地下降水對周圍環境的影響分析

鄧友生, 姚志強

(1 湖北工業大學 土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068；2 四平市房屋建筑有限公司, 吉林 四平 136000)

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地下降水對周圍環境的影響分析

鄧友生1, 姚志強2

(1 湖北工業大學 土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068；2 四平市房屋建筑有限公司, 吉林 四平 136000)

基坑工程中地下降水引起周圍土體地下水位的變化和應力場的改變，致使周圍土體發生不均勻沉降等嚴重后果。通過研究降低地下水位對周圍地層移動影響機理，闡明地下降水與地面沉降兩者相互影響，存在耦合效應。最后，根據比奧固結經典理論，建立較符合實際條件的地下水滲流場與應力場三維耦合數學模型。該模型較好地考慮了土體力學、土體水力學參數，真實地反映實際工程情況，故對工程實踐具有參考作用。

地下降水； 沉降機理； 計算模型

隨著越來越多地下空間被開發和利用?；庸こ坛?、更大的方向發展，但新的問題也隨之出現，如何科學合理、安全環保、有效利用地下空間資源變得很重要。

基坑土體開挖過程中，土體原有的應力平衡狀態受到破壞，引起周邊地面沉降。同時，由于地下水存在，基坑降水會降低周邊地區地下水位，引起周邊地面沉降[1]。調查數據顯示，我國因地下降水處理不當而導致的基坑事故，大約占21%～25%。過量降低水位或抽水時攜帶大量泥砂，地面及鄰近建筑物發生不均勻沉降，導致周圍道路或地下管線等設施發生傾斜，甚至斷裂。

要保證基坑工程結構本身和周圍環境的穩定、安全，避免發生經濟財產損失，就必須對基坑工程水文地質情況作出正確的分析。能否按照行業規范標準將水位降至基坑底0.5 m以下，且不對周圍建筑物構成威脅，地下降水方案設計是關鍵。地下降水的處理對施工進度、成本及安全有著重大影響，也是基坑工程能否順利完成的關鍵。

1　研究動態

國內外學者對地下降水與地面沉降理論的研究不斷深入。從目前的研究現狀來看，我國的理論研究較落后，理論層面上的總結和分析還不夠系統，需要完善。借鑒國外先進理論研究成果，結合我國具體國情，開展有針對性理論研究有著重大意義。

關于地下水滲流與地面沉降的計算模型理論研究，學者普遍認可的是根據Terzaghi有效應力原理建立的地下水三維滲流與一維垂向固結沉降的耦合模型。駱祖江等提出的根據比奧固結理論，充分考慮到土體非線性性質和土力學、土體水力學參數隨滲流場和應力場的變化而改變的特點，建立比較符合工程實際條件的地下水滲流與地面沉降三維耦合計算模型[2,3]。金瑋澤等在比奧固結理論的基礎上，通過地下水滲流場與應力場三維耦合模型, 結合工程實例，得出耦合模型計算出的結果與實際工程情況相互吻合的結論[4]。木林隆等提出反分析方法，克服以往計算模型參數選取的難題，可準確計算基坑開挖引起周圍土體的位移變化量。并根據大量實測數據，驗證了該方法的合理性。又總結出基坑周圍土體三維位移場的衰減規律，提出了基坑周邊土體三維位移場的簡化計算方法[5,6]。馮曉臘等研究在深基坑降水數值模擬計算中應用三維水-土耦合模型，模擬出基坑降水中滲流、非均質和各向異性等解析方法中很難解決的實際工程條件[7]。劉秀婷等在基坑降水設計和施工中，采用有限單元數值模擬及有關計算方法，通過實時控制，準確、快捷地進行基坑地下降水超前模擬計算，保證了基坑工程施工安全[8]。

Bransby和ThomasD.O’Rourke研究認為，基坑墻后土體發生位移時，會形成破裂面，具有整體性的特點，往往位移很大，應變卻很小，該處發生地面沉降現象。閆金鳳等通過應用FLAC3D數值模擬研究，深入分析孔隙水壓力與土體變形兩者耦合作用，總結出基坑降水過程中地面沉降量和坑底隆起量的變化規律[9]。王蓉琳等認為水文地質條件復雜或特大型深基坑工程應建立三維滲流數值模型，運用數值模擬。并以某大橋錨碇基坑工程為例，優化降水井點布設方案，并取得較好效果[10]。王衛東等以我國上海地區大量深基坑實測數據為基礎，提出基坑開挖對周邊建筑物影響的簡化分析方法及預算基坑開挖引起周圍建筑物附加沉降變形的計算方法，并驗證了其合理性[11]。

2　基坑周圍地層沉降機理

通常，土體是由顆粒、水和氣體三相組成，一般認為土體變形是孔隙水排出、氣體體積減小和土體骨架發生錯動等原因造成的。在飽和土中，孔隙水壓縮量較小，往往孔隙水排出引起土體中孔隙體積的變化。對于非飽和土，與飽和度也有關[12]?；娱_挖和基坑降水是引起地面沉降、變形的兩大主要原因。引起基坑周圍地層移動與坑底土體的隆起和圍護墻的變形有著很大的關系，具體分析如下：

1) 坑底沉降

基坑土體開挖實質是卸荷的過程，破壞原始應力平衡狀態。導致坑底土體產生以垂直向上為主的位移，出現彈性隆起現象，坑底中心位置處隆起量最大。且隨土體開挖停止，隆起現象也隨即消失，此時坑底隆起基本不會引起周圍土體的沉降。但是，當土體開挖達到一定深度時，坑內與坑外地面高差不斷增大，在坑底處形成局部塑性區，周圍土體中形成較大塑性區，引起周圍土體發生不均勻沉降[13]。

2) 圍護墻變形

這是引起周圍土體沉降的重要原因，基坑土體開挖后，由于卸荷作用，墻內側形成被動土壓力，墻外側則受到主動土壓力。圍護墻兩側形成很大的土壓力差，在實際工程中，施工工藝往往是先開挖土體后施工支護結構，這也就導致主動土壓力區范圍內土體早已向坑內側發生水平位移移動。墻外側土體水平應力不斷減小，而塑性區不斷擴大，墻體主動壓力區和被動壓力區范圍內土體均發生了位移[14]。

通常，基坑降水有兩條途徑，即基坑外降水和基坑內降水，如設計或施工不當，都會引起周圍地下管線、道路及建筑物產生不均勻沉降。通常，在含水層中，土顆粒本身具有很高強度，并且土顆粒四周的水均帶有壓力。當地下水位降低較小時，調整砂粒之間的位置是很難的，壓縮量極小，整體很快處于穩定狀態。但是，粘性土層符合太沙基一維固結理論，隨著孔隙水的排出，土體產生壓縮沉降[15]。地下降水對環境影響如下：

1) 地下水位的降低，導致孔隙水從土體中排出或抽水時帶出細小土顆粒(砂)，土體壓密。使得土顆粒位置重新排列組合，導致孔隙水壓力降低，有效應力增加。最終，地面發生不均勻沉降。

2) 在坑內降水過程中，由于坑內外形成水頭差，受到動水壓力作用，土體結構變得松動并被破壞，坑內出現土體流失現象，基坑坍塌。

3) 坑底面有承壓水層或坑內外水頭差較大時，如承壓水層壓力大于坑底土體浮重力，便可形成“管涌”、“流砂”等現象，支護結構底端向坑內傾斜，坡面土體下滑，間接形成地面沉降[16]。

3　計算模型

在基坑降水施工整個過程中，存在著地下水滲流場、地面沉降位移場耦合效應。太沙基固結理論有著很大的局限，它是假定土體固結過程中總應力分布不斷變化，但這與工程實際情況相反。太沙基固結理論只有在一維計算方面是精確地，但就二維、三維計算而言，是不精確的，比奧(Biot)從連續介質的基本方程出發，考慮到位移與孔壓相互耦合，推導出三維固結方程(真三維固結理論)[4,17]。同時，注意區分太沙基固結三維方程稱為擬三維(準三維)固結方程。比奧固結理論方程的求解很復雜，但應用于有限元計算中得到了很好的發揮。

3.1平衡方程

假定均質、各向同性的飽和土單元體，只考慮土體(含孔隙水)重力，則三維平衡微分方程為

(1)

εx、εy、εz、us、vs、ws分別為x,y,z坐標向上為正，壓力為正, γ為土的重度

3.2有效應力原理

由有效應力原理可知，有效應力σ′與孔隙壓力pw之和即為總應力，靜水壓力與超靜水壓力u之和則是孔隙壓力，即

(2)

將式(2)代入式 (1)，得

(3)

3.3本構方程

假設土骨架作為線彈性體，服從廣義胡克(Hooke)定律，采用應變來表達應力，則有

(4)

G、v分別為剪切模量和泊松比，εv為體應變，且εv=εx+εy+εz

3.4幾何方程

假定條件為小變形，用位移表示應變，則6個應變分量分別為

(5)

εx、εy、εy、us、vs、ws分別為x、y、z方向上的正應變、位移。

3.5固結微分方程

將式(4)、(5)代入式(1)，得到用位移和孔隙水壓力表示的平衡微分方程，為

(6)

式(6)中的三個方程中有四個未知量，但另加一個方程，便可求解。通常，就飽和土而言，土體單元含水量的變化率等于土體積的變化率(水不可壓縮)，由達西(Darcy)定律推導：

用位移表示得

(7)

K為滲流系數，YW為水的容重。式(6)、(7)聯立得

(8)

u、us、vs、ws是坐標x、y、z和時間的函數。

最終，式(8)便是比奧固結方程，4個偏微分方程組成，含有4個未知量，可解，它是反映地面沉降變形與地下水滲流的耦合(流固耦合)。

4　結語

地下降水如何引起地面沉降的過程是很復雜的，其引發基坑周圍土體內地下水位和應力場的改變，誘使地面不均勻沉降，導致地下管線、道路及周圍建筑物不同程度的破壞，甚至出現重大工程事故。因此，探討地下降水對周圍環境影響的相關理論研究具有重要的意義。根據比奧固結理論，建立地下水滲流場與應力場三維耦合模型，則考慮了土體的非線性性質及土體固結變形過程中土體力學、土體水力學參數。較好地反應工程實際情況，取得理想效果。

從設計和施工人員角度出發，依據工程詳細的水文地質資料，準確運用地下降水引起周圍地面沉降計算模型，根據分析結果，優化設計、施工方案，確保地下管線、道路及周圍土體的沉降不超過事先模擬允許的沉降量。通過采取一系列有效防治措施，確保地下降水不會對周圍環境產生深遠影響。

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[責任編校： 張巖芳]

An Analysis of the Influence of Foundation Excavation Dewatering on the Surrounding Environment

DENG Yousheng1, YAO Zhiqiang2

(1SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 2SipingMunicipalHousingConstructionCo.,LTD,Siping, 136000,China)

Excavation dewatering causes the changes of the underground water level and the stress field in the surrounding soil, resulting in serious consequences such as uneven settlement of soil. The present study, through studying the mechanism of lowering underground water level on the surrounding soil movement aimed to show the coupled reaction that excavation dewatering and ground subsidence influenced each other. At last, according to Biot consolidation theory, the 3D coupling mathematical model of groundwater seepage field and stress field was established. The model could better consider the parameters of soil mechanics, soil hydraulics parameters, and reflect the actual situation in real engineering. Therefore, it could serve as a reference for engineering practice.

excavation dewatering; settlement mechanism; calculation model

2015-09-26

國家自然科學基金資助(51378182)

鄧友生(1969-)， 男， 湖南郴州人，博士后，湖北工業 大學教授，研究方向為橋梁基礎，基坑工程

1003-4684(2016)04-0097-04

TU94

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