降水引起的深基坑变形分析

阮高 史卫国 牛定辉

中国地质大学（武汉）工程学院 430074

降水引起的深基坑变形分析

阮高 史卫国 牛定辉

中国地质大学（武汉）工程学院 430074

地下水是影响基坑变形和稳定的重要因素，地下水位的变化会引起土颗粒有效应力的改变，剧烈的地下水位变化是地面不均匀沉降，基坑失稳及邻近建筑破坏的直接原因。本文通过基坑工程实例，根据现场监测数据，分析降水对基坑变形的影响。证明降水是引起基坑变形的主要原因，高强度的降水导致地下水位的急剧下降，引起基坑变形的急剧增大，施工中应避免对地下水的剧烈扰动；短期的降水对基坑变形影响不大，引起的地面沉降可以通过地下水的回升得到部分恢复。

深基坑；降水；变形；监测；地面沉降

随着城市的快速发展，高层建筑也越来越多，各种超大、超深基坑工程也在不断涌现，对基坑工程的设计和施工都提出了更高的要求。而地下水是影响基坑变形和稳定的重要因素，地下水位的变化会引起土颗粒有效应力的改变，剧烈的地下水位变化是地面开裂，基坑失稳及邻近建筑破坏直接原因。在地下水丰富的地区，合理控制地下水活动是确保基坑工程顺利进行的关键因素。设计合理的降水及止水措施，研究降水引起的基坑变性特征，预测基坑变形量及稳定性，评价降水对周边环境的影响是科研工作者所面临的重要课题。

1 工程概况

1.1 工程地质及水文地质条件

冠日管理研发基地基坑支护工程场地位于深圳市南山区，场地占地面积为6000m2，拟建物设计为一栋地上塔楼二十一层，地面以上高度107m，地下室深度12.70m。

据勘察钻孔揭露，场地内在钻探揭露深度内共发育有如下地层：第四系人工填土层、第四系海陆交互相沉积层、第四系冲洪积层、第四系残积层以及燕山期侵入花岗岩。主要岩土参数指标如表1所示。

场区内地下水为上层滞水～潜水类型，主要赋存于土层、砂层的孔隙中，主要受大气降水补给。勘察时测得钻孔内地下稳定水位埋深为2.8～5.4m，标高介于2.6～-0.67m。

1.2 支护结构及止水帷幕

基坑采用钻孔（或旋挖）灌注桩φ 1000@1500；设置3排预应力锚索4×7 φ 5@1500（1桩1锚），设计抗拔力400kN（及450kN和500kN），锚索倾角25°。

考虑场地富含地下水，为减少对周边建筑及道路管线等的影响，采用止水帷幕控制地下水，根据现场实际情况和工程经验，在基坑北、西、南三面设置高压喷射注浆法止水帷幕，东侧与朗科大厦基

坑止水帷幕衔接，止水桩插入全风化花岗岩不小于2m。

表1 场地主要岩土层的物理参数

2 基坑降水及变形监测

2.1 基坑降水

本基坑工程已于2010年9月份竣工并交建设单位使用，2010年11月26日至2011年1月19日基坑南面距本基坑约18m的超多维基坑工程进行挖孔桩施工，施工期间挖孔桩内大量抽排地下水，对本基坑工程变形产生极大影响。

超多维基坑工程人工挖孔桩设计间距1.8m，孔底标高为-21.1m，施工期间采用跳挖方式成孔，分两批成孔、浇筑。护壁为钢筋混凝土浇筑而成， 20cm厚，整体性较好，地下水主要通过孔底渗入，涌水量较大，但未进行抽水试验。

2.2 变形监测

本工程共进行了5 项监测项目：地面沉降、围护桩顶水平位移、围护桩体深层水平位移（测斜）、锚索拉力、地下水位监测。其中沉降观测点34个，基坑沉降测点16个，基坑位移测点16个，水位监测点3个，锚索应力测点2个，钢筋应力测点24个。

3 变形特性分析

3.1 基坑变形特性

根据现场监测，邻近基坑挖孔桩施工前期，本基坑变形已经稳定。其中地面沉降量、基坑沉降量基坑位移量均小于0.1mm/天，基坑深层位移小于3mm/周，北侧、西侧、南侧基坑外水位分别为-7.6m、-6.2m、-11m。

随挖孔桩施工深度加深，大量抽排地下水，导致地下水位降幅较大，地下水位的下降，引起南侧路面沉降急剧增大，地应力场重新分布，路面沉降再次趋于稳定。挖孔桩施工完毕后，地下水位逐渐回升，地面沉降回弹，表现为观测值为正值（正值为上升）。其他各侧面由于水位变化不大，变形不明显。如图1所示为施工期间南侧路面沉降监测曲线 ，其中C12～C15距离基坑约6m，C20～C23距基坑约14m。

图1 基坑路面沉降曲线

基坑深层位移稳定期变形表现为支护的受弯变形，最大位移处于-10m位置，位移量约-20mm，-0.5m处位移约-12mm。挖孔桩降水后，变形表现为绕桩底向基坑外有微小的转动，周变形量最大值位于桩顶，变形量3.06mm。 图2所示为基坑南侧中部的CX6号点测斜观测曲线。

图2 基坑CX6号点测斜观测曲线

3.2 基坑变形分析

基坑变形是支护结构、基坑宽度、开挖深度、地层性质等因素综合作用的结果。挖孔桩降水前，由于基坑底部土层较好，支护桩入土深度较大，基坑变形较小。桩身产生弯曲变形，地面沉降成抛物线形，最大的地表沉陷发生在距坑边以外某一定的距离处。

挖孔桩降水后，分析认为12月20号沉降突变，主要受地下水位影响，基坑水位变化如图3所示，观测井位于各边中部基坑支护桩外0.5m处。其中水位下降较快的为南侧SW3观测井，受止水帷幕影响SW1测点水位基本没有变化，SW2观测井水位略有下降。

图3 观测井水位变化曲线

由于本场地富含地下水，且地下埋深9m～18m地层中含有沙砾。当挖孔桩施工掘进到此深度范围内，需要大量抽排地下水，同时沙砾层中孔隙较大，细颗粒在渗透压力下容易被带走，且在施工中可能存在一定的掏空区，在土颗粒有效应力增加的情况下，土层极易坍塌，引起地面不均匀沉降。由于C20～C23测点离挖孔桩教近，坍塌更为严重，因此表现为急剧的地面沉降，而离降水点较远的C12～C15测定则受影响相对较小。同时由于支护结构是预应力支护，在降水过程中土层不光受到垂直向土压力作用，还受到侧向的预应力作用及水平向的渗透压力作用，因此在降水过程中，土层不光垂直固结作用，还产生了水平向固结，表现为支护结构的微小转动。

1月初挖孔桩施工结束，地下水位回升，因为降水时间较短，在固结还未完成的情况下，土颗粒有效应力逐渐恢复至原应力大小，表现为地面沉降变缓继而回弹，但不会回弹至降水前标高。因此在降水过程进行回灌，能够避免地下水水位的急剧变化造成基坑变形的加剧。 图4为超多维基坑观测的路面沉降曲线，其中C38～C41距基坑内壁距离分别为6.5m、7.5m、9.5m、7m。

图4 补充路面沉降监测曲线

4 结论

4.1 地下水是影响基坑变形的重要因素，地下水位的变化能够引起基坑的不均匀沉降，沉降规律受基坑支护结构、基坑宽度、开挖深度、地层性质等因素的影响。施工中应加强对地下水监测，避免引起地下位急剧变化。

4.2 降水引起的地面沉降是一个缓慢的过程，沉降完成往往需要几个月时间。短期降水，在固结还未完成的情况下，地下水位就迅速回升，对地面沉降影响并不明显。

4.3 地下水回复后会造成沉降地面回弹，回弹量跟沉降量有关，但沉降量一般小于沉降量。因此在降水过程中，采取回灌地下水的措施，能够补偿降水引起的沉降。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.034