葉為民 ，趙少陽 ，陳永貴 , 謝雄耀 ，黃鐘暉

(1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200092；2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海，200092；3.南寧市軌道交通有限責(zé)任公司，廣西 南寧，530021)

近年來，南寧市快速發(fā)展，南寧地鐵建設(shè)大規(guī)模進(jìn)行。地鐵車站大多規(guī)劃于城市繁華地段，周邊建筑物較密集，對(duì)地面沉降比較敏感。南寧市市區(qū)大部分處于邕江兩岸的多級(jí)階地范圍內(nèi)，土層具有明顯的二元結(jié)構(gòu)：上部土層以黏性土為主，滲透性差，孔隙水為上層滯水，水量較??；下部土層以砂土、礫石土為主，滲透性強(qiáng)，孔隙水為承壓水，且與地表水系有密切的水力聯(lián)系，水量豐富。由于地鐵車站基坑埋深較大，基坑施工時(shí)必須采取止降水措施，且一般情況下地下水降深較大，因此，基坑降水往往會(huì)引發(fā)基坑周邊地面沉降。目前，國內(nèi)對(duì)于降水誘發(fā)地面沉降的研究主要集中于以軟土為主的地區(qū)[1-12]，而對(duì)具有二元結(jié)構(gòu)特征土層的地區(qū)研究較少。南寧市地鐵1號(hào)線廣西大學(xué)站是南寧市規(guī)劃建設(shè)的第1個(gè)地鐵車站，也是目前南寧市深基坑工程中開挖深度最大的工程，對(duì)其降水誘發(fā)的周邊地面沉降進(jìn)行研究可以為車站的后續(xù)施工、維護(hù)以及其他車站的設(shè)計(jì)施工提供參考。本文作者在調(diào)查工程場(chǎng)地條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)分層總和法計(jì)算坑周地面沉降的原理，探討二元結(jié)構(gòu)土層中附加應(yīng)力和計(jì)算土層厚度等參數(shù)的確定方法，并通過計(jì)算獲得因降水引起的地面沉降。

1 工程背景

廣西大學(xué)站的基坑長465 m，寬22 m，深19 m，屬于超大型基坑，見圖1。車站基坑附近建筑物與地下管線較密集，對(duì)地面沉降較敏感。場(chǎng)地土層部分巖土參數(shù)見表1。從表1可以看出：場(chǎng)地內(nèi)上部土層以黏性土為主，滲透性較差；下部土層以粉土、粉砂和礫石土為主，滲透性強(qiáng)，含水層水量豐富，具有明顯的二元結(jié)構(gòu)特征。

車站基坑施工時(shí)采取了打穿含水層的地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合坑內(nèi)降水，以減小基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響；同時(shí)，在坑外設(shè)置10個(gè)孔深為20 m的水位觀測(cè)孔和156個(gè)地面沉降觀測(cè)點(diǎn)，在施工過程中實(shí)時(shí)觀測(cè)水位變化和沉降發(fā)展趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：盡管采取了上述防止降水措施，但由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在一定的滲漏，基坑施工時(shí)仍然引起了坑外的地下水位波動(dòng)(水位降深變化幅度為0.1～0.8 m)與地面沉降(地面沉降變化幅度為2.0～7.0 mm)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形很小，最大僅為1 mm左右，由此可推測(cè)地面沉降受到基坑開挖的影響較小，而主要受水位變化的影響。

圖1 南寧廣西大學(xué)站平面示意圖Fig.1 Diagram of Guangxi University station

表1 土層部分巖土參數(shù)Table1 Partial geotechnical parameters of soil layers

2 降水誘發(fā)地面沉降變形機(jī)理

根據(jù)有效應(yīng)力原理，土體承受的總壓力由土骨架和孔隙水共同承擔(dān)：

式中：σ為土體承受的總應(yīng)力，kPa；σ′為土骨架承擔(dān)的有效應(yīng)力，kPa；μ為孔隙水壓力，kPa。

在基坑降水過程中，孔隙水壓力μ逐漸減小，而土體承受的總應(yīng)力σ基本不變，因此，土骨架承擔(dān)的有效應(yīng)力σ′增大，造成土骨架壓縮變形。各層土體的壓縮變形累加，在地表上反映為地面沉降。

目前，國內(nèi)對(duì)于車站基坑降水引發(fā)的地面沉降主要是依據(jù)《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307—1999)，采用分層總和法計(jì)算[13]：

式中：s為降水引起的地面總附加沉降量，m；si為第i計(jì)算土層的附加沉降量，m；Δpi為第i計(jì)算土層降水引起的附加荷載，kPa；Ei為第i計(jì)算土層的壓縮模量，kPa；Hi為第i計(jì)算土層的土層厚度，m。

由式(2)可知：附加荷載和分層厚度與地面沉降量有密切關(guān)系。下面根據(jù)降水誘發(fā)地面沉降的機(jī)理，討論二元結(jié)構(gòu)土層中附加荷載和壓縮土層厚度分層等計(jì)算參數(shù)的確定方法，然后對(duì)廣西大學(xué)站的基坑降水誘發(fā)的地面沉降量進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證計(jì)算參數(shù)確定的合理性。

3 附加荷載的確定

當(dāng)土層具有二元結(jié)構(gòu)特征時(shí)，上部弱透水層滲透性差、水量有限，基坑降水主要是針對(duì)下部含水層的減壓降水，抽出的水主要來自含水層。此時(shí)，由降水引起的土層變形可以分為2部分：上部弱透水層的變形和下部含水層的變形。實(shí)際上，這2部分變形的誘發(fā)機(jī)理并不完全相同。

在含水層中，降水誘發(fā)的變形機(jī)理仍可用有效應(yīng)力原理解釋。由于含水層透水性強(qiáng)，孔隙水壓力降低能引起有效應(yīng)力增加，造成含水層變形?？紫端畨毫Φ臏p小量即為有效應(yīng)力的增量：

式中：為土骨架承受的有效應(yīng)力增量，kPa；γw為水的重度，kN/m3；Δh為水頭高度的變化量，m。

弱透水層透水性差，水的滲透和孔隙水壓力隨時(shí)間的變化比較小，應(yīng)力的變化也較復(fù)雜，作用于弱透水層上的有效應(yīng)力增量主要體現(xiàn)為滲透壓力。在二元結(jié)構(gòu)土層中，含水層處于弱透水層下側(cè)，降水使含水層中的水壓降低，造成含水層頂板與弱透水層底板邊界上的水頭高度差。此時(shí)，弱透水層中的孔隙水在水頭高度差作用下向含水層流動(dòng)，直到水頭高度差逐漸消失。由于滲流作用而施加在弱透水層骨架上的力即為滲透壓力，在滲透壓力作用下導(dǎo)致弱透水層變形。

當(dāng)水壓下降值為Δh時(shí)，在弱透水層的壓縮土層厚度范圍內(nèi)其平均滲透壓力為[14]：

式中：Δp為壓縮土層厚度范圍內(nèi)的平均滲透壓力，kPa。

通常認(rèn)為滲透達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，土層中的滲透壓力基本呈三角形分布，因此，式(4)只在壓縮土層厚度范圍內(nèi)僅有1層土?xí)r適用。當(dāng)壓縮土層厚度范圍內(nèi)有多層土?xí)r，應(yīng)當(dāng)分別計(jì)算各層的平均滲透壓力。滲透壓力的分布如圖2所示。圖2中：壓縮土層的總厚度為H1+H2+…+Hn；各層土上表面的滲透壓力分別為p1，p2，…，pn；n為壓縮土層厚度范圍內(nèi)的土層數(shù)；p1=0。

圖2 弱透水層滲透壓力分布圖Fig.2 Distribution of infiltration pressure in soil layers with poor permeability

根據(jù)圖2，得到此時(shí)各層土承擔(dān)的平均滲透壓力為：

式中：Δpi為第i層壓縮土層厚度范圍內(nèi)的平均滲透壓力，kPa；Hj為第j層壓縮土層的厚度，m。

4 壓縮土層厚度的確定

對(duì)計(jì)算土層厚度的確定，有研究者認(rèn)為降水面以下的土層不會(huì)產(chǎn)生明顯的固結(jié)沉降量，因而，僅需計(jì)算降水面至靜水位面之間土層的沉降量[15]。但是，在二元結(jié)構(gòu)土層中，由于含水層的滲透性強(qiáng)，孔隙水壓力的變化能迅速傳遞到降水面以下的土層中，引起土骨架的有效應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而影響整個(gè)含水層，導(dǎo)致土層變形。

因弱透水層大部分位于降水面之上，常年水位波動(dòng)帶內(nèi)水位變化的長期作用使帶內(nèi)土層對(duì)水位變化的作用不太敏感，因此，弱透水層的計(jì)算厚度可以取常年水位波動(dòng)帶底部到弱透水層底板的土層厚度。但是，在廣西大學(xué)站場(chǎng)地中，未搜集到常年地下水位波動(dòng)帶的資料，故將鉆孔中地下水初見水位到弱透水層底板的土層厚度作為計(jì)算厚度。由于地下水初見水位一般不會(huì)低于常年地下水位波動(dòng)帶，因此，這種計(jì)算是偏于保守的。

5 計(jì)算結(jié)果與分析

本文以南寧市地鐵1號(hào)線廣西大學(xué)站基坑為例，計(jì)算水位下降引起的地面沉降變形，并與沉降觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證以上計(jì)算過程中參數(shù)選取的合理性。

選擇3個(gè)水位觀測(cè)孔和3個(gè)地面沉降觀測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將其分為3組，見表2。每組中水位觀測(cè)孔與地面沉降觀測(cè)點(diǎn)距離為1 m左右，與圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平距離為2～3 m，平面布置如圖1所示。

當(dāng)各組的水位與沉降都達(dá)到基本穩(wěn)定時(shí)，所得到的觀測(cè)結(jié)果平均值如表2所示。根據(jù)鉆孔資料，各組所處位置的土層分布和起始地下水位分別見表3和表4。

根據(jù)前面確定的參數(shù)選擇計(jì)算方法。首先，確定土層的計(jì)算厚度，見表5。弱透水層沉降計(jì)算厚度為地下水初見水位到弱透水層底板的土層厚度，含水層沉降計(jì)算厚度取為含水層的總厚度。然后，根據(jù)式(3)和(4)，確定弱透水層受到的平均滲透壓力和含水層的有效應(yīng)力增量，結(jié)果見表6。由于第1組對(duì)應(yīng)位置的弱透水層計(jì)算厚度內(nèi)有3層土，因此，根據(jù)式(5)對(duì)各層土的平均滲透壓力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表7。

通過上述計(jì)算，得到沉降計(jì)算所需的所有參數(shù)，代入式(2)，得到各組對(duì)應(yīng)位置處的地面沉降計(jì)算值，將計(jì)算值與觀測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果見表8。從表8可以看出：地面沉降計(jì)算值與觀測(cè)值兩者的絕對(duì)誤差為-0.9～0.5 mm，相對(duì)誤差為-17.55%～10.42%，基本上滿足工程要求。

表2 水位和沉降現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果Table2 Results of water level and settlement

表3 各組所處位置的土層厚度分布Table3 Distribution of soil layers in position of every group m

表4 各組所處位置的起始水位埋深Table4 Initial ground water depth in position of every group m

表5 變形土層的計(jì)算厚度Table5 Calculation thickness of deformation soil layer m

表6 降水引發(fā)的滲透壓力和有效應(yīng)力增量Table6 Dewatering-induced infiltration pressure and increment of effective stress in soil kPa

表7 第1組各弱透水性土層受到的平均滲透壓力Table7 Average infiltration pressure in soil layer with poor permeability in Group 1

表8 地表沉降計(jì)算值和實(shí)測(cè)值Table8 Comparison between calculation values and the observation values of land subsidence

6 結(jié)論

(1)二元結(jié)構(gòu)特征的土層中降水引起的附加荷載可分為弱透水層承擔(dān)的滲透壓力和含水層承擔(dān)的有效應(yīng)力增量。

(2)計(jì)算壓縮土層厚度時(shí)，對(duì)于含水層，應(yīng)當(dāng)取其總厚度；對(duì)于弱透水層，原則上應(yīng)當(dāng)取其常年水位波動(dòng)帶底部到弱透水層底板的土層厚度。由于缺少場(chǎng)地常年水位波動(dòng)帶資料，本文實(shí)例基坑計(jì)算厚度采用鉆孔中地下水初見水位到弱透水層底板的土層厚度。

(3)降水沉降計(jì)算值與觀測(cè)值基本一致。出現(xiàn)誤差的主要原因可能是地下水水位發(fā)生季節(jié)性變化，這有待于進(jìn)一步研究。

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