魏曉琛 劉禮昱

隨著高空和地下空間資源越來越多地被加以開發(fā)利用，尤其深基坑的開挖幾乎都涉及到降水問題，基坑工程降水對周圍地表沉降的影響已引起廣泛關(guān)注。對于基坑降水后發(fā)生地面沉降的基本原理，普遍的觀點認(rèn)為是:抽去地下水—土層釋水—地層中水位降低—孔隙水壓力降低—土層壓密、固結(jié)—地面沉降這樣的一個過程[1]。計算方法目前最常用的是經(jīng)典的沉降分析法，在荷載作用下地基中附加應(yīng)力場是根據(jù)半空間各向同性彈性體理論計算，土的壓縮性則根據(jù)一維壓縮試驗測定的參數(shù)來表征，并采用分層總和法計算地基的最終沉降量[2]。

1 地面沉降計算的理論公式存在的問題及修正

1.1 地面沉降的計算方法的主要問題

1)由基坑降水的有效應(yīng)力原理分析可知，當(dāng)?shù)叵滤疄闈撍?，降水前后均無壓，降水產(chǎn)生水位降落就會有部分含水層被疏干或者降水前承壓，降水后水頭低于隔水頂板，含水層部分被疏干，地下水轉(zhuǎn)變?yōu)闊o壓流，傳統(tǒng)的對降水水位降低施加于地基土的附加應(yīng)力顯得計算偏保守。

2)理論公式中的a，e0，E參數(shù)依據(jù)巖土工程勘察報告比較容易確定。其中 ΔH和ΔP參數(shù)根據(jù)不同巖性及計算目的有不同的取值，目前的計算方法均比較繁瑣，所得結(jié)果誤差較大。

1.2 基于以往計算方法進(jìn)行修正

1)土層為粘性土?xí)r降水引起的附加應(yīng)力值的修正。

在確定因水位降低而施加于土層的附加荷載時，總應(yīng)力變化一般發(fā)生在粘性土層中，當(dāng)土層為粘性土?xí)r，由于粘性土顆粒細(xì)，孔隙小，孔隙中主要存在著結(jié)合水、毛細(xì)水和重力水。粘性土的孔隙在自然狀態(tài)下有的呈封閉狀態(tài)，有的互相貫通，只有那些互相貫通整個土層的孔隙存在的重力水能夠傳遞靜水壓力[3]?？紤]到粘性土中只有那些互相貫通整個土層的孔隙存在的重力水能夠傳遞靜水壓力，應(yīng)以孔隙貫通率(k)加以修正，即:

粘性土的孔隙度(n)中包括重力水、結(jié)合水、貫通孔隙及封閉孔隙的體積，因而k＜n，從理論上分析可知，貫通率(k)與粘性土的容水度(n)、持水度(a)、給水度(μ)密切相關(guān)[4]。對一般粘性土(膨脹性粘土除外)飽和時的容水度(n)與孔隙度(e)相當(dāng)。給水度(μ)指在重力作用下能夠從土層中自由流出的水量與該土層的體積比，數(shù)量等于容水度(n)減去持水度(a)[5]，即:

通過以上分析，以μ代替式(1)中的k是可行的，即:

容水度(n)雖去掉結(jié)合水體積，但仍然包括封閉孔隙的體積，因而以 μ代替k對其進(jìn)行修正仍偏于安全[6]。當(dāng)給水度(μ)缺乏實測資料時，可通過式(2)計算獲得，其中孔隙度(容水度)n從巖土工程勘察報告中獲取，報告中未直接提供時，可通過e與n換算公式得到。

持水度(a)可按經(jīng)驗取值，土層顆粒愈細(xì)其持水度愈大，顆粒直徑為0.05mm～0.005mm時，a=0.102，顆粒直徑小于0.005mm時，a=0.449。因此當(dāng)計算土層為砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土?xí)r，建議近似取a=0.10;粘土建議取a=0.45;粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)粘土取二者中間值。在砂土中，由于顆粒間空隙較大，粘聚力小，持水差，因此，在砂土中，μ=n=1。

2)計算方法的改進(jìn)。

在綜合考慮粘性土層和砂土層中μ的差異后，可將式(3)改為:

其中，χ為修正系數(shù)，當(dāng)土層為粘性土層時，χ=μ;土層為砂土層時，取χ=1。由孔隙水消散引起的有效應(yīng)力增量為:

對每一層進(jìn)行積分:

求積分得:

其中，S為地面沉降量，m;γw為水的容重，kN/m3;ΔHi為第i層土底面水位降低深度，m;Esi為第i層土的體積壓縮模量。

式(8)便是本文改進(jìn)的考慮孔隙貫通率的分層總和法計算公式。

2 蘇州工業(yè)園區(qū)天地源橄欖灣地下車庫 A區(qū)基坑沉降計算

蘇州工業(yè)園區(qū)天地源橄欖灣地下車庫 A區(qū)基坑工程的 1—1剖面采用上部3m處自然放坡+下部土釘墻支護(hù)+坡頂 1排豎直鋼管;基坑工程的 2—2剖面采用上部 3m處掛網(wǎng)護(hù)坡+2排壓密注漿 +1排豎直鋼管+下部 5排土釘墻支護(hù)?；娱_挖深度為7.42 m，基坑降水影響半徑R=69.0 m，潛水含水層厚度H= 16.8m，基坑水位降深值S=11.05m。該工程重要性等級為二級，場地等級為二級，地基等級二級，巖土工程勘察等級乙級，共監(jiān)測 42次。

水位觀測點由北向南分別取水位監(jiān)測點sw1，sw2，sw3為計算點基坑降水，點sw1，sw 2，sw3水位降低深度范圍內(nèi)所涉及的土層有 3層，水位降深范圍內(nèi)分層水位降低深度如表 1所示。

表1 分層水位降低深度 m

點sw1，sw2，sw3的沉降計算涉及到粘性土，需要對附加應(yīng)力進(jìn)行修正，將孔隙比e0代入式(4)得到容水度n=0.38，取持水度a=0.10，代入式(2)即可得到修正系數(shù)μ=0.28，而對于細(xì)中砂層和中密卵石層μ=1，代入式(8)進(jìn)行積分得出點sw1，sw2，sw3的沉降量，與分層總和法計算結(jié)果對比見表 2。

表2 地面沉降分層總和法計算結(jié)果 cm

3 結(jié)果分析

表3 沉降量計算結(jié)果與實測值對比 cm

上節(jié)分別采用了地面沉降計算的一般方法和改進(jìn)后的方法，對蘇州工業(yè)園區(qū)天地源橄欖灣地下車庫A區(qū)基坑工程進(jìn)行了沉降計算，現(xiàn)將計算結(jié)果與實測值進(jìn)行對比。如表 3所示，可得出以下結(jié)論:

1)從sw 3點沉降差值來看，分層總和法計算結(jié)果和實測結(jié)果差值為0.282，相對誤差為20.5%;改進(jìn)后方法計算結(jié)果和實測結(jié)果差值為 0.139，相對誤差為 10.1%。改進(jìn)后方法的計算結(jié)果比分層總和法計算結(jié)果更接近實測結(jié)果。驗證了該方法的實用性，同時說明了當(dāng)土層為粘性土?xí)r，由于粘性土顆粒細(xì)、孔隙小，孔隙中主要存在著結(jié)合水、毛細(xì)水和重力水。粘性土的孔隙在自然狀態(tài)下有的呈封閉狀態(tài)，有的互相貫通，只有那些互相貫通整個土層的孔隙存在的重力水能夠傳遞靜水壓力，在確定因水位降低而施加于土層的附加荷載時是有必要考慮這一點的。

2)點sw 2和sw3沉降量計算涉及的土層均包含粘質(zhì)粉土層和細(xì)中砂層沉降量，只是細(xì)中砂層計算厚度不一樣，由此可以看出在降水沉降計算中，主要考慮上覆土層的壓縮變形。這與工程實際是相符的，在基坑降水引起的地面沉降中，大量工程實際均表明對稍密～密實的卵石層認(rèn)為不發(fā)生沉降。

3)各點的沉降計算結(jié)果與實測沉降量結(jié)果對比表明，以上兩種方法沉降計算結(jié)果均明顯大于實測值，同時大量實際工程的沉降觀測結(jié)果也表明基于彈性理論的地面沉降計算方法計算出的沉降數(shù)值相對于實際工程偏大。參考規(guī)范中對地基沉降計算中類似問題的處理方法，需引入計算經(jīng)驗系數(shù)對計算結(jié)果進(jìn)行修正，使之與實際沉降盡量接近，但目前尚沒有公認(rèn)的經(jīng)驗系數(shù)可取用。

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