基坑地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測評(píng)估方法淺析

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摘要:本文總結(jié)了深基坑潛在地質(zhì)災(zāi)害的主要類型，對(duì)基坑崩塌、滑坡和地面沉降災(zāi)害的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評(píng)估方法進(jìn)行了分析和闡述。

關(guān)鍵詞:深基坑;地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估;加權(quán)因素比較法;危害程度分區(qū)

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市建設(shè)的加速，城市地下空間的利用越來越普遍，深基坑工程也越來越多、開挖深度也越來越大，對(duì)周邊環(huán)境的影響越來越嚴(yán)重，深基坑可能產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害問題也越來越受到人們的重視。本文對(duì)深基坑工程的主要地質(zhì)災(zāi)害類型及成因機(jī)制、主要災(zāi)種的評(píng)估方法進(jìn)行了歸納與總結(jié)。

1深基坑工程的主要地質(zhì)災(zāi)害類型

通常深基坑是指開挖深度超過5m(含5m)，或深度雖未超過5m，但地質(zhì)條件和周圍環(huán)境以及地下管線特別復(fù)雜的土方開挖、支護(hù)、降水工程。深基坑開挖容易引起基坑變形及坑壁坍塌、地下水滲透破壞、地下水位下降等現(xiàn)象，從而造成崩塌、滑坡、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害。地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危害程度和發(fā)育程度分為大、中、小三個(gè)級(jí)別(表1)。地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估可采用工程類比法、層次分析法、加權(quán)因素比較法、相關(guān)分析法、模糊綜合評(píng)判法、定量計(jì)算法等［1］，評(píng)估結(jié)論可綜合兩種以上方法確定。

2崩塌、滑坡災(zāi)害的預(yù)測評(píng)估

2．1基坑崩塌、滑坡災(zāi)害的形成機(jī)理

基坑開挖時(shí)，隨著深度的增加，基坑側(cè)壁的土壓力呈指數(shù)級(jí)增大，當(dāng)土壓力接近于抗滑力或支擋結(jié)構(gòu)的支擋力時(shí)，基坑壁會(huì)出現(xiàn)明顯的側(cè)向位移，當(dāng)土壓力超過抗滑力或支擋力時(shí)，基坑壁將產(chǎn)生失穩(wěn)滑移，巖土質(zhì)基坑順向坡段開挖時(shí)，沿順向結(jié)構(gòu)面易產(chǎn)生整體的變形與滑移，其余如滲透破壞(流土、管涌)、基坑突涌等也會(huì)造成基坑的變形、失穩(wěn)。

2．2基坑潛在崩塌、滑坡評(píng)估方法

本文推薦采用定量計(jì)算法結(jié)合加權(quán)因素比較法進(jìn)行評(píng)估。2．2．1定量計(jì)算建立基坑的工程地質(zhì)模型，采用極限平衡法對(duì)基坑各側(cè)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，評(píng)價(jià)基坑邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)?；悠侣矢鶕?jù)放坡空間大致擬定，如不具備放坡空間，則應(yīng)按照直立邊坡來考慮。選擇計(jì)算方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)基坑邊坡潛在的破壞模式確定:均質(zhì)土坡通常假設(shè)沿坡體內(nèi)部滑動(dòng)，滑動(dòng)面近似于圓弧形;巖土混合質(zhì)坡除內(nèi)部滑動(dòng)以外，還要驗(yàn)算沿土層基巖接觸面的折線型滑動(dòng);巖質(zhì)坡應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)面分析成果，對(duì)沿不利結(jié)構(gòu)面或不利組合面滑動(dòng)的可能性進(jìn)行驗(yàn)算。2．2．2加權(quán)因素比較法以上定量計(jì)算方法未考慮基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)，僅按放坡條件進(jìn)行計(jì)算，在城鎮(zhèn)地區(qū)，用地范圍周邊通常有道路、建筑等，放坡空間小，不考慮支護(hù)時(shí)的計(jì)算，絕大多數(shù)不穩(wěn)定。實(shí)際上按工程常規(guī)，深基坑在開挖時(shí)都會(huì)進(jìn)行支護(hù)，大部分基坑的支護(hù)措施是成功的，有少量的基坑即使進(jìn)行了支護(hù)，還是會(huì)產(chǎn)生變形、沉降過大甚至崩塌、滑坡事故?；又ёo(hù)是否可靠與很多因素有關(guān)系，主要有技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、施工管理風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)［3］。在地災(zāi)評(píng)估階段，往往基坑僅有一個(gè)大致的范圍和概略的深度，因此對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和施工管理方面的風(fēng)險(xiǎn)無法全面分析，根據(jù)基坑工程的經(jīng)驗(yàn)，基坑深度大、坑壁巖土層差、水頭高、周邊環(huán)境復(fù)雜的基坑出現(xiàn)問題的可能性和概率較大，因此基坑邊坡的地災(zāi)評(píng)估可以按照基坑的深度、地質(zhì)條件及周邊環(huán)境進(jìn)行加權(quán)因素比較，概略評(píng)價(jià)基坑的風(fēng)險(xiǎn)及潛在的危險(xiǎn)性(表2)。對(duì)于評(píng)價(jià)為發(fā)育程度強(qiáng)烈的基坑段，說明基坑支護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)大，在今后的設(shè)計(jì)、施工中要特別小心和注意。除評(píng)價(jià)危害程度和危險(xiǎn)性評(píng)級(jí)，評(píng)估報(bào)告應(yīng)闡述潛在崩塌、滑坡災(zāi)害的主要影響因素和情況，分析變形破壞模式和最深一層潛在滑裂面的位置，以供后續(xù)設(shè)計(jì)、施工參考，如此評(píng)估成果才具有指導(dǎo)意義。

3基坑開挖引發(fā)地面沉降的預(yù)測評(píng)估

3．1基坑開挖引發(fā)地面沉降的原因

龔曉南等人認(rèn)為［4］，基坑開挖引起的地面沉降可能由以下原因造成:(1)抽水、漏水引起的地基土體固結(jié)沉降;(2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移或基坑底隆起造成的沉降;(3)基坑開挖引起砂、土流失引起的沉降，如:抽水引起的土、砂損失引起的沉降，砂、土從圍護(hù)結(jié)構(gòu)中擠出造成的沉降。圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑底隆起引起的沉降一般較小，沉降量與支護(hù)結(jié)構(gòu)型式關(guān)系密切，地災(zāi)評(píng)估階段還無法合理評(píng)價(jià)這些沉降。砂、土損失造成的沉降有一部分可歸結(jié)到崩塌、滑坡災(zāi)害范疇，另外一些是由于滲透破壞產(chǎn)生管涌、流土造成的沉降，由于未知條件太多，評(píng)估階段也無法合理進(jìn)行評(píng)價(jià)。基坑周邊含水層失水引起的固結(jié)沉降發(fā)生較為普遍，是基坑周邊地面沉降的主要部分，因此也是地災(zāi)評(píng)估的主要研究對(duì)象。

3．2地面沉降預(yù)測分析

3．2．1預(yù)測指標(biāo)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。通過上節(jié)的分析，地災(zāi)評(píng)估主要研究方向是基坑降水、基坑漏水引起的固結(jié)沉降。按照評(píng)估規(guī)范的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表3)，地面沉降的發(fā)育程度可按近5年平均沉降速率或累計(jì)沉降量進(jìn)行評(píng)價(jià)?；娱_挖引起的地面沉降將發(fā)生于基坑施工期間，一般在一年以內(nèi)，因此應(yīng)采用累計(jì)沉降量評(píng)價(jià)其發(fā)育程度。3．2．2累計(jì)沉降量的計(jì)算公式。據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)［5］，可采用如下公式估算基坑降水或漏水引起的累計(jì)地面沉降:s=φw∑Δσ'ziΔhiEsi(1)式中:s―計(jì)算剖面的地層壓縮變形量(m);φw—沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，應(yīng)根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)取值;Δσzi'—降水引起的地面下第i層的平均附加有效應(yīng)力;Δhi—第i層土的厚度(m);Esi—第i層土的壓縮模量(kPa)。附加有效應(yīng)力可按下列公式計(jì)算:(1)計(jì)算點(diǎn)位于初始地下水位以上時(shí)，Δσzi'=0。(2)計(jì)算點(diǎn)位于降水后水位與初始地下水位之間時(shí)，Δσzi'=γwz。(3)計(jì)算點(diǎn)位于降水后水位以下時(shí)，Δσzi=λiγwsi式中:γw─水的重度(kN/m3);a0─計(jì)算點(diǎn)至初始地下水位的垂直距離(m);si─計(jì)算點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地下水位降深(m);λi─計(jì)算系數(shù)。一般情況下，在評(píng)估過程中會(huì)做如下假設(shè):(1)初始水位在鉆孔平均水位的基礎(chǔ)上，考慮水位變幅后確定;(2)水位從初始水位降落至坑底以下0．5m;(3)降落水位以下壓縮層計(jì)算深度，原則上計(jì)算至低壓縮層頂面或隔水層頂面，且一般不超過計(jì)算剖面處的降深值，降落水位以下的沉降量，一般要在計(jì)算值的基礎(chǔ)上適當(dāng)折減。3．2．3地面沉降危害性分區(qū)。地面沉降的范圍取地下水降落漏斗的范圍，當(dāng)基坑含水層為潛水時(shí)，可按以下經(jīng)驗(yàn)公式估算降落漏斗的半徑R:R=2■sHk(2)式中:s—地下水位降深;k—土層滲透系數(shù)。基坑降水、漏水引起的地面沉降是面積性災(zāi)害，越靠近降水井或基坑壁，水位下降幅度越大，沉降也最嚴(yán)重，反之沉降較為輕微。在基坑各側(cè)選擇若干計(jì)算剖面，計(jì)算各斷面處的最終沉降量，連成曲線(圖2)，按表3的判斷標(biāo)準(zhǔn)，找出300mm、800mm的界限點(diǎn)，即可進(jìn)行危害程度分區(qū)(圖2)。統(tǒng)計(jì)出危害區(qū)的危害對(duì)象，確定潛在災(zāi)害的危險(xiǎn)性(表1)。

4結(jié)語

本文對(duì)基坑開挖可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害類型、危險(xiǎn)性評(píng)估方法，作了全面、系統(tǒng)地闡述，在常規(guī)方法的基礎(chǔ)上，提出了基坑潛在崩塌、滑坡危害程度評(píng)估的加權(quán)因素比較法，提出了基坑潛在地面沉降危害程度的分區(qū)方法。本文提出的方法是在現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上結(jié)合工程實(shí)踐所制定的，十分便于評(píng)估工作應(yīng)用，成果也較為客觀。從嚴(yán)格意義上來說，實(shí)際基坑工程中變形與滲流問題非常復(fù)雜，影響因素非常多，如何在前期全面、客觀地評(píng)估基坑工程潛在地質(zhì)災(zāi)害的危害程度及危險(xiǎn)性，是今后需要不斷完善和不斷深入探討的問題。

參考文獻(xiàn):

［1］廣東省地質(zhì)災(zāi)害防治協(xié)會(huì)．廣東省地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估實(shí)施細(xì)則(2016年修訂版)［S］，2016-5．

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［3］宋瑞柯．深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)分析及控制策略［J］．防護(hù)工程，2017(9):110-115．

［4］龔曉南，高有潮等．深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1998:20．

［5］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120-2012)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011．

作者:王平 李志波 單位:深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司