降水对基坑变形的影响研究

降水对基坑变形的影响

一、 工程概况

机场站位于大连市甘井子区周水子机场拟建新航站楼前停车场下方，呈东西向设置，车站主体北侧为周水子机场拟建航站楼停车场；东侧为现状机场航站楼落客平台环道；南侧、西侧为机场绕行道路。车站计算站台中心里程为右CK26+485.993；起、终点里程分别为右CK26+417.493（结构外皮）、右CK26+577.093（结构外皮）。建筑总面积共计9054 m2，车站共设2个出入口，一个紧急疏散口及两个风亭。车站2个出入口均布置在车站北侧，靠近机场拟建航站楼。1号出入口位于现有航站楼与拟建航站楼中间连廊下方道路一侧；2号出入口与机场拟建航站楼结合设置；无障碍电梯设置在1号出入口内；车站消防专用出入口设置于机场拟建停车场上，靠近2号风亭位置；车站两组风亭均为高风亭，设置在拟建机场航站楼前停车场上。

机场站采用明挖法施工，基坑支护采用混凝土灌注桩加钢管内支撑的方案。施工场地位于扩建机场范围内，原场地为机场前绿地及内部通道。地面树木及建筑已拆迁，地下部分管线有待改移。周围机场扩建工程正在施工，施工场需交叉作业，存在一定干扰。

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注：红色界线为机场站施工范围。

注：实际施工现场。

二、 地层资料分析

1、地下水的类型、赋存、径流排泄

大连市的气候属温带季风气候，并具有海洋影响的特点。冬季气温较低，降水少。夏季气温较高，降雨集中，较多。气候和降雨量随冬、夏季风的转换而变化。每年5-9月为雨季。

本场地地下水按赋存条件主要为基岩裂隙水。

基岩裂隙水主要赋存于中风化石灰岩的裂隙以及溶隙中。本次勘察大部分钻孔均见有地下

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水。期间稳定地下水位埋深7.70～10.0m，水位高程23.49～25.59m。年水位变幅约1～3米。

本区地下水迳流条件良好。主要受人工开采、地下水渗透性等因素控制。经过短距离的潜伏径流，最终向海排泄。

本区地下水排泄方式主要为汇入地表径流排泄以及人工开采，地下潜水埋藏较浅地段，有蒸发排泄，其余地段地下水埋深超过极限蒸发深度，不存在蒸发排泄。

2、各岩土层的富水性及渗透系数

本次详勘参考抽水试验，考虑不利因素，并结合地区经验综合分析确定k值。

①1素填土在大部分场地分布，成分以粘性土为主，夹石英岩、石灰岩碎石，具中等透水性，建议取渗透系数k＝0.5～5.0 m/d；

⑥2红粘土具弱透水性，局部含少量原岩角砾，透水性较弱建议取渗透系数k＝0.03～0.05m/d；

⑩2全风化白云质灰岩具弱透水性，建议取渗透系数k＝0.05～0.2m/d；

⑩2强风化白云质灰岩具中等透水性，建议取渗透系数k＝0.5～5m/d；

⑩3中风化白云质灰岩具中等透水性，建议取渗透系数k＝0.5～3m/d；

⑧2强风化辉绿岩具中等透水性，建议取渗透系数k＝0.5～5m/d；

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3、地下水对工程的影响

本场地范围内的主要含水层为中风化石灰岩层以及岩溶形成的溶沟溶槽，施工中需采取专门的防水、止水措施。粘土层受水浸泡后抗剪强度降低，变形加大，易造成基坑变形、失稳、坍塌。

勘察期间稳定地下水位埋深7.70～10.00m，水位高程23.49～25.59m。设计结构底板高程32.14～33.94m。场地地下水局部较丰富，建筑物底板应做好防渗、防潮及抗浮设计。抗浮水位标高：26.00米。

由于本站为深基坑工程，结构大部处于地下水位以下，应注意地下水对结构的浮托作用。基坑降水井主要布置于基坑的西侧，西北角和西南角，降水井布点如图一。

图一：SW表示降水及水位观测点

三、 基坑支护结构变形产生的沉降

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在整个基坑开挖过程中，对基坑的护壁桩桩顶设立的24个沉降点和位移监测点进行了连续监测。受降水影响的位移点有ZQS-01、ZQS-02、ZQS-03、ZQS-04、ZQS-05、ZQS-06、ZQS-21、ZQS-22、ZQS-23、ZQS-24。其中位移观测的最大值是位于基坑北侧的ZQS-06点位，位移量为18.4mm，机场站桩顶水平位移时程曲线图如图二。

机场站桩顶水平位移时程曲线14121086）mm4（ 量2移位0积累-2-4-6-8ZQS-01-10ZQS-02-128-68-138-208-279-39-109-179-2410-110-810-1510-2210-2911-511-1211-1911-2612-312-1012-1712-24时间ZQS-03机场站桩顶水平位移时程曲线2220181614）m12m（10 量移8位6积累420-2ZQS-04-4-68-68-138-208-279-39-109-179-2410-110-810-1510-2210-2911-511-1211-1911-2612-312-1012-1712-24ZQS-05时间ZQS-06 5

机场站桩顶水平位移时程曲线161412108累积位移量 （mm）6420-2-4-6-8-10-128-68-138-208-279-39-109-179-2410-110-810-1510-2210-2911-511-1211-1911-2612-312-1012-1712-24ZQS-21ZQS-22ZQS-23时间ZQS-24 图二

对于非刚性支护结构，由于其本身会发生变形，与支挡结构以外的土体相互作用，而导致土体变形从而发生地面沉降。侯学渊、陈永福等根据有限元理论分析结果和Peck教授估算地表沉降的经验公式，并结合若干工程实测资料的统计，提出以下公式：

(a)坑外地表沉降的范围x。为:

式中，H—为桩长(m);

x。=Htg(45°-ψ/2)(4.7) 式1

ψ—土层内摩擦角(度)。

(b)最大地表沉降为δ:

δ=2Sw/ X0 式2

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式中，Sw—桩顶位移(mm)。

按照以上支护结构位移产生的地面沉降的公式计算，基坑开挖支护结构变形位移造成的地面沉降的影响范围x。为12.4m，形成的最大沉降占为2.11mm，只占实测沉降最大值的2.3%左右(取桩长H为19.5m、土平均内摩擦角必为25°、桩顶最大位移S，x。=12.4m)。所以在该工程中支护结构位移产生的沉降很小，可以忽略，场地周围的沉降变化主要是由于地下水的水位变化导致的。

四、 沉降观测资料分析

1、 桩顶沉降点分析：

本文对仅选择的不同位置的11个桩顶沉降观测点绘制了沉降历时曲线图，如图三：

机场站桩顶沉降时程曲线10864累积沉降（mm）20-2-4-6-86-257-27-97-167-237-308-68-138-208-279-39-109-179-2410-110-810-1510-2210-2911-511-1211-1911-2612-312-1012-1712-24ZQC-01ZQC-02时间ZQC-03 7

机场站桩顶沉降时程曲线1086累积沉降（mm）420-2-4-6-86-257-27-97-167-237-308-68-138-208-279-39-109-179-2410-110-810-1510-2210-2911-511-1211-1911-2612-312-1012-1712-24ZQC-04ZQC-05ZQC-06ZQC-07时间 机场站桩顶沉降时程曲线1086累积沉降（mm）420-2-4-6-86-257-27-97-167-237-308-68-138-208-279-39-109-179-2410-110-810-1510-2210-2911-511-1211-1911-2612-312-1012-1712-24ZQC-21ZQC-22ZQC-23ZQC-24时间 图三

从图中可以看出无论沉降量的大小如何，各沉降观测点均有三个特征的变化阶段：第一阶段为0-120天左右的沉降快速发展阶段;第二为快速反弹阶段，经历的时间比较短，约在最大沉降发生后30天左右的时间段内完成;第三阶段为沉降的缓慢反弹时间。各个观测点在整个观测时间中的发展情况大致趋势是相同的，仅在每一个阶段内发展程度有很大不同。基坑北侧位移监测点ZQC-04、ZQC-05、ZQC-06、ZQC-07沉降量明显比基坑西侧ZQC-01、ZQC-02、ZQC-03沉降量大，反弹量大。从施工开始发现基坑内及周边有水，立即进行降水处理，整个施工过程都伴随着降水工作。从测得桩顶沉降的数据可以看出，测点都趋于隆起，伴随排水，观测点隆起趋

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势稳定，在60-120天的开始，再到第二阶段的反弹过程。

2、 地面沉降分析

支护在基坑开挖过程中，由于改变了原来土体的应力场，必然会导致周围地层的变形，引起支挡结构的变形和位移，甚至破坏。支挡结构的水平位移的大小，主要取决于基坑的宽度、开挖深度、地层的性质、支挡结构的刚度和入土深度等因素。基坑的暴露时间、支撑的及时性和支撑刚度、位置、时间和支撑预加轴力，将对支挡结构的变位起到重要影响。

通过长期工程实践的观察和测定发现，支护结构变形与地面变形的关系一般情况下有下列两种规律:(a)当土质较差而支护结构入土深度不大时产生的变位最大，而最大地表沉陷值常常出现在坑边;(b)当坑底土层较好或支护结构入土深度较大时，产生的变位较小，最大的地表沉陷发生在距坑边以外某一定的距离处。

因为本施工场地周围无重要构筑物且周边也无重要建筑物，未对基坑西侧和南侧地表进行沉降观测。

3、水位观测点分析

机场站基坑外地下水位时程曲线23.6023.4023.2023.0022.8022.6022.4022.2022.0021.8021.6021.409-149-219-2810-510-1210-1910-2611-211-911-1611-2311-3012-712-1412-2112-28水面标高（m）SE-03SW-06时间 9

机场站基坑外地下水位时程曲线20.2019.8019.40水面标高（m）19.0018.6018.2017.8017.4017.0016.6016.209-149-219-2810-510-1210-1910-2611-211-911-1611-2311-3012-712-1412-2112-28SW-01SW-02时间 再对近四个月对三个降水井获取的480余组数据进行统计和处理，做在降水120天左右发生的实测最大沉降数据进行分析。基坑降水引发的沉降并不是想象中的环绕基坑，主要表现在基坑南侧的水位(SW-06)沉降明显大于基坑西侧(SW-01、SW-02)及北侧(SW-03)，这样基坑南侧的桩顶沉降（SQC-21、22、23、24）不仅绝对沉降值大，不均匀沉降也大，该侧的构筑物受到的威胁也就最大。实际中体现为地表及周边建筑受到不同程度的影响和破坏。由于受到自然降水回灌和水位自然回升的影响，基坑周边的沉降在经历过最大沉降后，发生回弹，在停止抽水约10天后，这时沉降达到稳定，为基坑工程造成的最终沉降，可以认为该图是抽水、回灌及水位自然恢复，对沉降观测点共同作用的最终结果。

五、 支撑应力分析

井点降水法却具有既经济又实用的优点，且降水施工技术成熟、简单，广泛为人们所接受。另外，降水有利于提高土体的强度;可减少坑内地下水的浮托力;还可降低作用于支护结构上的主动土压力(静水压力)。对基坑研究后发现，降水后的支护结构的和支撑力分别为不降水的55%和56%，降水效果非常明显。因此基坑降水既方便施工又加强基坑的安全、稳定性。

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机场站基坑钢支撑轴力时程曲线（断面2）700600500400300轴力值 (KN)200ZL-03-011000ZL-03-02ZL-03-03(已拆)6-267-37-107-177-24机场站基坑钢支撑轴力时程曲线（断面1）4007-318-78-148-218-289-49-119-18时间9-2510-210-910-1610-2310-3011-611-1311-2011-2712-412-1112-1812-25300200ZL-01-01轴力值 (KN)ZL-01-02100ZL-01-03(已拆)ZL-02-01ZL-02-020ZL-02-03(已拆)结合实际工程实施，在施工期间不间断的进行降水，以至于测得钢支撑轴力一直处于衰减趋势。

六、 结论

为了实现基坑开挖的干作业和基坑底板与边坡的稳定常常需要在一定时间内大量抽水。当对基坑地下水处理不当时，常能造成基坑坍塌，地面沉降等事故。分析地下水处理不当造成不良现象的原因，可归纳如下:

6-267-37-107-177-247-318-78-148-218-289-49-119-189-25时间10-210-910-1610-2310-3011-611-1311-2011-2712-412-1112-1812-25 11

①在基坑开挖排水过程中，边坡产生较大的水力坡度、地下水向坑内渗流产生管涌;

②降水井结构不合理或洗井不规范，当抽取地下水时带走大量土颗粒，导致土体被掏空，造成地面塌陷或开裂;

③围护结构防渗性差，坑外土颗粒流失;

④基坑底板以下有承压水，坑底至承压含水层顶板之间的土体压力小于承压水的顶托力，坑底产生突涌，流砂、流土等;

⑤水质变化，特别是沿海地区特别容易导致海水入侵，淡水资源咸化。

⑥降水影响范围是指降水影响半径所圈限的区域，不能等同于降水引起的固结沉降影响范围。虽然降水影响范围和沉降影响范围存在总体上的一致性，对于某一个特定的基坑地面沉降主要受降深控制，但沉降量的大小还与地层可压缩性、压缩层厚度等诸多因素有关。

⑦以周围环境对降水引发沉降的最低要求为约束，同时又满足工程施工和工程安全的需要，进行降水设计，这将改变过去人们仅从工程安全和施工条件的角度去进行降水设计的传统观点，而是把环境的因素考虑进来进行降水设计。

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