基坑降水引起地面沉降分析

第４８卷第３期２０１７年３月　建　筑　技　术　Ｖｂ１．４８　Ｎｏ．３　Ｍａｔ．２０１７　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　・２３９・　基坑降水引起地面沉降分析　张　荫，　刘国强，　孙　淮　（西安建筑科技大学土木工程学院，７　１００５５，西安）　摘要：西安市地铁四号线后村站工程中，通过理论分析、现场监测和有限元模拟相结合的方法，根据　降水方案建立有限元模型，通过数值模拟的方法对基坑降水对周围环境的影响展开研究，并将模拟结果与现　场监测结果进行对比分析，验证模型合理性，提出减小基坑降水对周围环境影响的应对措施，可用于指导基　坑施工。　关键词：基坑；降水；地面沉降；ＡＢＡＱＵＳ　中图分类号：ＴＵ７５３　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００—４７２６（２０１７）０３—０２３９—０４　ＡＮＡＬＹＳＩＳ　ＦＯＲ　ＥＦＦＥＣＴ　ＯＦ　ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ　ＰＩＴ　ＰＲＥＣＩＰＩＴＡＴＩＯＮ　ＯＮ　ＧＲＯＵＮＤ　ＳＥＴＴＬＥＭＥＮＴ　ＺＨＡＮＧ　Ｙｉｎ，ＬＩ　Ｕ　Ｇｕｏ，ｑｉａｎｇ，ＳＵＮ　Ｈｕａｉ　（Ｘｉ．ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　Ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，７１００５５，Ｘｉ’ｎａ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ，ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｘｉ’ａｎ　ｓｕｂｗａｙ　ｌｉｎｅ　４　ｖｉｌｌａｇｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｆｉｅｌｄ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ，ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｓｕｂｗａｙ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｒａｉｎｆａｌｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ，　ｖａｌｉｄａｔｅ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ，ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｓｏｍｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｇｕｉｄｅ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ；ｐｒｅｃｉｐｉａｔｔｉｏｎ；ｇｒｏｕｎｄ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；ＡＢＡＱＵＳ　地铁建设多涉及大型基坑施工，常遇基坑降水问　１工程概况　题，由降水造成地面沉降而引起的工程事故也屡见不　鲜。调查显示，所有基坑事故中７０％以上是由水害　１．１基坑工程概况　引起。由于基坑降水过程中，地下水的改变会导致土　西安地铁四号线后村站站位地面标高３９７．９８０ｍ，　体物理参数发生较大改变，增加了设计与施工的不确　有效站台底板底面设计高程约３７９．０９０ｍ，底板设计埋　定｝生，极易产生不良的水文地质现象，从而引发工程　深１８．８９ｍ。地铁车站地面外包总长１９６．１Ｏｍ（不含围　事故　”。　护），标准宽度为２１．２ｍ（放大端宽度２４．９ｍ）。车　目前，城市中大多数深基坑尤其是地铁基坑开　站主体建筑面积为９　３２４．５　ｍ２。基坑安全等级为—级。　挖在地下水位以下，施工时间长，且大部分地处高楼　１．２周边环境　林立、地下管线复杂的繁华市区，因此减小基坑降水　车站主体范围内受主体结构施工影响的地下管　引起的地表沉降，确保周围地面及建筑物的安全尤为　线主要有：线路右侧给水管３根，天然气管１根，　重要　。　距基坑边缘及埋深为５．４２ｍ／１．４ｍ，６．５６ｒｒｄ１．３１　ｍ，　本文结合西安地铁四号线后村站工程，采用　７．２６　ｍ／２．４　ｍ，１　５．６　ｍ／１．５　ｍ；线路左侧有两根通信光缆。　ＡＢＡＱＵＳ有限元软件模拟基坑降水方案。通过对比　周边建筑物主要有：天成大厦钢筋混凝土剪力墙结　分析模拟结果与实际观测数据，研究深基坑降水对周　构，高９９．９５ｍ，地下２层，群桩，桩长４２．３ｍ，筏　围环境的影响。结合实测数据，分析降水引起基坑周　板基础，基础距基坑边缘１０．３５ｍ；金都大厦２７层，　围地面及建筑物沉降的特ｌ生并提出对策。　基础距基坑３４．５　ｍ，群桩桩基；赛博电脑城距基坑边　缘１５．５ｍ，地下ｌ层，基础资料不全。　收稿日期：２０１６＿＿ｌ１　１　１．３地质概况　基金项目：国家自然科学基金项目（５１１７８３８５）；国家“十二五”科　技支撑计划课题（２０１２ＢＡＪ１６Ｂ０２）　基坑所处场地地貌平坦，地面南高北低，地面高　作者简介：张荫（１９５５～），女，陕西富平人，教授，硕士生导师，　程介于４１４．１００￣４１５．３００ｍ，地基各层土为全新统、　ｅ－ｍａｉｌ：１　１４９９８５９５３＠ｑｑ．ｔｏｍ．　上更新统、中更新统地层。　・２４０・　建筑技术　第４８卷第３期　１．４地下水概况　达到预留降水深度时，地下水出水量与补给量处于平　２０１１年４月于钻孔内量测的稳定水位埋深　衡状态，降水漏斗曲线与地下水位不再变化。图ｌ为　６．２００～１０．１００ｍ，相应高程４０５．４８０－４０７．０６０ｍ，水位　降水前静水位在地面以下９．３　ｍ处的孔隙水压力云图。　年变幅２ｍ左右。　２降水模型的建立　在基坑开挖前进行降水，每次降水后的地下水位　至少应在基坑开挖面以下ｌ　ｍ。利用ＡＢＡＱＵＳ有限　元软件对基坑外管井井点降水＋基坑内明排疏干的降　水方案进行模拟分析。　２．１基本假设　图１初始孔隙压力云图　图２为降深１１．８ｍ时的孔隙压力图，可看出在　状，与实　（１）土层中地下水的渗流符合达西定律；（２）　降水井作用下水位明显下降，潜水面呈漏　．　土体渗透各向同性，且渗透系数为常数；（３）自然　际降水规律相符。水位以上的孔压设置为零，土体在自重作用下固结已　完成；（４）不考虑井点管的埋设和基坑开挖对土体　变形的影响；（５）土体的应力符合弹性应力应变关系；　（６）由于基坑平面尺寸长宽比大于８，按平面应变　问题考虑ｐＪ。　２．２计算区域的确定　图２降深为１Ｉ．８ｍ时孔隙压力图　根据本基坑概况及降水设计方案可知：基坑标　２．４．２水位特性变化分析　准段平面尺寸为２１．２ｍ×ｌ９６．１ｍ，地下水位埋深　从图３可看出，基坑降水水位呈漏斗状分布，基　９．３ｍ，降水井壁距坑壁１．５ｍ，间距２０ｍ，水位降　坑边缘的水位最低，测点距基坑边缘越远降水漏斗曲　深ｌ１．８ｍ，降水影响半径为２００ｍ。降水井埋置深度　线的曲率越小，在降水影响半径以外地下水水位基本　３０．１５ｍ，计算深度取４０ｍ，单井涌水量３６０ｍ　／ｄ。取　保持不变　。　降水影响半径以外处水平和竖向位移为０，模拟降水　时间取１００ｄ。　测点与基坑边缘的距离，ｍ　ｏ　２０　４０　６０　８０　１００　ｌ２０　１４０　１６０　１　８０　２００　采用二维数值模型分析该车站成层土降水过程，　由于车站基坑平面为细长的矩形，为简化计算采用　６　９　１２　ｌ５　ｌ８　平面应变模型进行分析，本构关系采用线性Ｄｒｕｃｋｅｒ－　Ｐｒａｇｅｒ模型　Ｊ。　２．３网格划分　根据确定的计算区域划分网格，单元类型选取为　２ｌ　平面四边形。因降水引起的附加应力及位移较大，所　以在井点管附近，网格划分稍密；离基坑边缘较远区　域位移及附加应力变化不很明显，故网格划分稍疏。　２．４模拟结果分析　２．４．１孔隙水压力分布特征　图３降深ｌ１．８ｍ时降水漏斗曲线　从图４可看出，随水位线下降，降水后期水位下　降速率减小，降水曲线趋于平缓，直至近似直线。　时间，ｄ　Ｏ　１０　２０　３Ｏ　４Ｏ　５０　６０　７０　８Ｏ　９０　ｌ０Ｏ　基坑降水是一个动态过程，模拟降水前土体中水　流量不变，自然水位处于地面以下９．３ｍ，且孔隙水　压力随土层深度的增加而变大。在降水井流量边界，　设置流量大小为３６０　ｍ　／ｄ，孔压设置为０。模拟降水　＿６　｛一０　１２　ｌ５　开始运行，井点管周围地下水开始向流量边界渗流，　逐渐出现漏斗曲线。漏斗曲线随离井管距离的减少越　一ｌ８　２ｌ　２４　来越陡，而地下水位在降水影响半径以外几乎无变化。　图４水位随时间变化模拟　２０１７年３月　张荫，等：基坑降水引起地面沉降分析　・２４１・　０　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　４　ｍ　２．４．３各土层沉降特性分析　补给使水位上升，土层吸水使土体有效应力减小，引　从图５中可看出，土层沉降曲线与水位变化类似，　起地面沉降回弹；由于土层沉降回弹的滞后性，水位　均呈漏斗状分布。随距基坑边缘的距离增大，各土层　回升比土层沉降回弹提前。　沉降量逐渐变小，在降水影响半径以外的沉降趋于０。　第３阶段为再次下沉阶段，与上次相比下沉较缓　基坑降水深度为Ｉ１．８ｍ处，管井孔隙流量分布在老　慢，由于土层压缩需要时ｌ＇￣－Ｊ，随降水的进行土层缓慢　黄土层，作为主要降水层，该土层沉降量最大，在降　压缩，但本次下沉并不明显。　水水位无变化的粉质粘土层，土层沉降较小，几乎无　第４阶段为再次回弹阶段，与第二阶段相同。　变化。　第５阶段为急剧沉降阶段，为满足施工需要，按　离开基坑边缘的距离／ｍ　基坑开挖分区先后开启井点，抽水量迅速增加，土层　０　４０　８０　１２０　１６０　２００　有效应力、孔隙水压力、渗透力也急剧增大，使基坑　周围地面急剧沉降，沉降曲线变陡。　ｌ　第６阶段为平稳阶段，随抽水进行，每日抽水量　世　不再变化，地下水位趋于稳定，地面沉降量也基本达　好　到稳定状态。　３．３建筑物沉降分析　图５各土层沉降曲线　选取金都公司大楼及赛博电脑城作为基坑降水引　起建筑物沉降分析对象，以每栋建筑的各沉降观测点　３现场监测数据分析　作为研究对象，从沉降随降水时ｌ￣＇－Ｊ的变化曲线分析建　由于本基坑降水时ｌ＇￣－Ｊ较长，为确保周边高层建筑、　筑物的沉降规律如下。　道路及环境安全，须建立周密的监测系统。本工程监　（１）监测点的最大沉降值为１０．６６ｍｍ，由周边　测日期为２０１５年３月２９曰至７月７目。　地区（西安地铁２号线小寨站）的施工监测资料显示，　３．１水位监测　降水期Ｉ＇￣－３最大沉降量为１８ｍｍ，报警值为２４ｍｍ。目　从图６可看出，降水初期水位下降较陕，随抽水　前对沉降差异小于５０　ｍｍ的情况，建筑物可以承受，　的进行后期水位下降变缓，达到降水要求后逐渐呈直　故认为本基坑降水施工对周围建筑物主体结构影响不　线状态，上下波动不大。　大，降水方案及参数合理。　（２）两栋建筑物的沉降变化规律相似，且与地　时间／ｄ　０　１０　２０　３０　４０　５０　６０　７０　８０　９０　１Ｏ０　面沉降规律大致相同。同一栋建筑物不同位置的沉降　变化曲线也大致呈相互平行分布趋势，表明距基坑边　５　缘不同距离的沉降观测点变化规律相似，但不完全相　ｌ０　同。各观测点的最大差异沉降较小，建筑物安全。　善一１５　＊　０　４模拟结果与实测结果对比分析　２５　４．１水位特性比较分析　３０　有限元模拟结果与实测结果变化规律类似。西安　图６观测井水位变化历时曲线　地区地下水变化幅度为２　ｍ，由于地下水随季节变化，　３．２地面沉降曲线及特性分析　观测井位于基坑中部，故降水后期水位出现波动。随　基坑东西两边的地表沉降变化规律相似，各　降水的进行，水位趋于稳定时其最终水位略高于模拟　观测点都有明显的变化阶段，可大致将其分为６个　值，总体上降水期内有限元计算结果与实测结果较为　阶段。　吻合，说明建立的有限元计算模型及参数选取较合理。　第１阶段为快速沉降阶段，由于群井抽水作用，　４．２地面沉降拟合分析　基坑内外水位差产生水力坡度，土体有效应力增加，　地表的最大沉降值在基坑边缘，在降水影响半径　地下水孔隙水压力变小；降水引起土层附加荷载增　以外为０，由于实际工程中不可预见的如降雨、可变　加，使土层产生固结压缩变形，造成地面沉降　】。　荷载等影响因素较多，而有限元模拟过于理想化使模　第２阶段为回弹阶段，带地下水回升阶段地下水　拟值略小于实测值，但实测沉降值与有限元模拟值在　・２４２・　建筑技术　第４８卷第３期　总体趋势上基本吻合　】。　将距基坑ｌＯｍ处点和２０ｍ处点作为研究对象，　表沉降夫贝律的分析，基坑降水过程中应有针对性地加　强各阶段的沉降观测。若出现问题应及时采取措施，　根据现场观测数据绘制成沉降变化历时曲线，与模拟　以减少降水对周围地表沉降的影响。　结果进行对比分析。　（２）地面沉降变化与降水周期基本保持一致，　实测数据出现较大波折变化，最终沉降量比有限　降水过程中虽出现沉降和回弹现象，但沉降总体趋势　元模拟计算值大，主要原因如下。　（１）基坑降水模拟时未考虑周围建筑物的荷载　分布；　是随降水量增大而增加，最后趋于稳定。　（３）地表沉降与水位变化规律一致，距离基坑　边缘越近水位下降越大，沉降值也越大，且随测点离　（２）由于降水井非同时开启，而是由基坑一端　基坑边缘距离的增大而逐渐减小，而在降水影响半径　逐渐对称开启，逐步增加井数，引起了急剧下降和　回弹；　（３）模拟计算无法考虑基坑周围可变荷载（如　车辆、材料等）的变化；　（４）有限元建立的模型过于理想化，实际工程　中土体是弹塑『生体，且未考虑开挖引起基坑边缘的沉　降变形。有限元模拟计算虽无法模拟地表沉降曲线的　波折变化情况，但在同一时间段可反映相同的沉降变　化趋势。　５减少降水对周围环境不良影响的对策措施　基坑降水过程中，随地下水位降低，土层有效应　力增加，在基坑周围一定范围内，水位变化形成漏斗　状分布，以漏斗为中心形成地面沉降变形区域，对基　坑周围环境产生影响，严重时会引发周围地面裂缝、　建筑物倾斜等，影响周围建筑物的正常使用和基坑安　全施工，因此基坑降水设计施工中应充分预测沉降变　化情况，加强沉降监测，采取减少降水对基坑周围环　境影响的对策。　（１）做好基坑周围环境调查工作，查清工程所　在地的地质概况、周边环境及地下水概况；查清上下　水管及地下管线的分布情况和类型、埋设时间、对土　层沉降的承受能力，考虑是否采取加固措施陋】。　（２）防止降水井抽出水的含砂量超标：降水　井滤料配置和回填应严格按要求进行，滤料填人并　封闭后应及时冼井，直至抽出水中的含砂率不大于　１／５０　０００。　（３）设置止水帷幕。　（４）设置回灌系统：为减少基坑降水对周围环　境的影响，可设置回灌系统，使原有地下水位保持平　衡，以减小因降水引起的地面附加荷载。　６结论　（１）基坑降水初期地表沉降量变化不大，但随　降水进行降水量增加，地表沉降迅速增大。根据对地　以外的区域几乎无变化［９】。　（４）从实际监测数据分析可看出，本基坑附近　建筑物最大沉降量及地面沉降量比报警值（２４　ｍｍ）　小很多，所以基坑降水对地面及建筑物的影响不大，　验证了降水方案的合理陛。　（５）对比分析数值模拟与现场监测数据，两者　具有相同的变化趋势，有限元模拟水位和沉降变化情　况与实测数据较吻合，验证了模型的合理眭，说明采　用的计算模型和参数的选取较合理，可利用该模型对　类似基坑降水工程进行沉降及水位预测。　参考文献　【１］范新明．西安地铁车站黄土地层深基坑施工降水技术［Ｊ］ｌ城市轨　道交通研究，２０１０（６）：９１－９７．　［２】付刚．北京地铁降水方法研究与应用［Ｄ】．长春：吉林大学，　２００５．　［３］周正永．海积软土地区地下工程活动对环境的影响和试验研究　［Ｄ］．西安：西安建筑科技大学，２０１０．　［４］吴兵．成都地区地铁车站深基坑排桩支护结构受力规律研究［Ｄ］．　成都：西南交通大学，２０１１．　［５５］　侯小杰．西安地铁深基坑支护方案优选［Ｄ】．西安：西安建筑科技　大学，２０１４．　［６］孙准．某地铁车站基坑降水方案优选及降水对周围环境影响研究　［Ｄ］．西安：西安建筑科技大学，２０１４．　［７］陈万鹏．基坑开挖引起地表沉降的预测方法研究［Ｄ］．南京：南京　工业大学，２００６．　［８８］　赵媛，张强．ＰＣＭＷ工法在基坑工程中的应用——以南京某工程　为例［Ｊ］．南通大学学报（自然科学版），２０１４（４）：７１—７６．　［９９】　唐永泽，唐高杰，陈晶晶．深圳某基坑工程对周围环境的影响研　究［Ｊ］．测绘与空间地理信息，２０１５（６）：６０￣５４．　＿ｊ　住建部印ｌ发绿建工程消耗量定额通知　为贯彻落实国务院绿色建筑行动方案有关“制　定绿色建筑工程定额和造价标准”的要求，满足绿　色建筑工程计价需要，住建部组织编制了《绿色建　筑工程消耗量定额》，自２ｏ１７年４月１日起执行。　执行中遇到的问题和有关建议需及时反馈至住建部　橱淮竞　。｜　。