深基坑降水引起地面沉降的机理分析

【摘 要】在城市降水施工中，特别要注意由地下水位下降而引起的地面沉降问题。因地面沉降往往会造成场地周边原有建筑物的裂缝、倒塌等灾害发生。因此要求工程设计人员首先要了解土体结构和引起地面沉降机理，掌握有关土体力学指标，然后计算其沉降量。根据所计算的沉降量，确定防止地面沉降措施，以此达到基坑降水目的。

【关键词】基坑降水；土体类型；地面沉降

1、引言

近年来哈尔滨市区多数楼体建筑带有地下工程。特别是位于道里、道外及松北区一带，出现了大量的深基坑工程、深基坑的支护与降水，深基坑降水是保证基坑稳定的最主要的工作内容，尤其是在地下水埋深较浅地区开挖基坑，基坑降水必不可少，因此降水成为基坑工程的重要组成部分。深基坑降水给基坑施工带来很大的方便,但同时基坑的深井、群井抽水也引起了一系列的环境问题，给降水基坑周围建筑物带来了不良影响。长时间的抽水降低地下水位，会引起周围建筑物基础与地面产生不均匀沉降，沉降范围由基坑边缘逐渐向外扩展。

一般来讲，距基坑较近的建筑物基础或地面沉降较大；距基坑较远的建筑物基础或地面沉降较小。对于设计与施工人员来说，在基坑开挖前通过基坑降水井的合理布设，预测降水开始后不同时间段基坑周围地面沉降量，采取有效防护措施，降低基坑抽水对周围环境的影响具有很大意义。

2、地面沉降形成机理

哈尔滨市楼体地下工程施工需要降水地带所处地貌单元多为松花江漫滩或一级阶地。土体类型为砂性土和粘性土，砂性土一般为粉细砂、细砂、中粗砂；粘性土多为粉质粘土和淤泥质粉质粘土。在降水施工中，由于大量抽取地下水，使地下水位快速大幅度下降，从而在含水层中产生两种压缩作用：一是含水层孔隙水压力降低而压密；二是相对隔水的粘性土释水压缩固结。这两种作用都会引起松散土层压缩变形，导致地面沉降的发生。由砂性土组成的含水层由于孔隙水压力降低而产生的颗粒间被压缩，是属弹性变形，弹性变形速度快、沉降量小，具有水位恢复后可全部回弹的特点；而粘性土层释水后产生的压缩固结是塑性变形，速度慢，沉降量较大，水位恢复后回弹量很小，地面变形显著。

2.1砂性土含水层压密

对于砂性土含水层来说，其介质是由砂颗粒和液体水两部分组成。当颗粒没有充满水时，外加负荷在含水层中产生的应力是通过颗粒间的接触来传递的，这种颗粒间应力可产生位移引起含水层变形和强度变化；如果颗粒之间的孔隙相互连通而又充满水，则孔隙中的水服从静水压力分布规律。这种由孔隙水传递的应力称之为孔隙水压力。在含水层中的任意一点，由静水各方向产生的压力相等，孔隙水压力只能压缩砂颗粒本身，不能使砂颗粒产生位移，而颗粒本身的压缩量是可以忽略不计的，即孔隙水压力是不可能引起含水层变形的。

抽水过程中，由于水的排出导致地下水位下降，使砂颗粒骨架承受的有效应力增加，致使砂颗粒之间排列更趋紧密，当这种排列紧密的砂颗粒厚度特别大时该层变形量就会很大，从而会在短时间内引起地面沉降；一般情况下基坑降水受水位下降深度限制，往往不会引起砂性土层的大幅度变形的。如果停止抽水，含水层地下水位会很快恢复到原来位置，孔隙水压力也恢复到原来状态，颗粒骨架所承受的有效应力又重新下降到原有水平，颗粒间排列也恢复到原来状态，这时地面沉降得以恢复。

2.2粘性土层释水固结

当降水场地含水层中夹粘性土时，由于地下水位下降较快，而其中靠近上部相对隔水的粘性土渗透性很差，孔隙释水非常慢，开始只在交界面附近的粘性土释水渗流，并逐渐使较远的粘性土渗流失水。土层中个点距含水层的距离不等，相应的水力梯度和渗流速度也不同，当全部释水结束时，其渗透压缩过程也就停止。这种与孔隙水渗透消散相联系的压缩称之为渗透固结。

粘性土层的释水压缩过程的特点与含水层水位变化相比，其孔隙水压力变化是滞后的，且为逐渐发展的，先释水者先压缩，后释水者后压缩。一般靠近抽水含水层的部位压缩量较大，此外，粘性土的释水基本上是塑性变形，即使停止抽水，水位恢复后回弹量也很小。

总之，降水施工造成地面沉降主要因素，是由于水位下降后使砂性土失水压密、粘性土释水固结结果。这一过成分三个阶段：第一是粘性土固结阶段；第二是粘性土和砂性土固结压密阶段；第三是砂性土压密阶段。

3、沉降量的预测

在降水方案设计中，预测地面沉降量是降水方案的重要环节之一。通过对基坑周边地面沉降量的预测，才能作出有效的防治措施，避免灾害的发生。在地层复杂、降水深度较大的施工场地，地面沉降量的预测应从粘性土固结、砂性土压密、砂性土和粘性土压密固结三个阶段进行计算。但是，一般情况下，由上述机理分析可以看到，砂性土产生的变形属弹性变形，变形量较小、并且是暂时的；而粘性土产生的变形属塑性变形是不可恢复的，是降水施工引起地面沉降的主要因素。所以在一般基坑降水方案设计中，仅对释水的各粘性土层沉降量进行预测即可，将各层沉降预测结果累计在一起即为地面沉降量。具体计算方法是根据岩土工程勘察获得的压缩模量（Es）、粘性土层厚度（Dhi）等指标，采用下列计算公式即可计算出由于降水引起的地面沉降值（Sw）。

式中：Sw---由于降水引起的地面沉降值(cm);

Ms---沉降计算经验系数（默认值0.1）；

Δσi---水位下降引起的地层有效应力增加量（Kpa）;

Dhi---受降水影响的各地层厚度（m）；

Es-----受降水影响的各地层的压缩模量（MPa）；

n-----计算的地层层数;

4、结束语

在深基坑降水施工，场地周围往往存在其它建筑，特别是遇到条形基础的老式建筑，由于降水施工产生地面沉降,很容易引起老建筑物开裂或倒塌等灾害。因此在施工前必须做好防治措施，其中最好的办法是生产回灌井。通过人工回灌可控制含水层砂颗粒和粘性土压缩变形，是防治地面变形的行之有效的方法，但实施过程中应注意回灌井的深度控制。因深部含水层封闭性好，固结程度高，可塑性小，当水位不断抬高后的高水位条件下继续回灌效果并不理想，所以回灌井不易太深。