深基坑降水引起的地面沉降分析
2015-08-05
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核心提示： 摘要：结合北京中冠大厦基坑降水工程实例，分析了中冠大厦基坑降水所引起地面沉降的机理。通过应力面积法基本原理计算法对基
摘要：结合北京中冠大厦基坑降水工程实例，分析了中冠大厦基坑降水所引起地面沉降的机理。通过应力面积法基本原理计算法对基坑降水引起的地面沉降进行了理论计算，揭示出降水所引起的地面沉降与水位降深呈正比，与压缩模量呈反比；离基坑越近，单位间距内地面沉降增量越大，所造成的差异沉降越明显；其降水影响半径约为131.8m，最大沉降量约为35mm，对离基坑10m远的中关大厦影响不大，而离红线1m左右的高压线和电信线必须将其移走或采取有效措施。
关键词：深基坑；降水；地面沉降；应力面积法
城市地下空间开发利用的规模深度和广度日益加强，基坑降水工程不可避免的引起基坑周围土层中地下水位和应力场的改变，这必然导致基坑周围地面的沉降水平位移和支护结构的变形，从而影响相邻建筑物和市政管线的正常使用甚至破坏[1-6]。因此，研究和探讨基坑工程降水所引起的地面沉降变形机理，从理论上指导降水工程的设计和施工对保护深基坑周边环境具有重要意义。
本文结合北京中冠大厦基坑工程，用应力面积法基本原理计算法对基坑降水引起的地面沉降进行了理论计算，对基坑工程降水引起的地面沉降进行了分析。揭示了基坑降水引起地面沉降的规律，对工程实践起了很好的指导作用。
1工程概况
中冠大厦工程位于北京海淀区海淀南街北侧，大厦地上13层，地下3层，地面标高约52.4m，基底埋深-16.05m，基坑开挖深度为-16.15m。东侧约10m处为已完成新中关大厦，其基础埋深约20m，其基坑采用护坡加锚索支护；其余各侧均为马路。另西侧距离红线1m左右（局部至红线）有高压线和电信线。根据勘察资料，场地地层构成及土层参数见表1，钻探40.0m深度范围内存在3层地下水见表2。
表1场地地层构成及土层参数
Tab.1formationofstratuaandparametersofthesoil
表2地下水埋藏情况
场地水文地质条件，第一层台地潜水不连续，局部可见；第二层层间潜水，水量不大；第三层潜水普遍存在，水位于基底以下较深处，无承压性。由于对本工程起影响的主要为第一层水，因此降水目标为第一层及第二层水。
结合场地水文地质与工程地质条件和降水、支护方案，设计基坑深15.1m，抽水井深24.0m，降水井井径600mm，用护坡桩加预应力锚索联合支护，支护桩长20.0m，抽水井距支护桩1.8m。原地下水位约7.0m，降水后坑底地下水位为地面以下16.5m，水位降深为9.5m。
2用应力面积法计算地面沉降的原理
引用应力面积法计算基底沉降量的基本原理，在不考虑渗流的情况下，其中的附加应力即为原地下水位面与降水后地下水位面之间土层降水前后的有效应力增量。由于降深6.0米以下主要为卵石层，与上部土层差异压缩模量很大，因此将其分开考虑。
（1）计算原地下水位面与降水后地下水位面之间土层降水前后有效应力增量。
当地下水位降深H1≤6.0m时，
（2.1）
当地下水位降深6.0m＜H1≤9.5m时（本工程最大降深9.5m），（2.2）
（2）沉降量计算
当地下水位降深H1≤6.0m时，
（2.3）
当地下水位降深6.0m＜H1≤9.5m时（本工程最大降深9.5m），
（2.4）
3基坑工程降水引起的地面沉降分析
3.1水位降深与地面沉降关系
地下水降深分别为1.0m、2.0m、3.0m、4.0m、5.0m、6.0m、7.0m、8.0m、9.0m时，不同地下水位降深的总沉降量s计算结果见表3。
表3不同水位降深的沉降量s
3.jpg
由已经计算的沉降结果得地下水位降深与沉降量间的关系见图1。
图1水位降深与沉降量间关系图
Fig.1relationshipbetweenthewaterlevelandthesettlement
由图1可知，地下水位降深越大沉降量越大，其最大沉降量为35.0mm左右；土层的压缩模量也严重影响着沉降量，降深为9.0m时的沉降量与降深为6.0m时的沉降量差异很小，主要是因为6.0m至9.0m内的土层为砾石，其压缩模量很大。综上所述，降水所引起的地面沉降与水位降深呈正比，与压缩模量呈反比[2，3]；水位降深越大沉降量越大，压缩模量越大沉降量越小。
由结果还可以得出，如果原地下水位面与降水后地下水位面间的土层为砾石等压缩模量较大的土层时，在不考虑渗流所引起的地面沉降时，可以不考虑因降水引起的地面沉降对周围建筑物或地下管线的影响。
3.2离基坑距离与地面沉降关系
根据库萨金公式求得其降水影响半径为131.8m。结合本工程中的数据，用降水影响线方程[4]求出各水位降深处离井点中心的距离，绘制距基坑距离与地面沉降关系图。如图2所示。
图2离基坑距离与地面沉降量关系图
Fig.2relationshipbetweendistancetofoundationpitandgroundsettlement
由图可知，模拟所得的地面最大沉降量约为35mm，随着离基坑距离增加曲线的斜率逐近减小，这说明离基坑越近，单位间距内地面沉降增量越大，所造成的差异沉降越明显，其差异沉降量越大，从而更易使周围建筑物因差异沉降而破坏。
在离基坑10m处的沉降量只有5.0mm左右，对10m外的建筑所造成的影响不大，因此离基坑10m远的中关大厦受此降水方案的影响不大；在离基坑50m处的沉降量仅有1.0mm左右，因此该降水和支护方案对50m外建筑物的影响可以忽略不计；在离基坑1.0m处的沉降量高达27.3mm，因此在西侧距离红线1m左右（局部至红线）有高压线和电信线，需要将高压线和电信线采取有效措施后方可施工。
4工程实测
在此基坑工程进行降水过程中，对西侧距1m处的高压线和电信线进行了搬移，同时分别对距基坑1.0m和5.0m处进行了沉降位移监测。监测数据表明，距基坑1.0m处的最大沉降位移达到了30.1mm，而在距基坑5.0m处的最大位移仅4.6mm。实践证明，理论分析结果与现场施工所造成的实际沉降量基本吻合，对工程实践起了很好的指导作用。
5结论
（1）降水所引起的地面沉降与降深呈正比，与压缩模量呈反比，降深越大沉降量越大；土体的压缩模量越大，地面沉降量越小；当地下水降深范围内只有卵石等压缩模量很大的土层时，在不考虑渗流所引起的地面沉降时，可以不考虑降水对地面沉降的影响。
（2）由于降水形成降落漏斗，因而离基坑（降水井点）距离不同而沉降量不同，离基坑越近，单位间距内地面沉降增量越大，所造成的差异沉降越明显，差异沉降量越大。因此离基坑越近的周围建筑物或周围地下管线，越易导致破坏。
（3）降水影响半径约为131.8m，最大沉降量约为35mm。在离基坑10m处的沉降量只有5.0mm左右，因此该降水方案和支护方案对10m外的建筑所造成的影响不大；在离基坑50m处的沉降量仅有1.0mm左右，因此该降水和支护方案对50m外建筑物的影响可以忽略不计；在离基坑1.0m处的沉降量高达27.3mm，因此在西侧距离红线1m左右（局部至红线）有高压线和电信线，需要将高压线和电信线采取有效措施后方可施工。
（4）在基坑降水过程中的实测监测数据表明，距基坑1.0m处的最大沉降位移达到了30.1mm，而在距基坑5.0m处的最大位移仅4.6mm。证明理论分析结果与现场施工所造成的实际沉降量基本吻合，对工程实践起了很好的指导作用。
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