王文峰

(中鐵濟南工程技術(shù)有限公司，山東濟南 250022)

1 降水對周圍地表沉降的研究現(xiàn)狀

隨著抽水時間延長、抽水量的增加，人們逐漸察覺到過量抽水與地面沉降之間有某種聯(lián)系。O.E.Meinzer1923年最初闡述了地表沉降的定義；1924年，日本對關(guān)東地震后的地表沉降再次進行了測量，最終確定了地表沉降與地下水下降之間的聯(lián)系[1]；太沙基1925年提出一維單向固結(jié)理論，比奧1941年提出了三維固結(jié)理論[2]。20世紀(jì)80年代以后，許多學(xué)者又從三維流固耦合模型、數(shù)值模擬、微觀等方面研究了地表沉降與地下水之間的聯(lián)系[3]。

2 降水沉降的理論分析

2.1 地面沉降機理

基坑降水是引起周邊地面沉降的主要原因，降水會改變地下水的滲流方向，形成一個以基坑為中心的水位降深漏斗面。原始水面以下，排水引起地基土層中孔隙水體積減小，隨后孔隙水壓力逐漸減小，使有效應(yīng)力增加，在有效應(yīng)力作用下土體骨架產(chǎn)生瞬時和蠕動變形，地表即發(fā)生沉降。有效應(yīng)力原理是基坑降水引起地表沉降的基本原理[4]，如圖1所示。

圖1 有效應(yīng)力原理

圖1中P為土層的總壓力，σ′為有效應(yīng)力，u為孔隙水壓力，即P=σ′+u。當(dāng)?shù)叵滤陆禃r，地層中的總應(yīng)力保持不變，孔隙水壓力減少ΔP，隨即有效應(yīng)力相應(yīng)的增加ΔP，即P=(σ′+ΔP)+(u-ΔP)。

2.2 降水影響范圍的計算

降水影響范圍的計算分潛水含水層和承壓含水層兩種。降水影響范圍宜通過試驗或根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗確定，無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗值時可按如下公式進行計算：

潛水含水層抽水影響范圍的計算公式

(1)

式中l(wèi)——降水井影響范圍；

s——降水井外壁處的水位降深；

k——地層的滲透系數(shù)；

m——潛水含水層厚度。

承壓水含水層降水影響半徑計算公式

(2)

2.3 降水曲線確定[5-10]

在基坑抽水的過程當(dāng)中，地下水的變化將從不穩(wěn)定形態(tài)發(fā)展到穩(wěn)定的形態(tài)。其引起的地下水位降深為漏斗狀，可通過解析法或數(shù)值法加以分析(如圖2所示)?，F(xiàn)有的基坑降水計算預(yù)測基本也是解析模型，其模型一般是應(yīng)用地下水動力學(xué)中的穩(wěn)定流完整井干擾群公式， 降水范圍內(nèi)任意點的水位降深方程如下。

圖2 水位降深示意

式中S——降水范圍內(nèi)任意點的水位降深；

m——潛水含水層的厚度；

k——地層的滲透系數(shù)；

Qi——按干擾井群計算的第i個降水井的單井流量；

li——第i個降水井的影響范圍；

ri——第i口井中心至地下水位降深計算的點的距離；

n——抽水井的數(shù)量。

3 沉降計算[8]

分層總和法考慮土的成層性，根據(jù)土有效應(yīng)力增量計算降水導(dǎo)致的沉降量。對于第i層土的土層微單元，沉降計算公式如下

(4)

式中S∞——降水引起的地面沉降量；

Ei——隔地層的壓縮模量；

Δσi——水位下降引起的各地層的有效應(yīng)力增量；

Δhi——受降水影響的各地層的厚度。

計算每一水位差作用下的沉降量St

St=ut×S∞

(5)

式中St——某時間降水引起的地面沉降量；

ut——固結(jié)度。

4 工程實例

4.1 工程概況

濟南市二環(huán)西路拓寬改造，與其相交的京滬鐵路三、四線鐵路橋須拆除重建，鐵路橋基坑開挖深度為7.9 m。鐵路橋施工為便梁防護線路，頂進施工，便梁下的支墩采用人工挖孔樁，樁長29 m，鐵路橋基坑及挖孔樁施工需降水，降水深度約28 m。基坑西南角有6層和二層居民樓各一座，距基坑邊只有5 m，居民樓為砌體結(jié)構(gòu)，埋深約2.0 m，施工降水會對附近的樓房產(chǎn)生一定的影響。

4.2 工程地質(zhì)情況

場區(qū)位于濟南市二環(huán)西路與京滬鐵路三、四線交匯處，該區(qū)宏觀地貌單元屬于黃河、小清河沖積平原，由于修建房屋、鐵路等人類活動，原地貌形態(tài)已發(fā)生改變，地形起伏不大。

4.3 水文地質(zhì)條件

場地內(nèi)地下水主要為第四系孔隙潛水，勘探期間埋藏較淺，地下靜止水位埋深1.60～1.80 m，高程23.74～24.17 m。地下水受季節(jié)影響較大，季節(jié)性水位變化幅度約1.5 m，近三年枯水期水位埋深2.5 m左右，環(huán)境水對混凝土的環(huán)境作用等級為H1。

4.4 土層計算參數(shù)

場地地層的物理力學(xué)參數(shù)選取如表1所示。

4.5 降水影響

①對沉降區(qū)地層結(jié)構(gòu)進行分析，按水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件分組，確定沉降層與穩(wěn)定層。

②選擇合適的滲流公式計算并繪制地下水位變化曲線，水位降深隨距離的增加而減小，呈漏斗狀，最終趨于零，如圖3。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 距離與水位降深曲線

③計算每一地下水位差值下地面的最終沉降量。

經(jīng)計算，降水影響半徑為260 m，地面的最大沉降為25.8 cm，降水會引起六層樓過多沉降，而且局部最大傾斜率為2.8‰。根據(jù)要求，建筑物的沉降需控制在3.0 cm以內(nèi)，且最大傾斜不超過2‰，必須采取措使其沉降和傾斜控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

4.6 防治措施

在建筑物的周圍布置2排旋噴樁做隔水帷幕，東西方向為60 m，南北方向為42 m，旋噴樁采用雙管法，樁長29 m，進入下部黏土層，樁徑0.8 m，間距0.5 m，兩樁之間相互搭接，搭接長度為0.3 m。噴漿材料水泥采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為P.O42.5；水灰比采用1.0，可根據(jù)現(xiàn)場試驗進行調(diào)整；高壓水泥漿壓力不宜小于20 MPa。旋噴樁施工時應(yīng)先施工靠近房屋的一排旋噴樁，離建筑物較近的位置壓力可適當(dāng)調(diào)整，噴漿過程中出現(xiàn)壓力驟然下降、上升或冒漿異常時，應(yīng)查明原因并采取措施；施工順序采用跳打法，噴射時自下而上進行(如圖4)。

圖4 降水防護平面(單位：m)

為使地下水位變化控制在《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》GB50497—2009規(guī)定的1.0 m之內(nèi)，并且使水位降深不大于枯水期的地下水位，在靠近建筑物一側(cè)布置一排回灌井點，回灌井深12 m，直徑為0.5 m，如果水位下降超過1.0 m，應(yīng)及時對地下水進行回灌。

4.7 監(jiān)測

為了確保基坑側(cè)壁和相鄰建筑物的安全，必須對整個基坑施工降水過程進行施工監(jiān)測，監(jiān)測點設(shè)在建筑物的四角(拐角)上，高低懸殊或新舊建筑物銜接處，伸縮縫及不同埋深基礎(chǔ)的兩側(cè)；每棟建筑物布置6個沉降測點、2組(每組2個)傾斜測點。裂縫觀察監(jiān)測點結(jié)合建筑物情況布置在裂縫周邊墻體上?？拷ㄖ镆粋?cè)間距20～30 m均勻布置7個水位觀測井。現(xiàn)場監(jiān)測采用定時觀測與跟蹤觀察相結(jié)合的方法進行，監(jiān)測頻率可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化大小進行適當(dāng)調(diào)整，監(jiān)測數(shù)據(jù)有突變時，監(jiān)測頻率加密到2～3次/d。

4.8 防治效果

降水過程中，通過對水位觀測孔的觀測，發(fā)現(xiàn)旋噴樁與建筑物之間的地下水位變化在0.5 m以內(nèi)。未施工旋噴樁的部分地下水位超過1 m，通過回灌井及時對地下水進行回灌，使地下水位的降深始終保持在1 m以內(nèi)。通過對建筑物的監(jiān)測，未發(fā)現(xiàn)建筑物出現(xiàn)裂縫等情況，建筑物的最大沉降為11 mm，最大傾斜為1‰，滿足規(guī)范要求，確保了建筑物的安全。

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