祁星星

地下水水位變動對建筑物影響的實(shí)例分析

祁星星

受自然降水、人工使用等因素的影響，地下水水位十分不穩(wěn)定，在水浮力和土體有效自重壓力作用下，地基土整體收縮膨脹，會對上部建筑物的使用產(chǎn)生不利的影響。本文結(jié)合工程案例，模擬沉井降水進(jìn)行現(xiàn)場抽水試驗(yàn)，對地下水水位變動、周圍建筑物主體結(jié)構(gòu)和樓地面的損傷觀察記錄，分析驗(yàn)證地下水水位的變動對建筑物產(chǎn)生的影響，以供從業(yè)者參考。

降水；地下水水位；沉井施工；主體結(jié)構(gòu)

從2000年開始，中國進(jìn)入一個(gè)超高速的造城時(shí)代，各種舊城改造，新城建造如火如荼進(jìn)行當(dāng)中，由于自然降水、日常用水、施工用水等環(huán)境人為因素對地下水位的補(bǔ)充和使用，造成地下水水位的上升和下降，直接對已建建筑物地基土土體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，對建筑物的使用功能形成嚴(yán)重的破壞。本文結(jié)合實(shí)際案例，對地下水水位變動對建筑物的損壞進(jìn)行現(xiàn)場觀測記錄，得出結(jié)論，以供相關(guān)從業(yè)人員參考。

1　案例概況

本案例中的建筑為一棟二層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架房屋，作為工業(yè)生產(chǎn)車間使用，建于2004年，基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁，一層、二層層高均為5.0m，寬度為42.5m，長度為60.0m，未設(shè)置伸縮縫，在中間部分設(shè)置后澆帶。

本案例中的接受井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用高壓旋噴樁支護(hù)，沉井法施工，于2011年6月至2011年9月期間進(jìn)行施工，施工期間進(jìn)行不間斷抽水，接收井內(nèi)部直徑為7m，井深為16.750m，該井圓心距房屋距離為26.5～98.5m，詳見圖1。

2　工程地質(zhì)

根據(jù)相關(guān)勘察單位出具的巖土工程勘察報(bào)告，房屋所處地層地質(zhì)剖面示意圖詳見圖2，穩(wěn)定地下水位埋深約1.2～1.4m，屬上層滯水與承壓水水位的混合水位；受大氣降水及生活用水補(bǔ)給；上層滯水水位變化幅度約2m。

圖1　房屋與接收井平面示意圖

接收井所處地層地質(zhì)剖面示意圖詳見圖3，接受井沿線場地地下水主要為賦存于表層填土中的上層滯水，以及下部砂層中的微承壓孔隙潛水及深部基巖裂隙水。場地線路沖淤積平原地段，地下水埋藏淺，鉆孔內(nèi)地下水穩(wěn)定水位埋深約1.0～2.0m，線路殘丘地段鉆孔內(nèi)地下水穩(wěn)定水位埋深約4.0～6.0m。場地地下水位主要受季節(jié)性降雨影響。

3　沉井施工

沉井井壁鋼筋混凝土采用分段澆筑下沉，下沉方法為排水法下沉，干封底施工。

采用沉井法施工，不需要板樁圍護(hù)，技術(shù)上安全可靠，施工操作簡便。比敞口明挖占地面積小，挖土量少，對鄰近建筑物的影響較小。同時(shí)，由于沉井基礎(chǔ)埋置較深，穩(wěn)定性好，能支承較大的荷載。因此，廣泛應(yīng)用于深井構(gòu)筑物（如水泵房、地下油庫、水池豎井等）和盾構(gòu)或頂管的工作井、接收井。

圖2　房屋地質(zhì)剖面示意圖

圖3　接收井地質(zhì)剖面示意圖

沉降施工由于其特殊的施工工藝，給深井施工帶來便利的同時(shí)，引起了地下水位的變動。

4　試驗(yàn)

4.1檢測及監(jiān)測程序及內(nèi)容

為明確沉井降水對周邊建筑物的影響，在接收井兩側(cè)設(shè)置2口抽水井進(jìn)行抽水試驗(yàn)?zāi)M沉井降水，并每天按時(shí)監(jiān)測地下水水位變動。

建筑物具體損傷影響情況分兩次進(jìn)行檢測，接收井結(jié)構(gòu)工程竣工后約1年時(shí)間時(shí)進(jìn)行首次檢測，在抽水試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行第二次檢測。

本案例主要從房屋傾斜、室內(nèi)地面及周邊地面沉降、上部承重結(jié)構(gòu)的裂縫損傷、樓地板裂縫損傷等影響方面進(jìn)行觀測分析。

4.2抽水試驗(yàn)

采用2臺管徑30mm、功率3kW的水泵進(jìn)行抽水試驗(yàn)，并在周邊房屋區(qū)域設(shè)置了觀測孔分兩個(gè)階段每天按時(shí)監(jiān)測地下水水位，本次抽水試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行觀測，第一階段為期13d，第二階段為期19d，在監(jiān)測地下水水位時(shí)根據(jù)該場地的地形條件，樓設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，各觀測孔的水面高程以該基準(zhǔn)點(diǎn)的零高程為高程進(jìn)行零換算，根據(jù)各觀測點(diǎn)的地下水位的變化確定試驗(yàn)階段各觀測孔水位下降量，接收井、抽水井及地下水位觀測點(diǎn)詳見圖4，水位下降量詳見圖5～6。

圖4　接受井、抽水井、地下水位觀測點(diǎn)位置圖

圖5　第一試驗(yàn)階段各觀測孔水位下降總量圖

圖6　第二試驗(yàn)階段各觀測孔水位下降總量圖

抽水試驗(yàn)表明在連續(xù)抽水的條件下12個(gè)觀測孔的地下水位均有一定的下降；最靠近接收井圓心位置的觀測孔1第一試驗(yàn)階段地下水位下降幅度為3.081m，第二試驗(yàn)階段地下水位下降幅度為2.386m；距離接收井圓心位置最遠(yuǎn)的觀測孔7第一試驗(yàn)階段地下水位下降幅度為0.387m，第二試驗(yàn)階段地下水位下降幅度為0.214m，根據(jù)本次抽水試驗(yàn)實(shí)測抽水的降水影響半徑為160m。

5　損傷情況

5.1傾斜

為明確地下水位變化對既有房屋傾斜的影響情況，對房屋布置18個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行抽水試驗(yàn)前后的傾斜進(jìn)行測量，各觀測點(diǎn)布置詳見圖7，觀測結(jié)果詳見圖8。

如圖8所示，除個(gè)別測點(diǎn)外，房屋傾斜呈增大趨勢，但抽水試驗(yàn)前后各測點(diǎn)的頂點(diǎn)位移均未超出相關(guān)規(guī)范規(guī)定限值，表明地下水位變化對房屋傾斜有一定影響，但未致房屋發(fā)生整體傾斜。

5.2地面沉降

圖7傾斜觀測點(diǎn)布置圖

圖8抽水試驗(yàn)前后房屋各觀測點(diǎn)的頂點(diǎn)位移

根據(jù)房屋地面的布置情況，采用埋置鋼釘?shù)姆绞剑贾?個(gè)沉降觀測點(diǎn)，采用環(huán)線閉合單測站的觀測方式，對抽水試驗(yàn)前和抽水試驗(yàn)時(shí)的地面沉降進(jìn)行觀測。本次觀測共設(shè)置3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，分別布設(shè)在相對穩(wěn)固的變形區(qū)域，沉降觀測點(diǎn)布置詳見圖9，沉降觀測速率、累計(jì)沉降量分別詳見圖10～11。

圖9沉降觀測點(diǎn)布置圖

圖1　0各觀測點(diǎn)地面沉降速率

圖1　1各觀測點(diǎn)地面沉降量

由圖10結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，除測點(diǎn)5、測點(diǎn)8外，其余各測點(diǎn)抽水時(shí)的沉降速率均較抽水前有所增大，且大部分測點(diǎn)的沉降速率均超出相關(guān)規(guī)范[3]規(guī)定限制要求，表明地下水位變化對地面沉降影響較大，應(yīng)引起足夠重視。

圖11結(jié)果表明，觀測期間各測點(diǎn)的最大累積沉降量為19.0mm，在觀測期間室內(nèi)地面的各測點(diǎn)均有不同程度的下沉、變形。

5.3裂縫

5.3.1柱、梁、板構(gòu)件裂縫

抽水試驗(yàn)前后對房屋主要承重框架柱、框架梁、樓板進(jìn)行裂縫觀測，結(jié)果表明：框架柱裂縫為主要分布于邊柱中的水平裂縫，兩次觀測框架柱、梁的裂縫數(shù)量及裂縫寬度均未發(fā)現(xiàn)明顯變化，且所檢裂縫寬度均未超出規(guī)范規(guī)定限值；框架梁裂縫主要分布于屋面層，兩次觀測均為細(xì)小裂縫，且裂縫數(shù)量未發(fā)現(xiàn)明顯增加；樓板裂縫主要為分布于樓層角部位置的斜裂縫，抽水試驗(yàn)前觀測的裂縫寬度大部分已超出規(guī)范規(guī)定限值，且抽水試驗(yàn)后裂縫寬度普遍增大。表明地下水位變化對框架柱、梁損傷較小，對樓板影響較大。

5.3.2地面及周邊地面裂縫

結(jié)合地面沉降觀測，并對房屋地面及周邊地面進(jìn)行裂縫觀測，兩次觀測均發(fā)現(xiàn)一層地面及房屋周邊的臺階、散水多處產(chǎn)生隆起、下沉、變形、開裂現(xiàn)象，且抽水試驗(yàn)后裂縫寬度呈明顯的增大趨勢，所檢裂縫的最大寬度為75.0mm，對房屋正常使用產(chǎn)生一定影響，表明地下水位變化對地面影響較嚴(yán)重。

5.4損傷分析

根據(jù)本次抽水試驗(yàn)實(shí)測抽水的降水影響半徑為160m，房屋距離接收井最近距離約26.5m，最遠(yuǎn)距離約98.5m，表明房屋在接收井施工期間的降水影響半徑范圍內(nèi)。

地下水位下降會引起地下水壓變化，土層中空隙水應(yīng)力改變，土層骨架有效應(yīng)力發(fā)生改變，原土層土體密度重分配調(diào)整，土層重新被壓密，導(dǎo)致地面發(fā)生沉降。由于房屋穩(wěn)定地下水位埋深約1.2～1.4m，地下水的抽取造成地下水水位有明顯的下降，由于地基土的有效應(yīng)力增加，產(chǎn)生固結(jié)沉降，基礎(chǔ)就會產(chǎn)生附加沉降。

6　結(jié)語

由于一些人為因素，如不合理的農(nóng)業(yè)灌溉、沉井施工抽水等；自然因素，如地震造成地勢的抬高、地下河道的下沉、河流的改道、氣候的變化等均會引起地下水位變動，本文就沉井施工引起地下水位變動對周邊26.5～98.5m范圍內(nèi)房屋的影響情況進(jìn)行分析，以供相關(guān)工程借鑒、參考。

（1）采用2臺管徑30mm、功率3kW的水泵進(jìn)行為期22d的抽水試驗(yàn)，實(shí)測降水影響半徑為160m。

（2）地下水位變動會對房屋傾斜產(chǎn)生一定影響，但未致房屋發(fā)生整體傾斜。

（3）地下水位變動使室內(nèi)地面、樓面出現(xiàn)不同程度的下沉、變形、開裂，地面沉降速率及樓地面裂縫寬度均已超出規(guī)范規(guī)定限值，對房屋正常使用造成一定影響。

（4）地下水位變動使大部分邊跨框架柱及屋面框架梁均出現(xiàn)裂縫，但觀測期間內(nèi)水位變動未引起相應(yīng)裂縫寬度及數(shù)量明顯變化，表明地下水位變動對框架柱、梁損傷有一定影響，但影響程度較小。

綜上可見，水位變動對周邊房屋會產(chǎn)生一定影響，其中對房屋樓地面影響最大，實(shí)際工程中如若不可避免房屋周圍出現(xiàn)地下水位變動時(shí)，應(yīng)采取較經(jīng)濟(jì)合理的地基基礎(chǔ)處理措施及房屋加強(qiáng)構(gòu)造措施等方法減小地下水位變動帶來的房屋損失。

[1]陳立生.大型深沉井在復(fù)雜環(huán)境中排水下沉的探討[J].地下工程與隧道，2003，01：28～32+56.

[2]王紅霞.大型沉井結(jié)構(gòu)施工過程的力學(xué)模型及控制研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2001.

[3]《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB50144-2008）[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

[4]葉冠勇.沉井施工對周邊建筑物影響工程實(shí)例分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009，32：237～238.

[5]馬金彬.淺談地下水位變化及對建筑物基礎(chǔ)的多面影響[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013，36.

The Example Analysis of the Impact of Groundwater TableChanges on Building

Qi Xingxing

Groundwater table is very unstable,due to the influence of factors such as natural rainfall,artificial factors and so on. Under the influence of water buoyancy and soil mass,the shrinkage and expansion of the foundation soil will have a negative effect on the usage of the superstructure.Combined with the engineering case,the pumping test was conducted by simulating open caisson precipitation.Based on the test,thechanges of the groundwater table,the damage of the main building structure and the ground floor were recorded,the influence of the change of groundwater table to the building was analyzed and verified,to provide reference for practitioners.

precipitation;groundwater table;construction of open caisson;main structure

TU46

A

1673-0038（2015）40-0310-04

2015-9-21

祁星星（1988-），女，山西運(yùn)城人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)檢測鑒定。