(nèi)，需要大量抽排地下水，同時(shí)沙礫層中孔隙較大，細(xì)顆粒在滲透壓力下容易被帶走，且在施工中可能存在一定的掏空區(qū)，在土顆粒有效應(yīng)力增加的情況下，土層極易坍塌，引起地面不均勻沉降。由于C20～C23測點(diǎn)離挖孔樁教近，坍塌更為嚴(yán)重，因此表現(xiàn)為急劇的地面沉降，而離降水點(diǎn)較遠(yuǎn)的C12～C15測定則受影響相對(duì)較小。同時(shí)由于支護(hù)結(jié)構(gòu)是預(yù)應(yīng)力支護(hù)，在降水過程中土層不光受到垂直向土壓力作用，還受到側(cè)向的預(yù)應(yīng)力作用及水平向的滲透壓力作用，因此在降水過程中，土層不光垂直固結(jié)作用，還產(chǎn)生了水平向固結(jié)，表現(xiàn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)的微小轉(zhuǎn)動(dòng)。

1月初挖孔樁施工結(jié)束，地下水位回升，因?yàn)榻邓畷r(shí)間較短，在固結(jié)還未完成的情況下，土顆粒有效應(yīng)力逐漸恢復(fù)至原應(yīng)力大小，表現(xiàn)為地面沉降變緩繼而回彈，但不會(huì)回彈至降水前標(biāo)高。因此在降水過程進(jìn)行回灌，能夠避免地下水水位的急劇變化造成基坑變形的加劇。 圖4為超多維基坑觀測的路面沉降曲線，其中C38～C41距基坑內(nèi)壁距離分別為6.5m、7.5m、9.5m、7m。

圖4 補(bǔ)充路面沉降監(jiān)測曲線

4 結(jié)論

4.1 地下水是影響基坑變形的重要因素，地下水位的變化能夠引起基坑的不均勻沉降，沉降規(guī)律受基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑寬度、開挖深度、地層性質(zhì)等因素的影響。施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水監(jiān)測，避免引起地下位急劇變化。

4.2 降水引起的地面沉降是一個(gè)緩慢的過程，沉降完成往往需要幾個(gè)月時(shí)間。短期降水，在固結(jié)還未完成的情況下，地下水位就迅速回升，對(duì)地面沉降影響并不明顯。

4.3 地下水回復(fù)后會(huì)造成沉降地面回彈，回彈量跟沉降量有關(guān)，但沉降量一般小于沉降量。因此在降水過程中，采取回灌地下水的措施，能夠補(bǔ)償降水引起的沉降。

[1]劉紅軍,張庚成,劉濤.土巖組合地層基坑工程變形監(jiān)測分析.巖土工程學(xué)報(bào).2010.8(增刊)

[2]黃生根,張洗浩,曹輝,彭從文.地基處理與基坑支護(hù)工程(第三版).中國地質(zhì)大學(xué)出版社.2004.6

[3]張勇,趙云云.基坑降水引起地面沉降的實(shí)時(shí)預(yù)測.巖土力學(xué).2008.6

[4]張蓮花.基坑降水引起的沉降變形時(shí)空規(guī)律及降水控制研究.成都：成都理工學(xué)院博士學(xué)位論文.2001

[5]夏洪浪.深基坑周圍地表沉陷分析.西部探礦工程.2005.8

[6]李琳.工程降水對(duì)深基坑性狀及周圍環(huán)境影響的研究. 同濟(jì)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文.2007

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.034