基坑降水引起的沉降变形时空规律及降水控制研究
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摘要
本文首先对基坑工程的研究现状以及引起的对周围环境的影响作了较为详
细的论述，并着重对基坑工程降水产生的不良现象进行分析。总结了基坑降水
引起沉降常用的计算方法。
针对基坑降水引起沉降的原因是水头降低导致有效应力增加的客观事实，
对基坑降水的水位动态进行了模拟研究。特别对不同于供水水文的有隔水帷幕
的基坑降水水位动态模拟进行分析，提出利用虚拟井点通过统流量耦合的水位
计算数学模型。并引用Forchheimer公式推导出，有隔水帷幕时降水水位影响半
径的估算公式。
针对降水引起沉降计算时，普遍采用总应力不变的观点计算有效应力增量
的现状，提出总应力变化前提下潜水和承压含水层水位降低产生地层有效应力
增量的计算公式。并进一步提出降水后土层持水密度的概念，利用水文中给水
度的概念，推导出持水密度与给水度及工程常用土的物理力学指标之间的函数
关系，运用到降水引起的固结沉降计算中。
由于沉降观测资料是基坑降水和支护结构变形两者引起沉降的总和，为估
算支护结构变形产生的地面沉降，本文还对支护结构变形产生沉降的估算方法
进行了总结，并运用灰色理论预测支护结构变形的发展。
对降水过程中的回灌措施的效果和影响范围进行了讨论，提出回灌作为防
止措施的效果比作为治理措施的效果要好得多的观点，并对水位自然回升时基
础和地下室进行抗浮验算。
本文提出了沉降变形控制的降水最优化设计的概念，即以周围环境对降水
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。
最后通过工程实例计算与实测值比较，验证了本文的降水和沉降的计算方
法是较为准确而有效的．
The foundation pit effects on the surroundings is firstly discussed in detail, and
the bad phenomena caused by pit dewatering is emphatically analyzed in this paper.
Summarization of the settlement induced by dewatering is also displayed.
Because that the dewatering ground settlement is the result of the drawdown and
soil effective stress increase, this paper gives the water lever dynamic simulation of
foundation pit. The math model of groundwater flow of foundation pit with water-
resistance curtains is put forward especially with the by-pass seepage coupling of
virtual wells. Referring to the Forchheimer's discharge formula, it is deduced and
proposed that the formula for radius of drawdown influence with water-resistance
curtains.
Aiming at the matter of fact that the total stress is deemed changeless as
calculating effective stress, the formula for effective stress with changeable total stress
is proposed in soils of the confined and unconfined aquifers. The concept of holding
water density of soil is brought forward to donate the soil density after dewatering.
The function between soil holding water density and hydrogeology concept: specific
yield, soil physical mechanics index is deduced, and applied to the FEM calculation of
consolidation settlement.
As the observed settlement data is the sum value caused by drawdown and
bracing structure displacement, the settlement evaluating method is summed up. The
gray theory is applied to the evaluating the displacement of bracing structure.
It is discussed that the effects and influence of injection wells and is believed that
the injection wells effects is better as preventing settlement measure than as
harnessing settlement measure. When water levels recover naturally, the checking
computations of the groundwork floating resistance should be taken.
The concept of dewatering optimum design controlled by surroundings settlement
is put forward, that is the design must meet neither the project safety and construction
conditions requires nor the surroundings minimal settlement need. This concept will
change the traditional ideal that focuses on the safety and construction conditions to
also concern the surroundings capability.
In the end of this paper, the calculated results are compared with the observed
value in one example foundation pit, and are in good agreement with the observed
results in which settlement reduced by bracing displacement is already knocked off.
细的论述，并着重对基坑工程降水产生的不良现象进行分析。总结了基坑降水
引起沉降常用的计算方法。
针对基坑降水引起沉降的原因是水头降低导致有效应力增加的客观事实，
对基坑降水的水位动态进行了模拟研究。特别对不同于供水水文的有隔水帷幕
的基坑降水水位动态模拟进行分析，提出利用虚拟井点通过统流量耦合的水位
计算数学模型。并引用Forchheimer公式推导出，有隔水帷幕时降水水位影响半
径的估算公式。
针对降水引起沉降计算时，普遍采用总应力不变的观点计算有效应力增量
的现状，提出总应力变化前提下潜水和承压含水层水位降低产生地层有效应力
增量的计算公式。并进一步提出降水后土层持水密度的概念，利用水文中给水
度的概念，推导出持水密度与给水度及工程常用土的物理力学指标之间的函数
关系，运用到降水引起的固结沉降计算中。
由于沉降观测资料是基坑降水和支护结构变形两者引起沉降的总和，为估
算支护结构变形产生的地面沉降，本文还对支护结构变形产生沉降的估算方法
进行了总结，并运用灰色理论预测支护结构变形的发展。
对降水过程中的回灌措施的效果和影响范围进行了讨论，提出回灌作为防
止措施的效果比作为治理措施的效果要好得多的观点，并对水位自然回升时基
础和地下室进行抗浮验算。
本文提出了沉降变形控制的降水最优化设计的概念，即以周围环境对降水
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。
最后通过工程实例计算与实测值比较，验证了本文的降水和沉降的计算方
法是较为准确而有效的．
The foundation pit effects on the surroundings is firstly discussed in detail, and
the bad phenomena caused by pit dewatering is emphatically analyzed in this paper.
Summarization of the settlement induced by dewatering is also displayed.
Because that the dewatering ground settlement is the result of the drawdown and
soil effective stress increase, this paper gives the water lever dynamic simulation of
foundation pit. The math model of groundwater flow of foundation pit with water-
resistance curtains is put forward especially with the by-pass seepage coupling of
virtual wells. Referring to the Forchheimer's discharge formula, it is deduced and
proposed that the formula for radius of drawdown influence with water-resistance
curtains.
Aiming at the matter of fact that the total stress is deemed changeless as
calculating effective stress, the formula for effective stress with changeable total stress
is proposed in soils of the confined and unconfined aquifers. The concept of holding
water density of soil is brought forward to donate the soil density after dewatering.
The function between soil holding water density and hydrogeology concept: specific
yield, soil physical mechanics index is deduced, and applied to the FEM calculation of
consolidation settlement.
As the observed settlement data is the sum value caused by drawdown and
bracing structure displacement, the settlement evaluating method is summed up. The
gray theory is applied to the evaluating the displacement of bracing structure.
It is discussed that the effects and influence of injection wells and is believed that
the injection wells effects is better as preventing settlement measure than as
harnessing settlement measure. When water levels recover naturally, the checking
computations of the groundwork floating resistance should be taken.
The concept of dewatering optimum design controlled by surroundings settlement
is put forward, that is the design must meet neither the project safety and construction
conditions requires nor the surroundings minimal settlement need. This concept will
change the traditional ideal that focuses on the safety and construction conditions to
also concern the surroundings capability.
In the end of this paper, the calculated results are compared with the observed
value in one example foundation pit, and are in good agreement with the observed
results in which settlement reduced by bracing displacement is already knocked off.
引文
[1]龚晓南主编，深基坑工程设计施工手册，中国建筑工业出版社，1998
[2]唐业清等，基坑工程事故分析与处理，中国建筑工业出版社，1999
[3]顾宝和、周红，基坑工程若干基本问题的讨论——基坑开挖与支护研讨会综述，工程勘察，No．3，1997
[4]刘毅、张先林等，上海市近期地面沉降形势与对策建议，中国地质灾害与防治学报，Vol．9,No．2，1998
[5]吴永红、周玉明，基坑降水引起的地面沉降之估算方法，工程勘察，No．4，1993
[6]邓文龙，从水位降深估算地面附加沉降，中国地质灾害与防治学报，1998年第9卷增刊
[7]阳军生等，抽水地面沉降预计的随机介质模型．水文地质工程地质，1999年第5期
[8]桂和荣等，地面沉降预测的SA模型，94中国科技论文精选，北京：中国科学技术出版社，1994
[9]钱征、张清航，深基坑开挖的降水问题，基坑开挖中的岩土工程问题学术讨论会论文集，《岩土工程师》编辑部等主办，1992，天津
[10]花仁荣、常士骠，基坑降水综述，第四界全国岩土工程实录交流会岩土工程实录集
[11]何松龄．分层总和法地基变形计算精度探讨．工程勘察．1997，6
[12]周健等．《地下水位与环境岩土工程》．同济大学出版社．1995
[13]苏景中．深基坑工程降低承压水水位的几个主要问题．深基坑工程地下水防治专题报告会论文专辑．中南勘察．1996
[14]薛禹群．地下水动力学原理．地质出版社．1989，12
[15]Otohiko Suszuki and Hidewo Yokoya, Application of FORCHHEIMER's formula to dewatered excavation as a large circular well, Soils and Foundations, Vol.32, No.1, Mar.1992, Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering
[16]王才权．武汉一级阶地深基坑降水与地面沉降机理．深基坑工程技术的若干问题．武汉：湖北省／武汉市土建学会土工基础学术委员会编．1999．12．
[17]侯学渊、魏道垛等，我国基坑开挖与支护技术的发展和展望，基坑开挖中的岩土工程问题学术讨论会论文集，《岩土工程师》编辑部等主办，1992，天津
[18]《城市地下水工程与管理手册》，石振华、李传尧主编，中国建筑工业出版社，1993
[19]应朝斐，回灌法控制危房不均匀沉降一例，深基坑工程地下水防治专题报告会论文专辑．中南勘察．1996
[20]黄生根、张希浩、曹辉，地基处理与基坑支护工程，中国地质大学出版社，武汉，1997．3
[21]钱家欢、殷宗泽，土工原理与计算，第二版，水利水电出版社，北京，1994
[22]孔德坊主编，工程岩土学，地质出版社，1992年7月北京第一版，第一次印刷
[23]黄强，深基坑支护工程设计技术，中国建材工业出版社，北京，1995第一版，1998第二次印刷，p165～192
[48]Chang-yu ou,Dar-chang chiou and Tzong-shiann Wu, Three-dimensional finite element analysis of deep excavation, Journal of Geotechnical Engineering, May 1996,337-345
[49]Leake, S.A.,1990, Interbed storage changes and compaction in models of regional groundwater flow, Water Resources Research,vol. 26, no.9, 939～950.
[50]Yukitoshi murakamj,Quasi-preconsolidation effects developed in normally consolidated clays, Soils and Foundations, Vol.32, No. 4, Dec. 1992, Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering, 171～177
[51]王景廷，施工降水造成邻近建筑物不均匀沉降一例，土工基础，第12卷第2期，1998年6月，33～36
[52]刘金元、刘国彬、候学渊，基坑近旁建筑物循迹补偿保护法的应用，岩土工程学报，1999，21(3)：283～287
[53]任红林、杨敏，基坑工程井点降水分析计算，水文地质工程地质，2000年第1期，31～35
[54]徐洪安、张玲，基坑降水后土体中有效应力增量的计算，岩土工程师，第12卷第3期，2000年8月，11～15
[55]徐洪安，承压水对地基土自重应力的影响，工程勘察，1999年第3期，34～35
[56]娄仲连、罗国煜，深开挖工程中邻近建筑物的保护，水文地质工程地质，1998年第5期，55～57
[57]俞建霖、赵荣欣、龚晓南，软土地基基坑开挖地表沉降量的数值研究，浙江大学学报(自然科学版)，第32卷第1期，1998年1月，95～101
[58]俞建霖、龚晓南，软土地基基坑开挖的三维性状分析，浙江大学学报(自然科学版)，第32卷第5期，1998年9月，552～557
[59]周玉明、吴永红、翁鹿年，天津盐场气象电算楼基坑开挖与讲述工程方案设计，基坑开挖中的岩土工程问题学术讨论会论文集，《岩土工程师》编辑部等主办，1992，天津
[60]杨志锡，某基坑地下水渗流与地面沉降的探讨，岩土工程师，第12卷第3期，2000年8月，1～3
[61]罗衍俭，深基坑开挖降排水设计，岩土工程师，第12卷第3期，2000年8月，29～30
[62]孙均，地下工程设计理论与实践，上海科学技术出版社，1996，上海，24～38
[63]郭卫星、卢国平编译，MODFLOW三维有限差分地下水流模型，南京大学地球科学系(内部资料)
[64]顾小芸、冉启全，地面沉降预测和防治措施研究，中国地质灾害与防治学报，第9卷增刊，1998年1月，7～10
[65]金亚兵，深基坑环状井点降水渗流量的计算，土工基础，第14卷第2期，2000年6月，47～50
[66]姚旭初、万力、苏学清，基坑降水中非稳定井流计算，工程勘察，1999年第3期，28～31
[67]崔红军、孙学军，沿途工程中地下水作用问题浅探，工程勘察，1999年第5期，31～33
[68]左其亭、马军霞、张能奎，建筑物沉降量预测和最终沉降量早期确定的灰色Verhulst模型，岩土工程技术，1998年第1期，59～62
[69]罗晓辉，基坑开挖渗流数值分析，土工基础，第11卷第3期，1997年9月，18～21
[70]张尚根、陈志龙、曹继勇，深基坑周围地表沉降分析，岩土工程技术，1999年第4期，7～9
[71]卢德生、王炳龙，基坑降水的非完整井流计算，岩土工程技术，1998年第2期，44～47
[72]陆培毅、顾晓鲁，基坑开挖及降水引起周围建筑物不均匀沉降的实例，岩土工程技术，1998年第4期，9～11
[73]卢德生、茹以群、缪俊发，非完全隔水基坑的降水计算，工程勘察，1998年第6期，25～38
[74]冯玉国，深基坑管井井点降水工程中常见的问题及处理方法，岩土工程师，第10卷第2期，1998年5月，38～40
[75]阎军、张志勇译，深基坑的空间角效应，土工基础，第14卷第3期，2000年9月，54～60
[76]G.M.Paice,D.V.Griffiths,G.A.Fenton,Finite element modeling of settlements on spatially random soil, Journal of Geotechnical Engineering,Sept.1996,777～779
[77]K.J.Bathe, Finite element free surface seepage analyses without mesh iteration,Int. Journal Number Analyses,Methods in Geomechanics,vol. 3,1979
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[80]中华人民共和国国家标准，建筑地基基础设计规范(GBJ 7—89)，中国建筑工业出版社，1989北京
[81]深圳市鹏运广场施工图设计阶段地质勘察报告书，中国有色金属工业长沙勘察院，深圳分院，1993年4月(内部资料)
[82]鹏运广场变形观测技术说明书，中国有色金属工业长沙勘察设计研究院，深圳院，1999年5月(内部资料)
[83]广东省人大常委会办公厅住宅楼地下室基坑支护位移观测方案及结果，中建三局(广州)二公司，1999年(内部资料)
[84]深圳市万科房地产有限公司金色家园二期场地详细阶段岩土工程勘察报告，深圳市勘察测绘院，2000年8月(内部资料)
[85]万科房产金色家园二期桩基础施工降水方案，深圳市基础工程有限公司，2000年9月(内部资料)
[86]万科房产金色家园二期沉降观测与倾斜观测数据报表，中国有色金属工业长沙勘察设计研究院，深圳院，2000年12月(内部资料)
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[79]中华人民共和国行业标准，建筑基坑支护技术规程(JGJ 120—99)，中国建筑工业出版社，1999北京
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[82]鹏运广场变形观测技术说明书，中国有色金属工业长沙勘察设计研究院，深圳院，1999年5月(内部资料)
[83]广东省人大常委会办公厅住宅楼地下室基坑支护位移观测方案及结果，中建三局(广州)二公司，1999年(内部资料)
[84]深圳市万科房地产有限公司金色家园二期场地详细阶段岩土工程勘察报告，深圳市勘察测绘院，2000年8月(内部资料)
[85]万科房产金色家园二期桩基础施工降水方案，深圳市基础工程有限公司，2000年9月(内部资料)
[86]万科房产金色家园二期沉降观测与倾斜观测数据报表，中国有色金属工业长沙勘察设计研究院，深圳院，2000年12月(内部资料)