城市深基坑施工降排水对周边建(构)筑物的影响和控制措施

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  摘要:随着城市化的发展,高层建筑日益增多,出现了越来越多的深基坑工程。当地下水位埋深较浅时,为方便施工,降水是必要工作。现在的深基坑设计和施工控制重点不仅在于保证其强度、稳定性,而且还要控制对周围环境的影响。盲目降水势必造成周围建筑的不均匀沉降,开裂甚至破坏。本文主要针对城市深基坑施工降排水对周边的建(构)筑物的影响和控制措施进行了探讨。
  關键词:深基坑;影响;措施
  中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号:
  一、深基坑开挖降排水技术施工技术
  1、承压水对深基坑开挖的不利影响概述
  (1)过量沉降的不利影响
  在以往的施工实践当中存在着认识偏差,即采取了明降措施(例如坑内设井)来进行排水施工,尽管出现了沉降现象,也是允许的;但是经过大量的工程实践显示,即便是采取了坑内设井等明降措施,周围底层的过量沉降现象几乎没有办法避免,并且也影响了周围各种建筑物的正常使用。所以,如果深基坑的周围存在着高层建筑或者较多的其他建筑时(特别是刚性浅基础),必须要严格控制水位和沉降来保证这些建筑的安全。
  (2)对顶托产生破坏性影响
  坑底突涌是承压水对顶托产生破坏性影响的典型表现,通常会呈现出“沸腾”、深基坑坑底流砂以及坑底顶裂等表现形式。出现坑底突涌的主要原因是没有完全封闭地质探孔以及抵御坑底突涌的安全措施不到位。
  (3)异常管涌的不利影响
  异常管涌的主要表现形式基坑的开挖面的下围护结构出现渗漏问题而发生的坑底涌水问题。导致异常管涌的主要原因就是基坑的内外存在压力差值,如果维护结构的施工工艺存在问题,导致止水作用失效,最终出现了异常管涌问题。
  (4)开挖面突涌的不利影响
  导致开挖面突涌的主要是存在的缺陷的围护结构出现了开挖面以上的渗漏情况,该现象在深基坑开挖工程当中广泛存在。
  (5)失去有效应力导致的不利影响
  从本质上来看,基坑开挖的过程便是降低总应力的过程,假如在该过程中没有采用必要的降压措施,孔隙水压依然会保持在较高水平,进而导致出现有效应力降低的情况。此时,如果基坑的抵御突涌措施的安全系统小于1.0,便会让土体的有效应力接近数值零,此时的土体颗粒处在悬浮状态之下,无法提供必要的侧向抵抗力,另外,承压水的顶托作用力会在土体回弹作用下增强,导致出现大量的明水涌出问题。
  2、深基坑降排水施工技术控制
  (1)合理确定深基坑降排水施工技术方案
  第一,确定降水措施。在充分研究地质资料、认真分析工程降水试验失败原因的基础上,结合现场施工条件,并将电渗、喷射、轻型和管井等几种降水方式的效益合理性进行对比,同时考虑到降水方式对基坑开挖和后续工程的影响程度,采用管井点法进行降水。基本思路是:将承压水降至开挖面以下,同时疏干潜水含水层。降水需达到的目的与要求:疏干基坑开挖范围内土层中的地下水及确保在基坑开挖时地下水位控制在开挖面以下二至三米,满足基坑无水开挖施工的要求;提高土体的水平抗力,减少基坑位移和周围地基沉降,便于机械施工;降低承压水头高度,确保基坑稳定开挖和结构制作。
  第二,明确井点的布置形式。如果工程基坑平面近似正方形,管井布置宜采用环行封闭式;根据降水层主要为基坑底部的承压含水层且降水深度较大的特点,宜采用坑外降水。其优点是对以后各工序的施工影响小,结构完成后不用考虑封井问题。实际管井布置时,需要考虑周边道路的正常通车和施工工期不受影响,同时尽可能为后续施工创造便利条件,采用基坑内、外相结合的布井方式。
  (2)积极采用综合降排水施工技术
  第一,积极构建防渗垂直帷幕。第一步,科学配置施工浆液。施工浆液通常需要用砂浆在搅拌机的搅拌之下进行。严格控制搅拌时间,保证每次的搅拌时间应该在三分钟以上。施工浆液在搅拌完成之后的留置时间不能够超过两个小时,否则就必须要降级使用。一直到输送浆液完成之前,浆液均需要在搅拌设备中处于搅拌状态中。第二步,将深层搅拌机安置在制定位置。在安置的过程中需要使用重型的起重机,并利用定位卡来保证桩位的位置准确,允许误差不能够超过五厘米。就位完成之后,搅拌轴、导向架均需要和地面垂直,允许的偏差必须要控制在百分之一的范围之内。第三步,喷浆成桩。启动灰浆泵待浆液从喷嘴喷出后则可启动桩机向下旋输占进以喷桨成桩,期间要求连续啧入水泥浆,并应控制钻机钻进速度以及喷桨压力和喷桨量等,待桩长达到设计长度或到达设计层位后应在原地喷浆半分钟之后才能够进行反转匀速提升,使搅拌头自桩底反转匀速搅拌提升直至地面,过程中若搅拌头被粘土包裹则应及时清除。第四步,重复钻进及提升。若喷浆量未达到设计量则应重复钻进搅拌及提升,若达到设计量则只需复搅而不用送浆,待该桩喷浆量达到设计要求则可开动灰浆泵将管路内残留水泥浆清洗,之后进行下一桩施工。
  第二,采用深井井点降水施工技术。第一步,进行钻井施工,保证在钻进的过程中泥浆比重维持在1.1至1.2之间,含沙量应该严格控制在百分之十二的范围之内,如果条件允许的话,则最好利用底层的自然造浆,如果自然造浆不稳定,也可以通过人工造浆的方式来弥补。如果发现钻进过程中的泥浆含量大于五分之一,此时需要利用人工泥浆来进行代替。为了防止出现钻具弯曲必要要保证钻进过程要缓慢而且有序。每钻完一根钻杆之后,均要求进行必要的重复扫孔作业,以清理钻孔内部的岩粉;直到清理干净之后,才能够进行新钻杆的连接,终孔完毕之后,应该进行马上清孔,一直到泥浆当中不含泥块时停止。第二步,下井管。依照预先设定的要求将井管进行排列与组合,尤其需要注意的是,在下井管的过程中,必须要对全部井底进行严格控制,确保进口具有相同的标高。安置井管的过程中必须要保证入孔的过程平稳而且顺滑,井管之间的连接应该没有空隙。利用过滤器对缝隙进行彻底的刷洗,保持缝隙的干净。下管的过程中应该保持井管的自然下落,如果下管过程中遇到阻碍,则应该对井管进行调整,禁止向下使用蛮力,以免出现损坏的情况。井管到底之后可以逐渐的稀释泥浆,并进行填砾施工。
  二、深基坑施工降排水对周边的建(构)筑物的影响分析
  1、渗流场与应力场耦合有限元分析
  基坑降水对周围环境及既有结构的影响涉及到渗流场与应力场的耦合问题。以节点位移和孔压为未知量的比奥三维固结方程如下
  
  2、计算模型及参数
  (1)计算模型。本文计算模型为一个概念模型。该模拟场地主要为砂性土层,层厚为35m。地下水为潜水,水位标高-2m。模拟基坑尺寸为60m×60m×8m(长×宽×高)。整个基坑均采用坑外井点降水方法,井深22m,在距离基坑边界1m处对称布置42口降水井。由于模型形状及边界条件对称,取模型的1/4进行计算。模型的计算范围为180m×180m×24m(长×宽×高)。计算网格划分如图1所示。
  
  图1计算模型图
  (2)计算参数。土层饱和且均质各向同性,土体材料的塑性屈服准则为摩尔-库仑准则。降水井采用井点模拟,不考虑基坑开挖对周围建筑物沉降造成的影响,土层的力学计算参数:粉细砂土,厚30m,变形模量25MPa;泊松比0.3,内摩棱角32°,黏聚力0KPa,渗透系数19m/d。
  3、边界条件及求解过程
  (1)边界条件。位移边界条件,如图1所示,边界abcd、cdef、adfh为固定边界,各个方向位移均受约束。边界ghab为关于xoz对称边界,边界efgh为关于面yoz对称边界;渗流边界条件:降水井为已知流量边界,abcd、cdef为常水头边界,efgh、ghab为不透水边界。
  (2)计算和分析过程:①建立初始渗流场,施加水头边界,形成初始渗流场;②平衡初始荷载,位移场清零,形成土层的初始地应力场;③模拟建筑物基础,并在基础上施加外荷载计算至平衡,然后位移清零,形成建筑物的附加应力场;④模拟基坑井点降水,进行土体的流固耦合计算,得到在不同条件下降水引起的建筑物沉降大小及规律;⑤对模拟计算结果进行整理和分析。
  4、模拟计算结果及其分析
  (1)基础形式不同的影响
  分别分析框架结构基础形式为柱下独立基础、条形基础、筏板基础三种浅基础对基坑降水引起地面沉降的反应。框架结构为6层,层高均3.3m,总高度为19.8m,基础埋深2m,结构距离降水井12m。
  
  图2不同基础形式结构沉降图
  由图2可知,基础形式不同导致结构的沉降不相同,由于结构基础置换土体比例不同,导致降水引起的土体有效应力增加不同,柱下独立基础置换土体比例较小,所以沉降值最大,条形基础次之,筏板基础的沉降值最小。
  (2)基础埋深不同对结构变形的影响
  模拟分析中基础形式采用筏板基础,工况一~五基础埋涂分别为2、3、4、5、6m。
  经过计算可以得到建筑物的整体沉降与基础埋深的关系曲线如图3所示。
  
  图3不同基础形式结构沉降图
  由图3可知,隨着基础埋深的增大,基坑降水导致的结构的总沉降逐渐减小,图3表明建筑物总沉降与基础埋深基本成线性关系减小,其主要原因是:随着建筑物基础埋深增大,抽水形成的水力坡度逐渐变缓,导致作用于基础上的渗透力逐渐减小,从而导致整个结构的总沉降逐渐减小。
  (3)距基坑距离对结构变形的影响
  模拟分析过程中取建筑物距基坑中心距离分别为10、20、30、40m。其它土体力学参数及井参数保持不变。由图4可知随着既有建筑物距离基坑中心距离的增大,结构沉降逐渐减小。究其原因,一方面是距离基坑中心越
  远,相当于距降水井中心越远,场地降水产生的水位降深越小,所以土体的有效应力变化较小;另一方面,距基坑中心距离越远,地下水位线的坡度越缓,所以作用于基础上的渗透力减小,使建筑物沉降减小。
  
  图5距基坑中心距离不同观测点沉降曲线
  (4)回灌对地面沉降的影响
  在被保护建筑物与场地降水井之间设置回灌井,使基础下土体维持原有应力状态。从而有效的减小场地降水对邻近既有建筑物及地表沉降的影响。
  现利用软件模拟分析场地回灌井对地面沉降变形的影响,在距离建筑物观测点距离d分别为10、20、30、40、50m情况下增设回灌井,抽水井点对称分布于基坑外侧1m,以相同流量Q抽水,从井点抽水开始便以相同流量Q1进行回灌。图5所示分别为回灌井距离建筑物观测点距离d不同时,回灌对观测点沉降值影响;由模拟计算可知,建筑物观测点沉降值与其距回灌井的距离成非线性比例增大,距离回灌井越远,观测点沉降值越大。由图5可以看出,增设回灌井可以有效减小建筑物的总沉降,且其影响程度均与其距回灌井的距离有关,距离越近,影响程度越大。
  
  图5回灌井与观测点沉降之间的关系
  (5)止水帷幕对地面沉降的影响
  止水帷幕是在深基坑开挖时防止地下水横向渗流的竖向作业措施。一般止水帷幕的使用主要有两种情况:
  ①止水帷幕未插入隔水层中,降水井置于基坑内抽水,由于止水帷幕不能阻止坑内外的水力联系,井点降水会导致基坑周围地下水位下降,进而使原有地下水渗流场发生改变,土体应力场相应发生变化,因而降水将引起周围地面的沉降,可能对周围建筑物产生影响,如图6所示。
  
  图6第一种止水帷幕示意图
  ②止水帷幕插入隔水层中,止水帷幕隔断了坑内外的水力联系,所以基坑周围的地下水位没有下降,周围原有的地下水渗流场没有改变,土体的应力场无变化,因而降水并未引起周围地面的沉降,对周围建筑物没有影响,如图7所示。
  
  图7第一种止水帷幕示意图
  
  由图8可以看出,第一种形式的止水帷幕并不能有效减小周围建筑物观测点的沉降值和倾斜程度。而当止水帷幕插入隔水层内,割断了基坑内外的水力联系,可以有效减小周围建筑物沉降值,但建筑物沉降不为零,而是会产生相对很小的竖向位移,这是由于在利用软件模拟分析的过程中假定模拟边界处竖向位移为零,并且在模拟过程中由未考虑基坑开挖的影响,而基坑内部由于降水导致的沉降值很大,根据连续性原理,会使周围的建筑物产生微小沉降。
  
  图8观测点沉降值与止水帷幕之间的关系曲线
  
  结束语
  深基坑开挖施工中,当地下水位较浅时,首先应解决降水问题。然而城市建筑物密集,如果盲目地进行降水,势必造成相邻建(构)筑物不均匀沉降,甚至开裂、破坏,后果严重。在基坑降水施工中,不仅需要对周围建筑物沉降及时进行观测,而且要求应根据前期实测沉降对其沉降发展趋势、未来沉降量的大小进行预测,获取动态信息,以便调整施工方案,及时采取必要的工程措施。
  参考文献
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