深基坑工程中地下水位变化对支护结构的影响研究

文／刘奎 中电建振冲建设工程股份有限公司 北京 100102

王克峰 北京华夏石化工程监理有限公司 北京 100020

引言：

深基坑工程作为城市建设中重要的基础工程之一，为高层建筑、地下设施等的建设提供了必要的空间。然而，在深基坑工程的施工过程中，地下水位的变化常常引发诸多技术难题和安全风险。地下水位的升降可能导致周围土体的变形、支护结构的稳定性问题以及与周围环境的水文关系变化等，从而对工程的安全性和稳定性带来潜在威胁。因此，深入研究地下水位变化对支护结构的影响，对于确保基坑工程的安全施工和可持续发展具有重要意义。

1.地下水位与支护结构的相互关系

1.1 地下水位变化的影响因素

地下水位与支护结构之间存在着密切的相互关系，地下水位的变化可以直接影响支护结构的稳定性和性能。地下水位是地下水体在垂直方向上的分布情况，其变化受多种因素影响。

首先，地下水位变化的影响因素之一是水文地质条件。不同地区的地下水位受到地质构造、土壤渗透性等因素的制约，导致不同地区的地下水位变化幅度各异。地下水位的上升或下降会直接改变地下土体的饱和度，从而引发土体体积的变化。

其次，降雨与排水是影响地下水位的重要因素。降雨会增加地表径流和土壤渗透，导致地下水位的上升；而排水工程的施工和效果会影响地下水位的下降速度。特别是在降雨量较大的季节，地下水位的波动更加显著，对支护结构的影响也更为明显[1]。

此外，周边地下水的开采也会对地下水位产生影响。城市建设和工业生产对地下水资源的开采可能导致地下水位的下降，进而影响支护结构的安全。地下水位的下降可能导致周围土体的收缩和沉降，增加了支护结构受力和变形的风险。

1.2 地下水位变化与支护结构的相互作用机制

地下水位与支护结构之间存在着密切的相互关系，地下水位的变化与支护结构之间的相互作用机制直接影响着深基坑工程的稳定性与安全性。地下水位变化作为一个重要的外部因素，对支护结构的性能和行为产生着显著影响。

地下水位的上升对支护结构造成的影响主要表现在两个方面。首先，地下水位上升会增加土体的饱和度，引起土体的体积膨胀，从而增大了土压力对支护结构的作用力。其次，上升的地下水位会通过土体颗粒间的水力背压作用，引发土体的流动和溢流，导致土体的液化现象。这些现象的共同作用可能会导致支护结构的变形、破坏甚至倾覆，从而危及工程的安全性[2]。

相反，地下水位的下降也会对支护结构产生重要影响。地下水位下降引起周围土体的脱水和收缩，可能导致土体开裂、沉降以及孔隙水压力的变化。这些土体变化会影响支护结构的受力分布，增加支护结构产生变形和失稳的风险。

支护结构与地下水位变化之间的相互作用机制复杂且多样，取决于支护结构的类型、材料特性、地下水位变化速率等因素。在工程实践中，需要综合考虑地下水位变化对支护结构稳定性、变形和承载能力的综合影响，进而制定相应的设计和施工策略。准确评估地下水位变化与支护结构相互作用的影响，是确保深基坑工程安全可靠的关键一步。

2.地下水位变化对支护结构的影响及问题

2.1 地下水位上升对支护结构的影响

2.1.1 土体液化风险

土体液化是指在地下水位上升的情况下，土壤因失去有效固结力而表现出液体般的行为，从而丧失了承载力和稳定性。当地下水位上升时，土壤颗粒之间的有效应力减小，导致土壤的抗剪强度急剧下降，甚至会完全失去抗剪强度。这使得土体在水平荷载作用下失去了抵抗能力，造成土体的液化流动，从而导致基坑周围土体的流失和下沉现象。这种液化现象不仅会导致土体体积变化，还可能引发地面沉降、支护结构的变形，甚至严重危及基坑工程的稳定性和安全性。

为了减轻土体液化风险，需要在支护结构设计和施工过程中采取一系列措施。首先，通过充分了解地下水位的变化规律，科学合理地确定支护结构的稳定性计算参数，确保结构在不同水位条件下都能保持稳定。其次，可以采用加固措施，如增加土壤的固结性和抗剪强度，通过注浆、振动加固等方法来提高土体的稳定性。此外，地下水位的监测与控制也显得尤为重要，及时了解水位变化并采取适当措施，以防止土体液化风险的发生[3]。

2.1.2 支护结构浮升与倾覆风险

随着地下水位上升，周围土体的饱和度增加，可能导致支护结构产生浮升和倾覆的风险，严重威胁工程的稳定性与安全性。支护结构浮升是指支护结构底部受到浸润水的上浮压力，从而削弱了支护结构的稳定性，使其整体产生上升趋势。特别是在松散土壤或粉砂土等地层中，由于水分的渗透，支护结构底部的土体被稀释，从而导致整体的浮升现象。这种现象可能导致支护结构与周围土体的失稳，甚至对地下工程周边的建筑物和基础设施造成损害。

另一方面，地下水位上升还可能引发支护结构的倾覆风险。地下水位的上升会增加土壤的重量和水平水压，同时减小土体的有效侧向约束力，使支护结构在水平荷载的作用下产生倾覆的趋势。特别是在软弱土壤地层中，支护结构的倾覆风险更加突出。这种倾覆现象可能不仅危及支护结构的稳定，还会对工程施工和周围环境造成严重影响。

2.1.3 地表沉降与建筑物损害

地下水位的上升在影响支护结构时，还会引发地表沉降与建筑物损害等问题，这些问题在深基坑工程中必须予以充分关注。地下水位的上升导致了土体的饱和度增加，进而引发了土体体积的变化，从而影响了地表的稳定性和建筑物的安全性。

地表沉降是指在地下水位上升的情况下，由于土壤的收缩和流失，导致地表下沉的现象。地下水位的上升会导致土体颗粒之间的有效应力减小，从而造成土壤的收缩。这种收缩现象不仅会使地表出现不均匀下沉，还可能导致地表结构的破坏，如道路裂缝、建筑物的沉降等。特别是在地下水位迅速上升的情况下，地表沉降问题可能更加严重，影响基坑周围环境的稳定性。

另一方面，地下水位上升还可能对建筑物产生直接的损害。当地下水位上升时，土壤的稳定性减弱，可能导致建筑物的地基失稳。此外，地下水位的上升还可能导致土壤中的盐分上升，引发建筑物的腐蚀和损害。这些问题对于基坑周边的建筑物和设施的稳定性和安全性造成了威胁[4]。

2.2 地下水位下降对支护结构的影响

2.2.1 周边土体收缩与开裂

随着地下水位下降，土体中的水分流失使土体的体积缩小，可能引发土体的收缩和开裂，对支护结构的稳定性和工程的安全性造成威胁。周边土体的收缩与开裂是由于水分流失导致土体颗粒之间的相互作用力减小，从而引发土体体积缩小和内部微观结构的破坏。这种土体变化会导致土体的力学性质发生变化，影响土体的抗剪强度和承载能力。当支护结构施加在土体上的荷载超过了土体的承载能力时，周边土体可能会出现塌方、沉降和开裂等问题，从而导致支护结构失稳甚至破坏。

特别在软弱土层中，由于其本身的力学性质相对较弱，当地下水位下降时，土体的收缩和开裂问题更加显著。土体收缩和开裂不仅会影响支护结构的受力分布，还可能引发土体与支护结构之间的间隙扩大，增加土体的渗透性，从而对工程的稳定性产生重要影响。

2.2.2 支护结构失稳风险

地下水位的下降对支护结构产生的影响中，尤其需要考虑支护结构失稳风险，这是深基坑工程中一个不容忽视的问题。随着地下水位下降，土体饱和度降低，可能引发支护结构的失稳，严重威胁工程的稳定性与安全性。

支护结构失稳风险是指在地下水位下降的情况下，由于土体的力学性质发生变化，导致支护结构的稳定性受到威胁，可能出现倾覆、滑移、变形等失稳现象。在支护结构设计中，通常会考虑土体的水压力对支护结构的稳定性产生的影响。当地下水位下降时，土体中的水压力减小，可能使支护结构所受的侧向荷载减小，从而影响结构的稳定性。

2.2.3 地下渗流路径变化

地下渗流路径的变化是指地下水流动的路径在水位下降过程中发生变化。当地下水位下降时，原本饱和的土体逐渐变得不饱和，土体中的孔隙水开始减少，地下水流动的路径可能会受到阻碍或改变。这种路径变化可能导致土体内部水分分布不均匀，可能引发土体的不稳定，从而影响支护结构的稳定性。

特别是在含水层丰富的地质条件下，地下水位的下降会导致孔隙水压力减小，从而改变土体的饱和度分布。这种分布变化可能会导致支护结构周围的土体产生收缩、开裂等变形现象，影响支护结构的受力和稳定性。此外，地下渗流路径的变化还可能引发土体的渗透性增大，导致土体内部颗粒流失，加剧土体的侵蚀和沉积现象[5]。

3.深基坑工程中应对地下水位变化对支护结构的策略

3.1 地下水位控制与监测

3.1.1 地下水位监测技术

地下水位的变化对支护结构的稳定性产生重要影响，因此采用先进的地下水位监测技术可以及时获取水位信息，实现实时监测和数据分析，从而指导工程实践和决策。

地下水位监测技术包括多种方法，如压力计、测斜仪、孔隙水压计等。这些技术可以在工程施工过程中实时监测地下水位的变化情况，帮助工程团队了解水位波动的趋势和幅度。通过监测数据的分析，可以及时发现地下水位变化对支护结构的影响，以及与之相关的问题，如土体的液化、收缩、渗流路径变化等。有了这些信息，工程团队可以采取针对性的措施，调整施工计划、加固支护结构，从而保障工程的稳定性和安全性。

地下水位监测技术的应用不仅可以在工程实践中发挥重要作用，还有助于优化工程管理和决策过程。通过实时监测和数据分析，工程团队可以了解工程施工过程中地下水位变化的规律，及时预警可能出现的问题，避免因地下水位变化引发的突发情况。此外，监测数据也可以为工程的后续设计和施工提供有价值的参考，以保障工程的长期稳定性。

3.1.2 地下水位调控方法

在深基坑工程中，有效应对地下水位变化对支护结构的影响至关重要。为此，需要制定一系列科学合理的策略，其中地下水位调控方法在整个工程过程中具有关键作用。通过合理的地下水位控制与监测措施，可以实现对地下水位的实时监测、调控和管理，以确保支护结构的稳定性和工程的安全性。

地下水位调控方法涵盖了多种技术和手段，如降水、拦水墙、排水系统等。这些方法可以在不同的工程阶段应用，旨在控制地下水位的变化，减少其对支护结构产生的影响。在基坑开挖前，可以通过设置拦水墙或进行降水来降低周围土体的饱和度，从而减小地下水位的上升幅度。在施工过程中，可以采用排水系统来稳定地下水位，避免地下水位的过快下降引发的问题。

地下水位调控方法的关键在于合理规划和科学实施。首先，应在工程前期进行详细的水文地质调查，了解地下水位的分布和变化规律。根据调查结果，制定相应的调控方案，选择适当的调控方法。其次，需要在工程施工过程中实施有效的监测措施，实时了解地下水位的变化情况，根据监测数据及时调整调控措施。同时，也要充分考虑地下水位调控可能带来的环境影响，采取相应的环境保护措施。

3.2 支护结构设计优化

3.2.1 考虑地下水位变化的支护结构设计

通过合理的支护结构设计，能够有效应对地下水位变化所带来的挑战，确保支护结构的稳定和工程的可持续发展。考虑地下水位变化的支护结构设计涉及多个方面。首先，需要充分了解地下水位的变化规律和幅度，预测不同水位条件下土体的受力情况。根据不同水位下土体的力学性质变化，采取适当的支护结构类型和参数，确保在不同水位条件下支护结构的稳定性。其次，可以通过增加支护结构的稳定性，如增加支撑点、加大支撑截面等，以增强支护结构的抗侧压能力，从而减轻地下水位变化对结构的影响。

在支护结构设计中，还需要充分考虑地下水位变化可能引发的土体液化、收缩、渗流路径变化等问题。针对不同问题，可以采取相应的设计措施，如增加土体的固结性、采用防渗措施等，以降低地下水位变化对支护结构的不利影响。此外，还可以在设计中加入预警机制，设定支护结构的变形和沉降限值，一旦超过限值就及时采取补救措施，确保工程的安全运行。

3.2.2 支护材料选择与防水措施

通过合理选择支护材料和采取适当的防水措施，可以有效应对地下水位变化带来的挑战，确保支护结构的稳定性和工程的安全性。在支护结构设计中，支护材料的选择是至关重要的一环。考虑到地下水位变化可能导致土体饱和度的变化，应选择具有良好耐水性能的支护材料，如防水混凝土、聚合物材料等。这些材料能够有效抵御地下水的渗透，减少水分对土体的影响，从而维护支护结构的稳定性。此外，还可以考虑添加防水剂等，增强支护材料的防水性能，提高材料的抗渗透能力。

另一个重要的策略是采取防水措施，以隔离地下水与支护结构之间的接触。这可以通过设置防水层、挡水墙等方式实现。防水层可以阻止地下水的渗透，减少水分对支护结构的影响。挡水墙则可以在地下水位变化时，限制地下水的渗流路径，减小支护结构周围土体的饱和度变化。这些防水措施有效减轻了地下水位变化对支护结构的影响，提高了工程的稳定性。

在实际应用中，支护材料选择与防水措施的策略需要根据工程的具体情况进行灵活调整。必须充分考虑水文地质条件、支护结构类型、地下水位变化幅度等因素，制定适合工程的支护材料和防水方案。此外，在工程施工过程中，需要实施严格的施工质量控制，确保支护材料的施工质量和防水效果[6]。

3.3 施工工艺调整与管理

3.3.1 地下水位变化应对施工工艺调整

通过灵活的施工工艺调整和有效的工程管理，可以在地下水位变化的情况下，保障支护结构的安全性和工程的顺利实施。地下水位变化应对施工工艺的调整是确保工程安全的重要手段之一。在工程施工中，随着地下水位的变化，土体的力学性质和稳定状态会发生变化，因此需要根据地下水位变化的幅度和速度，对施工工艺进行及时调整。例如，在地下水位上升时，可以采取降水措施以减轻水压对支护结构的影响；而在地下水位下降时，可以调整开挖和支护进度，避免因土体干燥引发的问题。

工程管理在地下水位变化应对中起到至关重要的作用。有效的工程管理可以确保施工进度的合理安排，避免由于地下水位变化带来的工程延误。此外，工程管理还包括对地下水位的实时监测和数据分析，及时了解水位变化情况，判定是否需要调整施工工艺。通过科学的管理措施，可以更好地应对地下水位变化带来的挑战。

在实际工程中，地下水位变化应对施工工艺调整需要综合考虑多个因素，如水文地质条件、支护结构类型、工程进度等。必须制定灵活的施工计划，根据地下水位变化的实际情况，及时进行调整。此外，也要建立完善的工程管理体系，确保工程施工过程中地下水位变化的有效监控和应对。

3.3.2 施工期间水位管理措施

施工期间的水位管理措施包括降水、排水和封堵等方法。在地下水位上升的情况下，可以采取降水措施，通过井点降水或抽水井排水等方式降低地下水位，减少水压对支护结构的影响。在地下水位下降的情况下，可以适当增加降水量，以维持支护结构周围的稳定状态。另外，还可以设置临时防水屏障，防止地下水渗流路径的变化，减小支护结构受水分影响的程度。

在施工工艺调整与管理过程中，施工期间水位管理措施的有效实施和监测至关重要。首先，需要根据工程的具体情况，制定合理的水位管理方案，明确降水、排水和封堵的具体步骤和方法。其次，要建立严格的水位监测体系，实时监测地下水位的变化情况，根据监测数据调整水位管理措施。同时，也要注意施工期间的安全风险，采取必要的安全措施，保障工程人员和设备的安全。

结语：

综合研究表明，地下水位变化对深基坑工程支护结构具有显著影响。地下水位上升可能导致土体液化、支护结构浮升、地表沉降等问题，而地下水位下降则可能引发土体收缩、支护结构失稳等挑战。有效的应对策略应包括支护结构设计优化、施工工艺调整与管理、合理的支护材料选择与防水措施以及地下水位监测与调控等。在实际工程中，综合考虑地下水位变化对支护结构的影响，采取科学合理的措施，将确保深基坑工程的稳定和安全。