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1、基坑降水对地面沉降的影响罗 芹 赵清平 郑丹（中煤国际工程集团武汉设计研究院，湖北 武汉 430070）摘 要： 本文通过基坑降水对地面沉降的影响分析，结合建筑地基基础设计规范（GB50072002）对地基变形的要求，提出了影响带的划分方法，为基坑降水设计及基坑变形监测提供参考。关 键 词： 降水； 地面沉降； 影响建筑业1、问题的提出随着我国城市建设的不断发展，深基坑工程占了极大的比例，其规模和深度不断加大。在基坑开挖时对地下水多采取降水方法进行处理。由于降水而引起地面发生沉降，造成的危害也愈来愈严重。诸如大面积地面下沉、建筑物歪斜、墙基开裂等，究其原因是由于抽取地下水引起土层有效应力增加，
2、从而使土层压密造成的。因此应引起高度重视。本文通过基坑降水对地面沉降的影响分析，提出周边地面沉降影响带的划分方法，为基坑设计及基坑变形监测提供参考。2、沉降量的计算国内外学者对抽水沉降进行了大量的研究，提出了各种计算方法。目前，国内对抽水沉降的计算多采用分层总和法。在一维固结条件下，水位下降或恢复时土层中孔隙水压力分布规律与太沙基一维固结方程的理论曲线基本相似，固结度的表达方程也形式一致。在抽水条件下，土的固结迭加原是适用的。因而可用弹性变形的分层总和法计算沉降量Si 1： （1）式中 为有效应力的改变量，ES为土的压缩模量，hi为土的分层厚度。因此总的沉降量2为：（2）式中：S为总的计算沉降
3、量。2还可以表示为： （3）式中 为沉降经验修正系数，一般取（0.20.7）。对承压水而言，采用式（4）计算3： （4）对潜水而言，设潜水层土质均匀，土层厚度为H0，采用式（5）计算3：（5） 根据式（4）、（5），只要知道就可分别计算出承压含水层和潜水含水层的地面沉降，同时又可根据，预测地面沉降的发展趋势。因此，抽降地下水引起地面沉降计算的关键就是准确地计算在水头降深条件下相应的有效应力改变量的时空分布特征。3、基坑降水引起地面沉降的范围及影响程度基坑周边地面沉降一般由开挖和降低地下水位所引起。从理论上说，基坑降水时，抽降水引起地面沉降影响范围就是抽水水位下降漏斗的范围，并且具有离基坑愈近水
4、位下降值愈大，地面沉降愈大的特点。当水位下降后的标高已经高于或接近于在枯水期天然状况下地下水水位的标高值时，可作为基坑降水时的影响范围。沉降计算的目的是为了预测降水引起的沉降量或沉降差会不会太大，是否会影响基坑周边建筑物的安全和正常使用。我国建筑地基基础设计规范5（GB50007-2002）中表5-3-4对建（构）筑物的地基变形允许值作了具体规定。目前，确定容许沉降量主要有两条途径，一是理论分析法，二是经验统计法，理论分析法的实质是进行结构和地基相互作用分析，计算上部结构中由于地基差异沉降可能引起的次应力或拉应变，然后在保证次应力或拉应变不超出结构承受能力的前提下，综合考虑其他方面的要求，确定
5、地基容许沉降量。但这方面的理论分析研究存在不少困难，如结构、构件的性状、地基土的本构关系、土性参数以及现场的边界条件等都不容易确定。从工程实用角度，目前主要还是依靠经验统计法。建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）中表5-2-6就是用经验统计方法得出的。对深基坑开挖与降水引起的地面沉降，目前也无法准确地区分开来，在确定深基坑降水引起地面不均匀沉降和程度时，必须充分考虑深基坑开挖引起的沉降量及沉降差的大小。对抽降承压水，承压含水层的沉降量为3： （6）式中： 为常数，降深愈大，沉降量愈大。抽水时在井的周围形成漏斗状的水头（位）下降区，井周围降深最大，其沉降量也最大。同时，井周围水力坡度
6、最陡。地面倾斜率为3： （7）式中：tg为地面倾斜率，J为水力坡度。因此根据式（6）、（7）就可以判定地面沉降的影响范围和不均匀沉降发育程度。根据式（7）可知：倾斜率的大小与含水层的厚度，压缩模量及水力坡度的大小有关，因此，对沉降影响带的划分应根据规范(GB50007-2002)中的规定和含水层的厚度，压缩模量及水力坡度值综合分析后确定。深基坑开挖引起地面沉降的范围一般为（14）Hw（开挖深度），在此范围内总沉降包括开挖沉降和降水沉降两部分，其沉降量和不均匀沉降率均不应超出规范(GB50007-2002)中的规定，否则将影响周边建筑物的安全。根据裘布衣稳定流计算公式，各点的降深与距井的距离呈对
7、数关系，由式（6）可知，地面沉降与趋势一致，亦呈对数关系。距离基坑越近，水力坡度越大，降深越接近基坑降深值。随着垂直于坑壁由内向外，距离基坑越远，水力坡度逐渐趋缓接近于层流正常值（一般0.05）。通过对武汉汉口软土地区的基坑降水工程研究表明，深层承压含水带多为砂土，厚度一般在2545m之间，其压缩模量高达40MPa80MPa，水位每下降1m，这部分土体压缩段引起的地面沉降仅为1mm2mm，且和降低水位过程呈同步关系，很快固结完成。随着垂直于坑壁由内向外的径向距离不断增加，可以大致地将坑周地面沉降影响分带如下：强影响带： 05中影响带： 5 10微影响带： 10强影响带与基坑支护体系侧向位移引起
8、基坑周边的地面沉降都处于同一范围内，沉降发生叠加。故必须给予高度重视。通过多年来汉口软土地区降水实践知：基坑降水引起的沉降最大值约S=0.9%1.2%，即下降1m，最大沉降为1cm左右，强影响带内沉降量为(0.601.0)S，水力坡度0.05；中影响带为(0.420.60)S，水力坡度0.05；微影响带为0.42S。引起的地面附加倾斜率为：强影响带tg=0.05%0.1%中影响带tg=0.01%0.05%微影响带tg=0.05%0.002%这对于建筑物或构筑物的正常使用一般不会造成影响。 经验证明：汉口软土地区基坑抽降水，当水力坡度0.05时，沉降差1.5。 为了控制周边环境因水力坡度过大，造
9、成不均匀沉降量过大的不利情况出现，抽水井应尽量布置在基坑中，而不宜布置在基坑外侧，这样既有利于： 1.基坑群井抽水干扰效果较好，可以少数量的井达到控制降深的目的。 2.可以使降落漏斗尽量位于基坑中，使周边承压水水力坡度趋缓，减小地面倾斜率，达到控制不均匀沉降的目的。4、结论经过对抽降地下水对周边地面沉降的影响分析，可得出如下结论：（1）在距离基坑05范围内为沉降强影响带，引起的地面附加倾斜率为tg=0.05%0.1%；在距离基坑510范围内为沉降中影响带，引起的地面附加倾斜率为tg=0.01%0.05%；在距离基坑10倍以上范围内为沉降微影响带，引起的地面附加倾斜率为tg=0.05%0.002
10、%。（2）为了控制周边环境因水力坡度过大，造成不均匀沉降量过大的不利情况出现，抽水井应尽量布置在基坑中，充分利用群井干扰效果，而又使水力坡度陡降段处于基坑内，不致影响基坑周边建筑物的安全。（3）在对基坑及降水进行变形监测时，监测点的埋设应主要布置在强影响带内和中影响带内。参 考 文 献1陈仲颐等. 土力学M. 北京： 清华大学出版社. 1994.2华南理工大学等. 地基与基础. 中国建筑工业出版社. 1995.11.3赵清平. 抽降地下水引起地面沉降的计算与预测. 岩土力学 2002年10月 Vol.23 增刊.4赵清平. 降水含水层的应力变化模型. 土工基础 2003年第一期.5建筑地基基础设计规范（GB50007-2002） 北京 中国建筑工业出版社. 2002.6 赵清平. 对“固结过程中固结系数Cv的变化及其对地面沉降预测的影响”一文的讨论J. 水文地质工程地质. 1989.(2):35-38.