基坑開挖引起地面沉降研究

摘 要：城市基坑開挖引起的地面沉降是城市管理、建設需要注意的關鍵性問題，具有出現的范圍廣泛、發生災害后果惡劣等基本特點。根據對國內外文獻的檢索與參考發現，地面沉降的方式分為土體固結引起的沉降、孔隙水體滲流引起的地面沉降、圍護結構變形引起的沉降、坑底回彈引起的沉降、支撐拆除引起的土體向內變形沉降。

關鍵詞：分析方法；機理研究；沉降監測

近年來由于輕軌交通的運量大，速度快，耗時短的特點，到2016年年底，全國已經建成大約2500公里的軌道里程。由于國務院放開了軌道交通建設的審批門檻，所以各大城市也在緊鑼密鼓的加緊各自城市的城市軌道交通的建設步伐。但是由于南北方的天然地質條件有相當大的差別，在這種無差別式的發展模式下，必定會引起較為嚴重的巖土工程問題。

1 計算分析方法

1.1 有限元法

有限元法的關鍵思維是把一個連續的整體劃分為若干個子單元，并通過節點之間的相互連接作用，組成一個組合整體，對于其內部的每個單元都采用一個近似的函數來表示，并且最后表示出整個求解區域的未知變量，再通過原始數學模型的分析，建立要求解未知量的微分方程，再表示為矩陣方程，最后得到原始問題的解答。有限元法有其自身不可替代的優越性：（1）幾何模型適用性：其內部單元可以是不同的幾何形狀。（2）物理問題適用性。（3）嚴格理論之上的可靠性。（4）計算機計算的高效性。

1.2 地層損失法

地層損失法采用的是彈性地基粱法，地層損失法最先用于隧道地面沉降的計算，其損失量為開挖土體的體積與隧道體積的差值，并通過這個差值大小來確定地層損失率，進而估計地面沉降的大小。而現今的基坑開挖中，也極為廣泛的得到運用，把圍護結構側向的位移圍城面積與地面沉降的面積之比值關系，求得地面的沉降。

1.3 估算法

（1）時空效應法：通過工程實踐的證明在基坑開挖支撐中，由于基坑開挖會使得土體被暴露于空氣中，進而使得時間會影響坑體的穩定性和變形變位，甚至當開挖基坑的尺寸大小較大時，這種時空效應會更加的明顯。（2）穩定安全系數法：在此法的最關鍵性結果是認為，基坑底部抗隆起安全系數、支護結構最大水平位移、地面最大沉降，這三者存在一定的關系，從而通過彼此的關系進行實踐性運用，解答實際問題。

2 沉降機理及影響因素

地面沉降是一個由多方面因素耦合的結果，既有人為的因素也有自然的災害因素，地下結構的開挖、土體自然固結、荷載變化再壓縮、地下水位開采變動、降雨引起的滲流力作用、海平面的上升等都是沉降不可忽視的重要因素。

2.1 軟土自重壓密固結

地面沉降量隨著時間增長而增大，在軟土和人工填土等空隙較大、壓縮性較強、承載能力較低的地區，會發生土體在自身重力的作用下，土體排除自身水分、顆粒重新排列的作用，使得土越趨密實，使得地面不可避免的發生沉降。

2.2 地下開采過量沉降

地下水位開采會引起土體的原始應力的有效應力發生變化，進而推進土體的再次固結變形，而松散土體顆粒的變形是由于土體內部本來就存在大大小小的空隙沒有完全的壓縮密實，開采會引起原始應力的平衡被打破，從而土體會尋求新的平衡點，使得土體內部顆粒發生重新排列，引起地面的塌陷甚至崩塌事故的發生。

2.3 地下滲流力的作用

在開挖區，一般會形成開挖臨空面，而當地下水位較開挖區而言較高時，會使得坑體外部的水分會沿著地表向坑內發生流動，在流動的過程中，會產生一定的滲流力，滲流力對于土體的固結和沉降有著加劇的作用。并且水分的潤滑，更加有利于顆粒間的移動，對沉降位移也是一大因素。

2.4 城市高程建筑物之間的相互作用

由于現代化建設的持續化進行，城市化也在加緊步伐，城市高程建筑物如同雨后春筍般的聳立，勢必會對原始的地層造成附加的荷載作用，使得地面發生再次壓縮變形，更有甚者，彼此之間應力影響區的重疊，造成更加劇烈的地面變形破壞。

3 地面沉降監測

地面沉降的監測作為評價和驗證地面危害性研究具有極其重要的作用，能夠及早的提醒人們對于沉降危害的預防和治理，監測的技術大致可以分為以下幾個方面：水準測量技術、三角高程測量技術、GPS測量技術、INSAR監測技術、分層沉降監測技術。

3.1 水準測量技術

在有地面沉降的地區，布設地面沉降水準網，對地面沉降進行反復的監測研究，并為控制地方沉降提供準確、可靠地資料。

3.2 三角高程測量技術

通過對自身位置和需要觀測位置的角度測量和水平距離的測量工作，從而利用三角函數關系，計算出地面沉降的大小的方法，對于不同的地勢條件都有很好的適用性。

3.3 GPS測量技術

主要是通過相對定位方式，對于不同的點可以得出該點的三維坐標，從而達到監測沉降的目的，但是此方法對監測系統的選擇有很大的要求。

3.4 INSAR監測技術

合成孔徑雷達干涉技術，是通過雷達技術獲取SAR圖像，并利用不同角度時SAR圖像具有不同相位差或干涉條紋的原理，從而可以通過調整視角，從而得到分辨率較高的數學高程模型。

3.5 分層沉降監測技術

針對土體，在不同的高程和位置，設置沉降觀測點，來測量土體的分層沉降值，繼而得到總體的沉降值。分層沉降系統可以分為：鋼尺沉降儀、沉降管、沉降環等。

4 結語

地面沉降是城市公路、地鐵隧道、基坑開挖、地下開采工程中常見的地質災害問題，文章分析了基坑開挖的地面沉降影響因素、沉降觀測手段、和沉降的機理性研究，為我們更好地認識和預防地面沉降危害的發生，有效保護生命財產安全，對社會的發展有著積極地作用。

參考文獻

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作者簡介：李果（1994.12- ），男，重慶人，碩士，重慶交通大學，研究方向：巖土工程。