基坑降水引起的地面沉降災(zāi)害機(jī)理及數(shù)值模擬.doc

基坑降水引起的地面沉降災(zāi)害機(jī)理分析及數(shù)值模擬關(guān)鍵詞：基坑降水；影響因素；地面沉降；預(yù)測方法；數(shù)值模擬摘要：由于基坑降水引起周圍土體應(yīng)力的重新調(diào)整，造成基坑相鄰建筑物地基不均勻沉降，情況嚴(yán)重則造成相鄰建筑物破壞，因此對不均勻沉降量的分析預(yù)測具有現(xiàn)實(shí)意義。在分析傳統(tǒng)因素的基礎(chǔ)上引入有限元數(shù)值模擬的概念，對于預(yù)測基坑降水所引起的地表沉降有很大的指導(dǎo)性意義。Key Words: Foundation pit precipitation; Influencing factors; Land subsidence, Prediction method; Numerical simulationAbstract: Due to the foundation pit precipitation caused soil stress around the readjustment, resulting in th- e foundation pit adjacent building foundation uneven settlement, it would cause serious damage to the adja- cent buildings, so the analysis of the uneven settlement prediction has practical significance.On the analysis of the traditional factors on the basis of introducing the concept of finite element numerical simulation for f- undation pit precipitation prediction of surface subsidence caused by a lot of guiding significance.1引言 隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，高層建筑的不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了大量的深基坑工程，深基坑的支護(hù)與降水是保證基坑穩(wěn)定的最主要的工作內(nèi)容，尤其是在地下水埋深較淺地區(qū)開挖基坑，基坑降水必不可少，降水成為基坑工程的重要組成部分。深基坑降水給基坑施工帶來很大的方便，但同時基坑的深井、群井抽水也引起了一系列的環(huán)境問題，給降水基坑周圍建筑物帶來了不良影響，長時間的抽水降低地下水位，會引起周圍建筑物基礎(chǔ)與地面產(chǎn)生不均勻沉降，沉降范圍由基坑邊緣逐漸向外擴(kuò)展。一般來講，距基坑較近的基礎(chǔ)或地面沉降較大，距基坑較遠(yuǎn)的建筑物基礎(chǔ)或地面沉降較小。對于設(shè)計(jì)與施工人員來說，在基坑開挖前通過基坑降水井的合理布設(shè)，預(yù)測降水開始后不同時間段基坑周圍地面沉降量，采取有效防護(hù)措施，降低基坑抽水對周圍環(huán)境的影響具有很大意義。2研究現(xiàn)狀 地面沉降是指在自然和人為因素作用下，由于地殼表層土體壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象。一般而言，主要是不合理開采地下流體(地下水、天然氣和石油等)所致。它具有成生緩慢、持續(xù)時間長、影響范圍廣、成因機(jī)制復(fù)雜和防治難度大的特點(diǎn)，是一種對城市規(guī)劃建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活構(gòu)成威脅的地質(zhì)災(zāi)害，很早就為人們發(fā)現(xiàn)。上世紀(jì)末本世紀(jì)初，日本新瀉、美國圣可塞及我國上海就發(fā)現(xiàn)了地面沉降現(xiàn)象。直到1936年，墨西哥J.A.GuevaS發(fā)表了墨西哥城的地面沉降問題一文后，才引起人們的關(guān)注。隨著社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和都市化程度的提高，對地下水等流體資源不合理開發(fā)加強(qiáng)，地面沉降日趨明顯。目前，世界上已有50多個地區(qū)發(fā)生地面沉降，比較嚴(yán)重的國家是美國、日本、墨西哥和意大利等。我國已有50多座城市發(fā)生地面沉降，較為嚴(yán)重的有上海、天津、臺北、西安、寧波和蘇州等。自本世紀(jì)中期開始，地面沉降研究工作受到普遍重視。1965年聯(lián)合國提出的國際水文十年調(diào)研項(xiàng)目就包括該專題，1975年又繼續(xù)作為聯(lián)合國國際水文計(jì)劃項(xiàng)目由于過度開發(fā)產(chǎn)生的地面沉降地下水評估和環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)一步研究。為加強(qiáng)各國對地面沉降研究的學(xué)術(shù)交流，由聯(lián)合國教科文組織、國際水文科學(xué)協(xié)會等團(tuán)體發(fā)起，曾分別于1969、1976、1984、1991年在日本的東京、美國的阿納海姆、意大利的威尼斯和美國的休斯敦召開了第一、二、三、四屆地面沉降國際討論會。我國曾分別于1964、1980、1988和1990年在上海和天津召開了4次全國性地面沉降學(xué)術(shù)討論會，交流了成果，總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)，推動了地面沉降研究工作的發(fā)展。在研究工作的基礎(chǔ)上及時實(shí)施控沉治理，主要措施是:“專業(yè)部門查明沉降原因和沉降部位，確定地下水的合理開采量，制定壓縮開采地下水方案;市政府制定有關(guān)政策法規(guī)，并組織有關(guān)部門積極進(jìn)行綜合治理。3地面沉降機(jī)理 地面沉降是土層中空隙水承擔(dān)的空隙水壓力和土骨架承擔(dān)的有效應(yīng)力發(fā)生變化的結(jié)果。處于平衡狀態(tài)的含水系統(tǒng)，當(dāng)?shù)叵滤怀槌龊螅障端畨毫p小，原先的土，水平衡狀態(tài)被破壞，有效應(yīng)力發(fā)送變化，從而導(dǎo)致土體產(chǎn)生變形。 抽取地下含水層中的地下水會引起地面沉降是不可避免的,但在某一時段內(nèi),其量值相對微小,它不足以對周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響。 抽水期間的地面沉降由兩部分組成:一是含水層的壓縮變形。由于含水層中砂粒自身強(qiáng)度較高,加之顆粒周圍存在帶壓的水,當(dāng)水位降深較小時,砂粒之間的位置難以得到調(diào)整,宏觀上表現(xiàn)出的壓縮量極小,且很快趨于穩(wěn)定;二是上部粘性土層的釋水壓密,符合太沙基一維固結(jié)理論。在降水期間,由于抽水時間有限(一般24個月),在這段時間內(nèi),粘性土的固結(jié)度一般在0.2左右,釋水壓密的壓縮模量一般在1.01.6cm之間在抽水過程中,因排水會使承壓含水層的孔水壓力降低,如果水位降深為H,則孔壓改變量為wH,在總應(yīng)力不變的條件下,根據(jù)有效應(yīng)力原理,減小的孔隙水壓力會轉(zhuǎn)換成有效應(yīng)力增量,也就是這個有效應(yīng)力增量使含水層壓密。即承壓水水頭每降低1m,有效應(yīng)力增量為10kPa。隨著抽水過程的延續(xù),承壓含水層的壓密逐漸穩(wěn)定,隨之,上部隔水層開始釋水壓密。由于粘性土層的滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)極低,釋水壓密遵從滲透固結(jié)規(guī)律緩緩發(fā)展。即使水位恢復(fù)到原有狀態(tài),這種現(xiàn)象仍將滯后一段時間才逐漸停止。可見抽水引起的地面沉降既發(fā)生在含水層中,同時也發(fā)生在粘性土中,只是不同階段,各自主次不同所占比例不同而已。31基坑降水引起地面沉降的影響因素 基坑降水引起地面沉降的因素是多方面的，而且也很復(fù)雜，決定沉降有三個主要因素，一個含水層的水位下降后,原水位以下土層的有效應(yīng)力增加、土層厚度、土層的壓縮模量是導(dǎo)致地面沉降的最主要因素。含水層的致沉作用是各個含水層的獨(dú)立行為,在基坑開挖工程中采取降水措施,若降低一個含水層的水位就能達(dá)到目的時,就不要觸動另一個含水層,這樣就可以減少地面沉降量。 同時基坑周邊地面沉降與土方開挖過程中護(hù)坡結(jié)構(gòu)的位移有著直接的明顯的關(guān)系?；咏邓畷r,出水含砂量的多少也明顯涉及到地面沉降量的大小。因降水井出砂(潛蝕作用),導(dǎo)致地面不均勻沉降甚至坍塌的例子屢見不鮮。因此,抽取地下水時,對出水中的含砂量,各級標(biāo)準(zhǔn)都有嚴(yán)格要求。標(biāo)準(zhǔn)隨情況不同而異,它呈現(xiàn)出降水延續(xù)時間越久,對水中含砂量要求精度越高的趨勢。33基本理論 根據(jù)有效應(yīng)力原理，由于基坑不斷抽水，土層中的孔隙水壓力不斷消散，在總應(yīng)力不變的情況下，消散的孔隙水壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?yīng)力，土層在增加的有效應(yīng)力作用下引起新的固結(jié)壓縮變形。計(jì)算抽水引起的地面沉降的理論方法主要有彈性理論、黏彈性理論等，實(shí)際運(yùn)用中多根據(jù)彈性理論計(jì)算。一般采用一維固結(jié)理論，將各水頭作用下所產(chǎn)生的每層土的變形量疊加起來即為地面沉降量。基坑降水設(shè)計(jì)的原理是基于地下水動力學(xué)中井的滲流理論。目前，一般采用穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流兩種理論方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，要進(jìn)行基坑降水地面沉降預(yù)測，必須計(jì)算出相應(yīng)時間的地下水位降深，由于穩(wěn)定流理論只能計(jì)算地下水最終降深，所以不能進(jìn)行實(shí)時預(yù)測，要解決這個問題只能采用非穩(wěn)定井流理論計(jì)算方法。根據(jù)非穩(wěn)定流理論，降水過程中基坑內(nèi)外任一點(diǎn)、任意時刻的水位降深可按下列方法確定。承壓完整井群井公式為： ；潛水完整井群井公式為： ；式中： Stw 為基坑周圍某點(diǎn)降水 t 時刻水位降深；Qi為第 i 井出水量；M 為承壓含水層厚度；H 為潛水含水層厚度；K 為滲透系數(shù)； m 為降水井?dāng)?shù)量；W(ui)為井函數(shù)，可查表或近似計(jì)算。井函數(shù) W(ui)中的ui 可采用下列公式計(jì)算：；式中：ri為計(jì)算點(diǎn)至各井點(diǎn)的距離；ui為參變量；S為貯水系數(shù)；T 為導(dǎo)水系數(shù)；t 為時間。計(jì)算每一地下水位差值下地面的最終沉降量。對于粘性土的最終沉降； 式中：為某一水位差作用下引起的地面最終沉降量；n 為水位降深范圍內(nèi)的土層數(shù)；Ei為第 i 層土的壓縮模量； 為水位下降范圍內(nèi)第 i 層黏性土的厚度；為第 i 層土平均附加自重應(yīng)力增量，且有：，為水的重度。 計(jì)算某時間、某水位降深作用下的沉降量：；式中：Stn為某時間黏性土層降水引起的地面的固結(jié)沉降量；ut為固結(jié)度，是時間 t 的函數(shù)。，式中：Tv為時間因數(shù)，且有：，式中：Cv為固結(jié)系數(shù)，取雙面排水， H 取降深范圍內(nèi)黏性土類土層厚度的一半。 ；式中：e 為土的初始孔隙比；a 為土的壓縮系數(shù)。 對于碎石類砂土類一般認(rèn)為，砂土類、碎石土類不存在孔隙水壓力消散滯后問題，水位降深達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，土層固結(jié)即完成。 ；式中：為水位降深范圍內(nèi)第 j 砂層厚度； 為地下水位變化值；Ej為第 j 層土的壓縮模量。 地面降水某時間段內(nèi)總沉降量為：4地面沉降數(shù)學(xué)模型 地面沉降是水土相互作用，土體內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化的外在表現(xiàn)，它與土的變形特性和水的滲流情況密切相關(guān)，因此，地面沉降的數(shù)學(xué)模型研究一般都包含地下水滲流模型和土體變形模型兩大部分。41地下水滲流模型 地下水滲流模型要求能再現(xiàn)地下水結(jié)構(gòu)和流動特征的能力，能真實(shí)地刻畫實(shí)際地下水系統(tǒng)中發(fā)生的物理過程。地面沉降計(jì)算中采用的滲流模型常用的是主要有下列幾種： （1）二維模型。該模型一般把單一含水層中的地下水視為二維平面流，忽略了水流垂直分量，只有水流的垂直分量較小時比較合理，當(dāng)?shù)叵滤ζ露容^大時會引起計(jì)算誤差。如Rolando Bravo等采用的含水層水流模型。 （2）準(zhǔn)三維模型。該模型在垂直方向上可以考慮多個二維平面流的含水層，但各個含水層之間可以考慮垂直方向的越流水力交換，這種處理方法對于描述多個以水平流動為主、只有局部垂直越流補(bǔ)給的含水層滲流過程比較合適。國外90年代做的幾個主要實(shí)例模型，例如R.Bravo（美國）等做的美國休斯敦模型，A.Rivera（法國）等做的墨西哥城模型，G.Gambolati（意大利）做的意大利拉溫納區(qū)域地下水流模型，K.Daito（日本）做的日本大鱷平原的模型等等，都屬于準(zhǔn)三維流模型。 （3）真三維模型。即含水層和弱透水層中的地下水流均作三維滲流處理。如駱組江等建立的鹽城市地下水資源數(shù)值模型。全三維模型能較好地刻畫地下水系統(tǒng)內(nèi)真實(shí)的水流狀態(tài)，特別是針對粘土，亞粘土等弱透水層因相鄰含水層抽水而導(dǎo)致的壓密釋水狀況。而被開采層及相鄰層的壓密釋水恰恰是造成地面沉降的主導(dǎo)因素，其他幾種模型是無法刻畫這個特征的。42土體變形模型 土體是松散的多孔介質(zhì)，其組成特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了他具有不同于一般固體材料的特性。因此，土體變形特征不同，即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不同，對應(yīng)的土體變形模型也就不同。根據(jù)土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，地面沉降計(jì)算中土體變形模型主要有線彈性模型、非線彈性模型和流變模型。（1）線彈性模型。即認(rèn)為土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合虎克定律，土層厚度的變化與有效應(yīng)力的變化成正比。這一模型主要用于含水層的變形，即將含水層的變形作為彈性的、可恢復(fù)的。另外，在考慮土層的三維變形時，將含水層和粘土、亞粘土層，幾乎都看作線彈性體。（2）非線彈性模型。即考慮到土體變形的非彈性特性，當(dāng)?shù)叵滤换謴?fù)時，土體要產(chǎn)生回彈，但不可能完全恢復(fù)，且恢復(fù)的程度與土質(zhì)條件、土體所處的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。另外土體的變形與土體經(jīng)歷的應(yīng)力歷史有關(guān)。因此在計(jì)算土體變形時按土體的前期固結(jié)應(yīng)力的大小，需要進(jìn)行分段處理。如Rolando Bravo等考慮到土體變形與應(yīng)力歷史的關(guān)系，提出預(yù)固水位的概念。（3）流變模型。即認(rèn)為由于在土體骨架應(yīng)力作用下土體表面所吸附的水的粘滯性，土體顆粒的重新排列和骨架體的錯動將具有明顯的時間效應(yīng)。吳林高等用高壓滲透固結(jié)儀進(jìn)行了抽水壓密、回灌膨脹的室內(nèi)模擬試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明抽灌水作用下土層的應(yīng)力應(yīng)變具粘彈性特征。DC.Helm假設(shè)飽和粘性土為理想的粘性材料得出了當(dāng)上下相鄰含水層孔隙水壓力變化時粘土層一維固結(jié)方程解析解。冉啟全等提出了考慮流變的土體水土耦合計(jì)算模型。43沉降計(jì)算模型 雖然土體在沉降過程中，孔隙壓力（水頭）總是和土的位移分不開，但在解決實(shí)際問題時，地下水流模型和土體變形模型可以按照不同的形式耦合在一起。最早研究地下水滲流土體變形相互作用的是K.Terzaghi，他針對多孔介質(zhì)中流體的滲流變形的耦合問題，提出一維沉降固結(jié)理論，該理論至今仍是研究沉降計(jì)算的基礎(chǔ)之一。從該理論出現(xiàn)到現(xiàn)在，地面沉降計(jì)算模型研究不斷深入。 如前，根據(jù)滲流模型與土體變形模型不同的結(jié)合形式，沉降模型大體可分為3類：即兩步計(jì)算模型、部分耦合模型和完全耦合模型。 （1）兩步計(jì)算模型。兩步計(jì)算模型最初由G.Gambolati和R.A Freeze在研究威尼斯由地下水系統(tǒng)開采引起的地面沉降問題時提出。主要根據(jù)含水層和弱透水層的水位變化來計(jì)算有效應(yīng)力的變化，從而計(jì)算各土層的變形量，即完全分成各自獨(dú)立的兩步完成，進(jìn)而求出地面沉降量。而后，R.Bravo首先應(yīng)用三維Modflow軟件解出含水系統(tǒng)各土層的水頭，在假設(shè)各土層總盈利不變的條件下，根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，計(jì)算各土層的垂向變形，地面沉降量的大小即為所有土層垂向變形量之和。中英研究人員（1998）在天津地面沉降研究中，在Modflow程序的基礎(chǔ)上增加了考慮粘土層中沉降滯后作用開發(fā)了IDP程序，并引入了前期固結(jié)水位。 （2）部分耦合模型。此類模型也就是耦合的兩部模型，它一般的表現(xiàn)特征是水位和變形既分布計(jì)算又互相影響。而他們之間的耦合體現(xiàn)在參數(shù)隨沉降的變化中。例如，A.Rivera等在多層含水系統(tǒng)中采用準(zhǔn)三維水流模型，給出了非線性的一維垂向固結(jié)方程。顧小蕓，冉啟全考慮三維滲流和一維固結(jié)變形給出了非線性固結(jié)方程。（3）完全耦合模型。完全耦合模型是基于三維Biot固結(jié)理論，它考慮土體的變形和地下水滲流的耦合作用，即孔隙水壓力的變化對土體變形土體變形對孔隙水壓力的相互影響，降土的變形模型和地下水流動模型置于時間和空間的同步，孔隙水壓力和變形同時算出，且地下水流和變形都是三維的。5.小結(jié)自然界中的地下水流系統(tǒng)是非常復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，再考慮到人