基坑降水引起的地面沉降分析.pdf

中南大学硕士学位论文基坑降水引起的地面沉降分析姓名：李志平申请学位级别：硕士专业：地质工程（岩土工程）指导教师：彭振斌20080501中南人学硕十学位论文摘要摘要随着我国国民经济和城市建设的快速发展，高空和地下空间资源越来越多地被加以开发利用，尤其深基坑的开挖几乎都涉及到降水问题，基坑工程降水对周围地表沉降的影响己引起广泛关注，但目前尚缺乏合理有效的计算方法。本文首先对基坑降水技术的发展以及降水引起的地面沉降研究现状作了较为详细的论述，并总结了近期基坑降水对周围环境影响研究热点。其次介绍了基坑工程中地下水的不良作用，并对工程中基坑降水的方法及其适用条件，基坑降水在基坑工程中的作用，以及基坑降水对周围环境的影响进行了归纳总结。然后总结分析了降水作用下土体的变形机理和土体的沉降影响因素，归纳了现有的基坑降水引起的地面沉降基本理论，通过数学分析提出了由降水引起地下水水头压力变化、含水层颗粒迁移、含水层压缩和水体的膨胀的更具普遍意义的地下水运动方程，并基于总应力不变和总应力变化对基坑降水作用下的有效应力进行了分析。对于基坑降水引起的地面沉降计算，本文从总结工程中常用的基坑降水引起的地面沉降计算方法出发，分析了工程中普遍采用的基于弹性理论的地面沉降计算方法存在的问题，对这种方法进行了改进，并利用这两种方法对实际工程进行了计算，验证了论文中提出的沉降的计算方法是较为准确而有效的，同时还提出了减少降水对周围环境影响的一些措施。最后，对进一步工作的方向进行了简要的讨论。关键词：基坑降水，地面沉降，沉降机理，有效应力分析，沉降计算A B S T R A C TW i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fN a t i o n a lE c o n o m ya n dU r b a nC o n s t r u c t i v eo fo u rc o u n t r y，u s a g e so fh i g ha l t i t u d ea n du n d e r g r o u n ds p a c ea r ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y M o s to fd e e pe x c a v a t i o nh a sr e l a t i o n s h i p sw i t ht h ed e w a t e f i n g T h ei n f l u e n c eo fd e w a t e r i n go nt h es e t t l e m e n to fg r o u n ds u r f a c es u r r o u n d i n gap i ti so n eo ft h ek e yp r o b l e m si ne x c a v a t i o n s H o w e v e r,t h e r ei Sn oar e a s o n a b l ea n dr e l i a b l ee v a l u a t i n gm e t h o dS Of a r T h et e c h n i q u eo fd e w a t e r i n ga n dt h ea n a l y s i so fs e t t l e m e n to fg r o u n ds u r f a c ei n d u c e db yd e w a t e r i n gi nf o u n d a t i o np i ti sf i r s t l yd i s c u s s e di nd e t a i l，a n dt h er e s e a r c hf o c u so ft h es e t t l e m e n to fg r o u n ds u r f a c ei n d u c e db yd e w a t e r i n gi nf o u n d a t i o np i ti Sa l s os u m m a r i z e d S e c o n d，i ti n t r o d u c e st h eb a d l ya f f e c to ft h eg r o u n d w a t e ri nf o u n d a t i o np i t A n dt h em e t h o da sw e l la st h ea p p l i c a b l ec o n d i t i o n so fd e w a t e r i n gi nf o u n d a t i o np i t、t h ef u n c t i o no fd e w a t e r i n gi nf o u n d a t i o np i t、a n di t se f f e c to nt h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n tW a ss u m m a r i z e d A n dt h e n，i ta n a l y z e st h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h es o i lu n d e rt h ed e w a t e r i n ga n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ee a r t h Ss e t t l e m e n t I tc o n c l u d e se x i s t i n gf u n d a m e n t a lt h e o r yo fs e t t l e m e n to fg r o u n ds u r f a c ei n d u c e db yd e w a t e r i n gi nf o u n d a t i o np i t B ym a t h e m a t i c a la n a l y s i s，ag r o u n d w a t e rm o v e m e n te q u a t i o nc o n s i d e r i n gw a t e re x p a n s i o n，a q u i f e rc o m p r e s s i b i l i t ya n ds o l i dg r a i nm o v e m e n td u et og r o u n d w a t e rp r e s s u r ed e c l i n ei Se s t a b l i s h e d T h e ni ta n a l y z e st h ee f f e c t i v es t r e s su n d e rt h ed e w a t e r i n ga tt h eb a s eo ft o t a ls t r e s si sc h a n g e l e s sa n dc h a n g e a b l e F o rt h ec a l c u l a t i o no fl a n ds u b s i d e n c ec a u s e db yp i td e w a t e r i n g，n l i sp a p e ra tt h eb a s eo fs u m m a r i z e st h ec a l c u l a t i o no fl a n ds u b s i d e n c ec a u s e db yp i td e w a t e r i n ga l w a y sb eu s e di ne n g i n e e r i n g，i ta n a l y z e st h ep r o b l e mo ft h ec a l c u l a t i o no fl a n ds u b s i d e n c eb a s e do ne l a s t i ct h e o r y T h e ni ti m p r o v e st h i sm e t h o d s，a n dt h et w om e t h o d si sa p p l i e dt op r a c t i c ef o u n d a t i o np i ta n do b s e r v e dv a l u ei no n ee x a m p l ef o u n d a t i o np i t，a n da r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h eo b s e r v e dr e s u l t s M e a n w h i l e，e n g i n e e r i n gm e t h o dW a sp r o p o s e dt or e d u c et h ed a m a g et os u r r o u n d i n g sr e s u l t e df r o mI l中南大学硕十学位论文摘要p i td e w a t e r i n g E v e n t u a l l y,t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d K E YW O R D S：D e w a t e r i n gi nf o u n d a t i o np i t，S e t t l e m e n to fg r o u n ds u r f a c e，S e t t l e m e n tm e c h a n i s m，E f f e c t i v es t r e s sa n a l y s i s，S e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nI I I原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：学位论文版权使用授权书本入了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：导师签中南大学硕士学位论文第一章绪论1 1 选题依据及意义第一章绪论随着城市建设的飞速发展，高空和地下空间资源J 下越来越多地被加以开发和利用。高层建筑和大型地下市政设施日益增多，目前，许多高层建筑及市政工程在密集的建筑群中施工，由于施工场地狭窄，基坑稳定和位移控制的要求很高，使得基坑工程的设计与施工难度越来越大，特别在地下水位较高的透水层，例如粉土层、粉细砂层、细砂层、中粗砂层中进行基坑开挖施工时由于坑内夕卜的水头差大，较易产生流砂、管涌等渗透破坏现象，有时还会影响到边坡或坑壁的稳定。因此，往往需要将地下水位降低至一定深度，以满足基坑开挖、边坡稳定性及施工干作业要求。在基坑工程施工过程中进行降水，可以提高土体强度、减小坑后水压力、防止流砂等渗流破坏、稳定边坡，保证干作业施工，但降低基坑地下水位势必引发基坑周围土体内地下水位变化和应力场的改变从而导致周围土体的变形，造成周围建筑物的附加沉降，对周围环境产生不良影响，甚至出现工程事故，如建筑物开裂、基坑周围地下水管及煤气管爆裂等。基坑失事的主要原因涉及两方面的问题。一是基坑支护体系失稳；二是基坑开挖引起周围环境条件的恶化。有些I 程虽已认识到降水工作的重要性，为了给施工创造良好工程条件，保证施工质量和安全，进行大量抽水，忽视了因降水而引起的环境问题。从事故原因的分析可以看出，选用降水技术方案前如果能够对降水可能造成周围环境的不良影响预先进行合理的预测分析，并采取有效措施加以防范是减少基坑降水工程危害的前提。建设部“建设与市政降水工程技术规范(J G J 厂r1 1 1 8)一中对降水工程设计的一般规定中指出：降水工程设计应进行多方案对比分析后选择最优降水方案，降水工程设计应重视工程环境问题，防止产生不良工程环境影响嘲。因此，探讨有关基坑工程降水对周围地表沉降影响的机理、地面沉降的计算，以及有效的防治措施在工程实际中具有重要意义。1 2 国内外降水技术的发展简述1 乏1 国内降水技术的发展在我国，井点降水方法是新中国成立后才逐步发展起来的，最早在五十年代，在东北重工业基地建设、鞍山钢铁公司、包头钢铁公司、太原钢铁公司等重中南人学硕+学位论文第一章绪论大工程项目建设中，采用了轻型井点、喷射井点降水取得了良好的降水效果，这为我国的降水工程发展打下了良好的基础。二十世纪六十年代期间，在太原钢铁厂深基坑工程施工中采用了喷射井点及武汉船坞工程中也应用了喷射井点，降深为1 4 m 获得了成功。到2 0 世纪7 0 年代，天津、上海等地均开展射流泵和隔膜泵抽水装置研制工作。上海研制、生产的W 型真空泵式成套抽水设备，使抽水装置向高效、节能、经济的方向发展，有力地推动了降水技术的进步。进入二十世纪八十年代以后，建筑与市政工程迅速发展，特别是高层建筑发展j E 常快，这些高层建筑都有一至二层地下室，个别的有三层地下室，这些地下室的基坑开挖都需要进行基坑降水，极大地促进了基坑降水技术的发展。其中最为突出的是上海宝山钢铁总厂的建设。上海宝山钢铁总厂地处长江口南岸三角洲冲积平原。地基土软弱，地下水位高，而水源又十分丰富。要在这样的地基上兴建超大型现代化钢铁企业，其难度是可想而知的。但工程施工人员知难而上，首先开展了大量降水技术的专题研究，在取得一系列数据后制定了各种类型的降水方案。其次，在施工中采取了许多先进的降水措施。例如：大面积、深层降水成功地应用了喷射井点、喷射射流井点、吸喷井点及喷射一电渗井点，其降深为一2 0 一15 m，最深达3 0 m 同时，为了适应于土层渗透性呈水平渗透性强，而垂直渗透性弱的特点，使各央砂层的地下水能顺利地被抽走，研制成功了套管水冲枪施工井点新工艺及井点土工布滤层降水法，大大提高降水效果。工程施工人员还针对宝钢地质条件，提出单井抽水量计算式，按传统的井点间距扩大一倍。使用这种方法后，不仅降水好而且节省大量的费用，具有明显的经济效益。宝钢至今巍然屹立在长江口南岸。实践证明，宝钢建设中所采取的降水技术是非常成功的。它不仅达到了工程设计所需要的降水深度，而且还满足了重型机械下坑施工的要求，更值得一提的是，工人还可以在坑里穿布鞋施工。当时，如此的降水效果是完全确保了宝钢工程的顺利进行。进入2 0 世纪9 0 年代，全国城市旧区改造步伐加快。要在市区内进行基坑工程施-V 时，又遇到新的课题，即基坑降水和土方开挖对周围环境的建筑物及地下管线造成变形的危害。这种新情况促使工程施工人员研究对策。通过几年来无数工程的实践，工程施工人员逐步开展了降水一回灌技术及提出封闭式基坑施工方法，以减少基坑工程施工对周围环境造成的不良影响。该方法是行之有效的。在=I 匕京、天津还曾采用过水平井点降水实例，使井点降水系统又增加一项新的方法。目前，我国已形成了较为完整的先进的整套降水技术，其降水规模之大、降水深度之深、降水方法之多及技术之先进，已达到世界先进国家水平。2中南人学硕士学位论文第一章绪论1 2 2 国外降水技术的发展国外的降水技术应用比我国起步早，国外第一个有记录的降水实例，是用在竖井中将水抽去，以保证伦敦伯明翰铁路的K i l s b y 隧道的顺利施工，这些沿线布置的竖井抽水总量为4 3 0 m 3 h。1 8 9 6 年，在建造柏林地下铁道时第一次用深井降水。1 9 0 7 年，在尼罗河上建造E s n a 堰时曾采用了底部开口有套管的深井。1 9 2 8-1 9 3 1 年，在德国B r e m e h a v e n 建造二座水闸时也采用5 8 口深井来减压，降低了含水砂层的承压水位达1 5 m，总抽水量为3 4 0 m ：h。1 9 3 9 年，德国在S a l z g-i t t e r 铁路一段长距离的挖方中，用电渗来稳定边坡。欧洲所用的深井降水，一般直径为2 0 c m，间距为6-1 2 m。滤管外部围以砂砾，用离心泵抽水并以一根总管相连，随后也采用涡轮泵或潜水泵。美国则采用巾5 0 m m 的小井点连在一起，形成井点系统，如1 9 2 7年春在马萨诸塞州波士顿郊区的L y n n 污水泵站即为一例。1 9 2 8 年夏，美国某公司公开展出井点系统的设备，挖一基坑，昼夜抽水，虽经下雨亦无影响。又如在佛罗罩达州的T a m p a，在3 个2 5 3 r e x 3 6 6 m 的造船坞和2 5 1 5 8 5 m 2 的干船坞基坑，用2 层井点系统降水，下层则作为永久性的减压井，使船坞底板只用2 0 c m 厚的混凝土。3 0 年代，美国在井点系统上有所革新，如改用球阀和环阀的双阀式井点，以代替用冲管拔出再设井点的陈旧工艺，使并点自冲入土，按土质情况辅以扩孔环或扩孔器，井点冲孑L 到设计标高时减低水压，填砂，以形成良好的过滤层，5 0 年代，又采用了冲吸两用的水泵设备、转盘钻和冲孔器来沉设井点，又进而用井点系统来固结或稳定压缩性的细粒土。纽约C h y s t i e 街的地下铁道工程，第一次大规模地用了7 0 0 根喷射井点，降水1 2 m。1 9 3 1 1 9 3 3 年，在比利时的S c h e l d t 河下建造的A n t w e p 越江汽车隧道(直径9 1 4 m)，采用了盾构、井点、河中深井、冻结等综合方法，在没有围堰保护下顺利施工，河中深井降水的目的是为了减小盾构推进时的压缩空气压力。日本在1 9 5 3 年才在名古屋新建的铁道大厦工程中采用了井点系统施工，嗣后又用于提高地基承载力、结合砂井加固地基等方面，而在7 0 年代末已拥有井点2 5 万根，总管2 6-3 0 万米，如在千叶县、京叶临海工业地带的川崎审H 铁所填土地基加固工程中，就用了1 万根井点，l 万米总管和1 0 0 台井点泵。前苏联在1 9 5 0 年建造列宁伏尔加一顿运河时，大规模采用井点系统和深井。嗣后在卡霍夫水电站施工中，除用井点系统和深井外，又增用了喷射井点5 0年代末才采用真空降水法，并用真空法来加固地基，还研究在真空条件下土的渗透性和毛细管特性，并制订了真空降水规程。纵观降水历史，已逾百年，起初用竖井，随着工业发展而用探井，3 0 年代3中南人学硕+学位论文第一章绪论采用双阀自冲式井点，以后又实行配套化，在建造大坝时已采用四层甚至五层井点系统，5 0 年代，喷射井点参加到降水的行列。井点系统和深井相配合，用深井作为下卧承压水层的降水减压井，亦不乏其例。近年来，由于采用机械化连续挖土，常交叉采用井点系统、喷射井点和深井。1 3 基坑降水引起的地面沉降的研究现状1 3 1 降水引起的地面沉降机理的研究现状对于基坑降水后发生地面沉降的基本原理，普遍的观点认为是：抽去地下水一土层释水一地层中水位降低一孔隙水压力降低一土层压密、固结一地面沉降这样的一个过程。M e i n z e r(1 9 2 3 年)n 明在地下水研究中第一次定义了地面沉降概念，之后P o l a n d(1 9 6 0 年)刎，L o f g r e n(1 9 6 8 年)嵋，R i l e y(1 9 6 9 年)嘞】，L o h m a ne t a l(1 9 7 2 年)酾3 3 等进一步论述了地面沉降的原因。T e r z a g h i(1 9 2 5 年)脚1提出了有效应力原理，他用有效应力原理解释地面沉降机理(T e r z a g h i，1 9 4 3年)汹1，认为地下水压力的降低导致有效应力的增大是含水层压密的原因。B i o t(1 9 4 1 年)提出了固结理论嘟1，他从土的应力一应变关系上推导沉降问题，认为土的压缩量等于水体排出量(B o l t，1 9 4 1 年，1 9 5 5 年，1 9 5 6 年，1 9 6 3 年)嘞，6 2 删。H e l m(1 9 7 5 年)嘲1 从地下抽取液体而引起土体应力变化为出发点推导由于应力变化而引起地面沉降问题，从液体运动方面考虑的较多，一般都要求荷载的变化率为常数(H e l m，1 9 9 4 年)嘲。此外，C h e n，e t a l(2 0 0 3 年)删，薛禹群等(2 0 0 3年)嘲，吴林高(2 0 0 1 年)啦等许多学者从抽水引起含水层压密的机理上研究了地面沉降问题。此外，基坑降水引起地面沉降的机理方面的研究主要集中在对三维流固耦合模型的探讨上。地面沉降计算实质上包含了两个过程：确定含水层水位与抽取量之间的关系，即所谓水流模型：计算由于水位变化引起含水层本身的变形规律，即所谓土力学模型，两者耦合成为地面沉降的数学模型口1，河海大学周志芳教授(2 0 0 3 年)的国家自然科学里点基金项目就是研究深基坑降水与地面沉降的非线性耦合计算方法。冯晓腊(2 0 0 5 年)对三维水一土耦合模型在深基坑降水计算中的应用进行研究，并以武汉市中山广场地下过街通道降水工程为例，对其降水过程进行了三维有限元计算H 1。另外，国内外从微观方面解释研究地面沉降机理也成为一个亮点，I D j e r a n M a i g r e 等(1 9 9 8 年)、A n a n d a r a j a h 等(2 0 0 2 年)均通过粘土的微观结构来研究宏观的力学性质(如压缩)，表明微观结构同宏观性质之间有着密切的联4中南大学硕十学位论文第一章绪论系，在深入了解粘土性质方面有着重要作用。龚士良(2 0 0 2 年)对上海第一、二软土层的微观特性进行了研究，从物理化学角度阐述了软粘土微观特性对土体固结变形及地面沉降的影响。王秀艳、刘长礼(2 0 0 3 年)对海口深层坚硬粘性土从宏观和微观结构方面研究了粘性土的渗透释水变形规律，提出允许开采水位和单位沉降量随水力梯度、时间等变化关系式。1 3 2 降水引起的地面沉降计算方法的研究现状沉降分析计算是一个古老而又复杂的问题。自太沙基(T e r r a g h i，1 9 2 5 年)固结理论问世以来，地基的沉降计算己有了很大的发展。许多学者都提山了新的计算方法，试图采用更为精确的土体模型等来求得沉降计算方法的改进。目前，预计降水引起的地面沉降计算方法很多，最常用的是太沙基一维固结理论，同时还有B o l t 固结理论、考虑土体骨架蠕变的流变固结理论以及考虑粘弹性、粘弹塑性及固结的有限元计算方法，而另一方面，有些城市根据实测提出了各种经验公式。归纳起来可分为以下几种：(1)基于固结理论的弹性及粘弹性等的方法，该方法要领明确，能考虑的因素较多。如吴林高(2 0 0 3 年)采用一维固结理论以总应力的法将各水头作用产生的每层土的变形量迭加起来来计算地面沉降隋1。(2)基于降水和沉降观测资料的经验及半经验方法，特点是一般计算较简单，但有概念不明确，考虑因素较少等缺点。如工程中常用的按“比单位变形量一来估算地面沉降量，还有邓文龙(1 9 9 8 年)的从水位降深估算深圳地区地面附加沉降哺1。(3)结合水文地质概念和原理从水量减少推导出的沉降估算方法。如陈幼雄(2 0 0 3 年)提出的按“自由水流失 的计算方法n 1。(4)以及北京理正软件设计研究所研制的理正降水沉降分析软件，它以建筑基坑支护技术规程(J G J1 2 0 _ 9 9)及基坑工程手册为依据，采用“大井法一计算涌水量，可计算任意位置的地表沉降。(5)另外还有台湾学者将神经网络方法应用于降水引起的固结沉降的评价中，并运行统计学中的t 一测试来提高神经网络模型的可信度。以及阳军生等人的随机介质模型n，桂和荣等人的S A 模型等n 刁。以上提到的计算方法目前最常用的可以分为两大类，一类是经典的沉降分析方法：在荷载作用下地基中附加应力场是根据半空间各向同性弹性体理论计算的，土的压缩性则由根据一维压缩试验测定的参数来表征，并采用分层总和法计算地基的最终沉降量。还有一类就是数值分析法：其基本思路是将原来连续的求解区域划分成网格或单元子区域，在其中设置有限个离散点，将求解区域中的连5中南大学硕+学位论文第一章绪论续函数离散为这些节点上的函数值，通过某种数学原理，将作为控制方程的偏微分方程转化为代数方程，求解代数方程以获得求解函数的节点值。数值方法中，应用比较广泛的有限差分法(F D M)、有限单元法(F E M)、边界元法(B E M)、有限分析法(F A M)和有限体积法(F v M)。这两类方法均存在一定的不足，第一类存在的问题是：地基土是自然历史的产物，不均匀性使其性状更为复杂。地基上中附加应力的正确计算和地基土体性状的描述是提高沉降计算精度的两个关键问题，然而要精确计算地基中附加应力场以及合理描述土的应力应变关系都是较为困难的。第二类存在的问题是：有限元法计算量大，耗时多，在一定程度上又限制了其在工程中的广泛应用。1 4 近期研究热点随着由基坑降水引起的周围环境问题的增多，工程师们提出了许多更深入的问题，出现了关于降水对周围环境影响研究的新热点，从研究现状看出，主要有以下几个方面：(1)降水后基坑周围地下水位、附加应力场和位移场的分布规律及其主要影响因素；(2)周围建(构)筑物和地下管线产生附加沉降的机理；(3)基坑降水引起周围土体沉降计算及附加沉降量的预测；(4)基坑降水的影响范围，这一问题包括两个方面的内容，一是水位线、地表沉降的分布形态问题，二是地表沉降随水位下降的变化问题。1 5 本文的思路及主要工作1 5 1 本文的研究思路本文研究采取在前人经验总结和理论分析基础上，通过合理的理论分析和实例分析来进行基坑降水引起的地面沉降研究，以期对目前基坑降水引起的地面沉降理论进行探讨和对其研究领域内一些不太合理之处做出改进。(1)理论分析包括：降水作用下土体的变形机理的分析，对降水引发的土体沉降影响因素的分析；渗流理论基础分析：包括渗流基本概念、渗流基本定律(达西定律)；固结理论基础分析：包括太沙基固结理论、比奥固结理论；在有效应力原理的基础上，分析由于水位下降引起的有效应力的变化：6中南人学硕士学位论文第一章绪论包括基于总应力不变的有效应力分析、基于总应力变化的有效应力分析；目前工程中采用较多的地面沉降计算方法(基于弹性理论的分成总和法)分析：包括计算方法存在的缺陷及其改进。(2)工程实例分析包括：采用目前工程中采用较多的地面沉降计算方法(基于弹性理论的分成总和法)和本文改进的方法(基于弹性理论的积分法分成总和法)对某基坑降水引起的地面沉降进行计算；结合现场监测结果进行对比分析。1 5 2 本文的主要工作依上所述，在l i 人研究的基础上，本文主要做了一下几方面的工作：(1)介绍了基坑工程中地下水的不良作用，进一步阐述了当前工程中常用的基坑降水方法，并对基坑降水对周围环境的影响进行了归纳总结；(2)总结分析了降水作用下土体的变形机理和土体的沉降影响因素，归纳了现有的基坑降水引起的地面沉降基本理论，并在此基础上对降水作用下的土体进行了有效应力分析；(3)总结了工程中常用的基坑降水引起的地面沉降计算方法，针对当前基坑降水引起的地面沉降计算均偏于保守且计算方法比较繁琐，对降水引起的附加应力卸值进行了修正，并改进了计算公式，结合工程实例对改进方法的合理性进行验证分析。并进一步归纳总结了减少基坑降水对周围环境影响的措施。7中南大学硕士学位论文第二章基坑降水方法及其对周围环境的影响第二章基坑降水方法及其对周围环境的影响2 1 基坑工程中地下水的不良作用在我国软土质地区，场地地下水位较高，土体含水量较大，特别在地下水位较高的透水土层，地下水常常会影响到边坡或坑壁的稳定。在基坑工程中地下水的危害主要表现为流砂、管涌和基坑底的突涌，而且主要发生在土壤颗粒细(尤其是粉质粘土、粉砂等土层)、饱和含水的地区，在这些地区通过降低地下水位避免可能产生的工程危害。此外，地下水对坑壁和坑底土的潜蚀、孔隙水压力的增长引起有效应力的减小及相应的抗剪强度的降低等多方面的影响均不容忽视。2 1 1 管涌地基土在具有一定渗流速度(或梯度)的水流作用下，其细小颗粒被冲走，土中的空隙逐渐增大，慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通道，从而掏空地基或坝体，使之变形、失稳，此现象即为管涌，如图2-I 所示。管涌多发生在非粘性土中，其特征是：颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径，孔隙直径大而且相互连通。颗粒多由比重较小的矿物组成，易随水流动，有较大和良好的渗流出路。2 1 2 流砂3图2-I 基坑工程的管涌现象嗍l 一管涌堆积物；2 一地下水位；3 一管涌通道；4 一渗流方向流砂是指土的松散颗粒被地下水饱和后，由于水头差的存在，动水压力即会使这些松散颗粒产生悬浮流动。它主要发生在颗粒级配均匀而细的粉、细砂等砂性土中，有时在粉土中亦会发生。其表现形式是所有的颗粒同时从一近似管状通道中被动水流冲走，发展的结果是使基础发生滑移、不均匀下沉，基坑坍塌，基8中南人学硕+学位论文第二章基坑降水方法及其对周围环境的影响础悬浮等，如图2 2 所示。流砂的发生一般是突发性的，对工程的危害极大。图2-2 基坑工程中的滴砂现象n 町位基坑内一旦发生流砂现象，将会出现下列情况：(1)基坑边坡坍方。边坡处的地基土被渗出的地下水大量带走，有的形成空洞，有的局部土坡坍落。如果土体流失严重，则造成整个土坡丧失其承载力，就会发生边坡滑动坍方，给基坑内外造成施工和人身安全的危害。(2)基坑地基士的破坏。有的工程不但边坡失稳，而且基底大量涌砂。今R 挖走的土，明日又见涌出来，反复多次。此时就会发现原地基土已被破坏了，事后不得不花大力气加固地基或另选地点。(3)对邻近建筑物(或构筑物)的影响。当基坑开挖产生流砂现象时，随着时间的延续，边坡及一定范围内土体向基坑一侧发生位移和地基土沉降，以致在此范围内的地面建(构)筑物发生开裂、倾斜及倒塌。2 1 3 基坑底的突涌当基坑下有承压水存在，开挖基坑减小了含水层上覆不透水层的厚度，当它减少到一定程度时，承压水的水头压力能项裂或冲毁基坑底板，造成突涌。突涌的表现形式为：(1)基底顶裂，出现网状或树状裂缝，地下水从裂缝中涌出，并带出下部的土颗粒。(2)基坑底发生流砂现象，从而造成边坡失稳和整个地基悬浮流动。(3)基地发生类似于。沸腾”的喷水现象，使基坑积水，地基土扰动。9中南人学硕士学位论文第二章基坑降水方法及其对周围环境的影响2 2 基坑降水的作用及方法与适用条件2 2 1 基坑降水的作用在基坑工程施工过程中，为防止基坑渗透破坏，降低地下水位减少坑内外水头差是有效的措施之一，可以达到提高土体强度、减小坑底水压力、防止流砂涌砂、稳定边坡等目的。尤其是沿海软土质地区，由于富减地下水，地下水位高，在这些地区进行基坑开挖时若不采取有效的地下降水措施，容易导致因坑底水压力过高而使得地下水涌入基坑或地下水通过基坑边壁大量渗入坑内的现象，当渗透力大到足以破坏土构架并引起土颗粒涌动时就会发生诸如管涌、流砂等，严重时会导致基坑塌方、邻近地层掏空下陷等事故。此外，坑外地下水位降低后可减轻作用在围护结构上的压力，使基坑开挖后坑底保持一个干燥的施工作业面。可以说基坑工程能否成功，降水设计非常关键。因此目前在开挖基坑，尤其是深基坑时通常都要预降地下水，以确保后期基础工程的顺利进行。一般而言，降水作用主要表现如以下几个方面】：(1)防止基坑坡面和基底的渗水，保持坑底干燥，便利施工。(2)增加边坡和坡底的稳定性，防止边坡上或基底的土层颗粒流失。这是因为基坑开挖至地下水位以下时，周围地下水会向坑内渗流，从而产生渗流力，对边坡和基底稳定产生不利影响。此时采用井点降水的方法可以把基坑周围的地下水面降到开挖面以下，不仅能保持坑底干燥、便利施工，而且消除了渗流力的影响，防止流砂产生，从而增加了边坡和基底的稳定性。(3)减少土体含水量，有效提高土体物理力学性能指标。对于放坡开挖而言可提高边坡稳定度；对于支护开挖可增加被动区土抗力，减少主动区土体侧压力，从而提高支护体系的稳定度和强度保证，减少支护体系的变形。(4)提高土体固结程度，增加地基抗剪强度。降低地下水位，减少土体含水量从而提高土体固结程度，减少土中孔隙水压力，增加土中有效应力，相应的土体抗剪强度也可得到增长。因而，降低地下水位亦是一种有效的地基加固方法。2 2 2 基坑降水的主要方法当基坑和基础施工期间的最高地下水位高于坑底设计标高时，应对地下水进行处理，保证开挖期间获得干燥的作业面，保证坑底、基坑边坡和基础底板的稳定，避免产生流砂、管涌，防止坑壁土体的坍塌，保证施工安全和工程质量，同1 0中南大学硕士学位论文第二章基坑降水方法及其对周围环境的影响时确保临近基坑的建筑物和其他设施的正常运行，必须对地下水进行有效的治理。在基坑工程施工中，对地下水的治理一般可以从两个方面进行，一是堵截地下水；二是降低地下水位。基坑降水方法主要有明沟排水和井点降水两类。(1)明沟排水方法n 3 1如图2-3 所示，明沟排水是指在基坑内设置捧水明沟或渗渠和集水井，然后用水泵将水抽出基坑外的降水方法。分层挖土时，随着挖土面的下移，在新的开挖面上重挖集水井和集水沟。(a)(b)图2-3 排水沟和集水井降水示意图u 封(a)直坡边沟(b)斜坡边沟l 一水泵；2 一排水沟；3 一集水井：4 一压力水管：5 一降落曲线；6 一水流曲线；7 一板桩明沟排水的抽水设备常用离心泵、潜水泵和污水泵等，以污水泵为好。采用明沟排水，具有施工方法简单，抽水设备少，管理方便和成本费用低等优点。但由于地下水沿基坑坡面或坡脚或坑底涌出，易使基坑软化，甚至泥泞，影响地基强度和施工；特别是当降水段内夹有粉、细砂层时，易产生地下水潜蚀、边坡失稳以及地面沉降等危害：还会使基坑的土方开挖受到影响。由于地下水位降至基底下的距离较小，容易发生水位回升而浸泡基坑，因此必须备有双套电力供应和备用水泵，由专人严格管理。(2)井点降水方法豫溉n 一订井点降水法是在拟建工程的基坑四周埋设能渗水的井点管，配置一定的抽水设备，不间断地将地下水抽走，使基坑范围内的地下水降至设计深度。井点法降水适用于具有不同几何形状的基坑，它有克服流砂、稳定边坡的作用。由于基坑内土方干燥，有利机械化施工，缩短工期，保证工程质量与安全，是一种行之有效的现代化施工方法，已广泛应用井点降水是通过对地下水施加作用力来促使地下水的捧出，从而达到降低地下水位的目的。根据施加作用力的方式以及抽水设备的不同，常用的井点降水法有：轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点、及自渗井点等各种降水方法中南大学硕士学位论文第二章基坑降水方法及其对周围环境的影响各有特点，分别如下：轻型井点降水轻型井点抽水系真空作用抽水，如图2-4 所示，轻型井点由井点管、过滤器、集水总管、支管、阀门等组成管路系统，并由抽水设备启动，在井点系统中形成真空，并在井点周围一定范围形成一个真空区，真空区通过砂井扩展到一定范围。在真空力的作用下，井点附近的地下水通过砂井，经过滤器被强制吸入井点系统内抽走，使井点附近的地下水位降低。在作业过程中，井点附近的地下水位与真空区外的地下水位之间，存在一个水头差，在该水头差作用下，真空区外的地下水是以重力方式流动的，所以常把轻型井点降水称为真空强制抽水法，更确切地说应是真空一重力抽水法。只有在这两个力作用下，基坑地下水才会降低，并形成一定范围的降水漏斗。1 14 _ g1 03(a)(b)图2 4 轻型井点系统n 0 1(a)轻型