西安地區黃土基坑降水試驗及地面沉降分析

盧靖 程彬

(1.中鐵二院西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西西安 710054;2.中煤科工集團西安研究院，陜西西安 710054)

0 引言

黃土是一種特殊的區域性土，其柱狀節理發育，粉粒吸水性較差，在豎向具有較好的滲透性，地表水能夠迅速下滲;但水平方向滲透系數較小，滲透性差，且具有濕陷性、水敏性和結構性等特性［1］。西安地區的黃土更有其顯著的代表性。

在基坑工程施工中，經常會遇到需要降低地下水位的情況。降水的設計、施工以及降水所引起的其他巖土工程問題，對基坑工程和周邊環境的安全至關重要。以往這一方面的研究主要集中在理論分析和數值模擬計算，且主要針對軟土地基。

本研究通過對西安地區黃土場地深基坑降水試驗，估計基坑大降深降水時黃土場地的滲透系數和影響半徑，研究基坑內水位降深和其引起的地面沉降的變化規律。為西安地區黃土深基坑降水的設計和施工提供依據。

1 工程概況

1.1 試驗場地的水文地質與工程地質條件

本場地位于西安市繁華地帶，為西安梁洼地貌，主要含水層為中更新統沖積粉質黏土與中粗砂夾層。地下水位埋深6.56 m～7.93 m，含水層平均厚度為28 m。在距地面23 m以下可見2層～4層飽和、密實中粗砂，不均勻分布，夾于粉質黏土中，厚度為0.7 m～7.5 m。場地自上而下的地層分布及主要物理、力學性質見表1。

表1 土層物理力學參數

1.2 降水試驗方案及試驗目的

結合西安地區黃土地形地貌、場地工程地質、水文地質條件和地區經驗，采用管井井點基坑降水。應用干擾井群穩定流理論，獲得場地水文地質參數，研究降水過程中水位降深和地面的沉降變化規律。基坑平面為65 m×50 m的近似長方形，降水井井數為11口，觀測井1口，觀測井結構同降水井，井深均為35 m，井外徑800，濾水管內徑500，濾水管采用無筋混凝土濾水管，井管外采用天然圓礫填料。井間距約為20 m。該場地降水井、觀測井和監測點平面布置見圖1。

抽水試驗過程中，對每眼抽水井的井內水位和出水量進行觀測，同時對各井內水位進行觀測，試驗前應先抽1 d～2 d，以確保抽水時流量穩定。

圖1 降水試驗井的平面布置圖

2 計算結果與分析

根據降水過程中各井水位的監測結果，可以得到各井的降深與時間的關系，見圖2。根據這些試驗結果，可進行本場地滲透系數、出水量、降水影響半徑的計算。

圖2 降深與時間的關系

2.1 滲透系數

滲透系數是基坑降水中最重要的水文地質參數之一，由抽水試驗結果可反算滲透系數。根據試驗數據，可得降深與時間的關系，見圖2。從圖2可見，隨著時間的增加，各降水井及觀測井內水位的降深也隨之增加，但其增加的幅度較小，這是由于在開始觀測水位變化時，已經開始抽水1 d～2 d，地下水的運動已趨于穩定流狀態，這樣可以更好的利用穩定流潛水完整井公式計算水文地質參數。

運用1個觀測孔的穩定流潛水完整井公式計算土層綜合滲透系數 k［2］:

其中，Q為出水量，m3/d;r1，rw分別為抽水孔距觀測井的距離和抽水孔半徑，m;H為含水層厚度，取28.0 m;S1，Sw分別為觀測井和抽水井的井內水位降深，m。

對不同抽水井進行計算，得到滲透系數k值見表2，它反映了黃土、粉質黏土和中粗砂薄層的綜合滲透性。

表2 各孔土的滲透系數

從表2可見南邊1，8，9，10，11號孔的滲透系數要大于北邊2，3，4，6，7號孔。這是由于在場地存在多層中粗砂薄層，且其呈不均勻分布，其南邊最大厚度為7.5 m，北邊最大厚度0.7 m，且顆粒由南向北逐漸變細。因此，在工程實踐中，應根據不同地段選擇合適的水泵類型。

2.2 降水影響半徑、基坑涌水量［3］

其中，R為基坑降水影響半徑，m;r0為基坑等效半徑，m;A為基坑面積，m2;S為基坑水位降深，m;滲透系數k取其平均值6 m3/d。

計算得本場地的基坑降水影響半徑R=235.899 m;基坑涌水量 Q=3 723.890 m3/d。

2.3 基坑水位降深及沉降分析

通過Fortran語言編制計算程序，運用有限元差分法，計算本場地的降深及地面沉降變化規律。圖3，圖4分別為基坑中心水位降深為9 m時，場地附近的降深和沉降等值線。

圖3 基坑中心水位降深為9m時的降深等值線

離基坑中心越遠，等值線就會越來越稀疏，這表明隨著距離的增加，水位降深越來越小，最后趨向于零，此時的距離即為影響半徑。

圖4 基坑中心水位降深為9m時的沉降等值線（單位：m）

對通過監測點1，2，3剖面線的地面沉降可知(見圖5)，監測點1，2觀測的沉降值較小與計算值基本一致，監測點3觀測的沉降值較大，明顯要大于計算值，只是由于靠近監測點3附近有一剛竣工的12層辦公樓，其地基沉降尚未結束，在水位降低的情況下地面沉降更明顯。

圖5 基坑中心水位降深為9m時的沉降曲線

3 結語

通過對西安黃土梁洼地區的降水試驗，計算和分析了該場地的水位降深和地面沉降變化規律，得到以下結論:

1)抽水試驗中，利用穩定流計算水文地質參數快捷方便，但要注意抽水時間要足夠使地下水達到穩定流的狀態，這樣計算的結果才真實可靠。

2)西安黃土梁洼地區土層的綜合滲透系數為4 m3/d～10 m3/d，影響半徑為 235.9 m，基坑涌水量為 3 723.890 m3/d。

3)黃土地區的基坑降水對周圍環境影響較大，尤其是對附近有新竣工的建筑物的影響。在基坑開挖和降水的過程中，應加強對附近建筑物的監測，如有異常情況，則應采取相應的工程措施，確保安全。

［1］ 柳利麗，胡長明，梅 源.黃土地區地鐵車站深基坑降水設計與施工［J］.建筑技術，2012，43(1):55-57.

［2］ 馮志焱，劉 林.黃土場地基坑大降深降水試驗研究［J］.西北農林科技大學學報(自然科學版)，2010，38(9):192-198.

［3］ JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規程［S］.