周星宇，邢曉東，夏永豪，馬 勇，盧國(guó)營(yíng)

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048）

引言

沉井施工技術(shù)在我國(guó)已有30～40 年的歷史了，該技術(shù)的關(guān)鍵是對(duì)土層的準(zhǔn)確把握，將土體的性質(zhì)融入到沉井井壁的性質(zhì)中，使得土體為沉井順利下沉提供助力，讓沉井與地下或半地下土體融為一體。而在大量工程應(yīng)用案例中出現(xiàn)沉井施工導(dǎo)致了地層逐漸沉降，施工完成后也陸續(xù)出現(xiàn)不均勻沉降等問(wèn)題[1]。工程案例表明在沉井作業(yè)前，地層加固應(yīng)是首要考慮的工程技術(shù)問(wèn)題，多數(shù)土地不能滿足沉井所需要的承載能力，如果不經(jīng)處理進(jìn)行施工，勢(shì)必造成地層沉陷及施工完成后地層出現(xiàn)連續(xù)沉降現(xiàn)象。

1 工程概況

某城市污水處理廠建設(shè)采用沉井方式進(jìn)行井壁施工。其井壁還需與污水管道接駁，污水管道采用頂管施工方法。其位置結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。該工程現(xiàn)場(chǎng)施工空間狹小且交通量較大。施工場(chǎng)地需要進(jìn)行交通導(dǎo)行和提前規(guī)劃好施工方案。由于場(chǎng)地的限制，沉井前的地基處理工作應(yīng)用高壓旋噴的技術(shù)完成對(duì)土體加固的任務(wù)。以便工程開(kāi)始后不會(huì)出現(xiàn)地層沉降的情況。

圖1 沉井立面結(jié)構(gòu)圖

2 沉井驗(yàn)算

2.1 固結(jié)土理論

本工程沉井的計(jì)算依據(jù)來(lái)源于太沙基一維固結(jié)理論。在理論中認(rèn)為，土體發(fā)生沉降由三種狀態(tài)構(gòu)成，首先土體進(jìn)入初始沉降狀態(tài)，隨著沉降量的深入，土體進(jìn)入到固結(jié)沉降狀態(tài)，最后類(lèi)似于金屬屈服后強(qiáng)化，土體沉降還要經(jīng)過(guò)一個(gè)次結(jié)狀態(tài)[2]。

通常在計(jì)算沉井沉降問(wèn)題上，僅是基于彈性理論做出初始沉降狀態(tài)內(nèi)的工況，容易忽視后兩個(gè)發(fā)展?fàn)顟B(tài)對(duì)實(shí)際沉井的影響。將三種沉降狀態(tài)聯(lián)合起來(lái)分析，以期能夠得到最真實(shí)的表征和計(jì)算沉井的有關(guān)情況。

2.2 模型推導(dǎo)分析

對(duì)沉井開(kāi)始下沉進(jìn)行力學(xué)受力分析，假設(shè)下沉前土體為飽和粘性土，事實(shí)上，做出這種假設(shè)是必要且符合工程實(shí)踐的。因?yàn)樵谔烊幻軐?shí)土體狀態(tài)下，土層正是處于飽和狀態(tài)，并且大多數(shù)沉降的基礎(chǔ)條件是土層為非硬土或者是砂土，因此在粘彈性土中進(jìn)行受力分析簡(jiǎn)化，是合適的。

因此，沉井井壁對(duì)于土層接觸而言，應(yīng)當(dāng)是一圈均勻的均布荷載作用，沉井中心軸線為豎直向下的z 坐標(biāo)軸。則可以得出

式中，kv為土的滲透系數(shù)；γw為飽和土中吸附的水的重度。通過(guò)公式（1）式可知，沉降量是土體深度z 和時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)，同時(shí)在具象化過(guò)程中，它與飽和土中水的重度、土的滲透系數(shù)有關(guān)，二者的比值作為系數(shù)乘以土體壓力對(duì)土體深度的二階偏導(dǎo)數(shù)即是所需要的沉降變化趨勢(shì)。

為了更好的方便工程計(jì)算，以有限整數(shù)階級(jí)數(shù)的表達(dá)方式對(duì)公式（1）進(jìn)行整理歸納。引入拉普拉斯變換[3]，將偏微分方程轉(zhuǎn)換為方便求解的級(jí)數(shù)表達(dá)式

式中，m 值取奇整數(shù)，m=1，3，5，7，...，這是為保證級(jí)數(shù)所求復(fù)合工程實(shí)際情況，而不單單是推導(dǎo)出一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)果。式中e 指數(shù)的指數(shù)冪Tv表示時(shí)間因素，與固結(jié)有關(guān)；而Cv又與土的滲透系數(shù)和水重度有關(guān)，從而有下式計(jì)算等量關(guān)系。

通過(guò)以上分析計(jì)算，基于太沙基模型的分析，考慮土體固結(jié)效應(yīng)，得出的狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 考慮太沙基效應(yīng)的不同狀態(tài)的土體固結(jié)模型

由圖2 可知，在考慮不同太沙基效應(yīng)的分析下，土體壓力情況的顯著差異。土體壓力隨土層深度的增加呈現(xiàn)拋物線回歸的態(tài)勢(shì)很清晰。整體來(lái)看，一般情況下僅考慮初始沉降時(shí)，不同深度的土體壓力值基本在0.02 MPa 以?xún)?nèi)；而當(dāng)考慮太沙基效應(yīng)后，整個(gè)曲線開(kāi)始變得非常彎曲，其峰值分別達(dá)到0.08 MPa 及0.22 MPa 左右。

2.3 指數(shù)荷載作用

在沉井計(jì)算過(guò)程中，井壁起程時(shí)的外力以及浮沉的過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)表征，需要進(jìn)行力學(xué)模型的轉(zhuǎn)化，以便于更好的研究。沉井荷載更接近于指數(shù)荷載[4]，其分布規(guī)律經(jīng)統(tǒng)計(jì)測(cè)算可對(duì)沉井設(shè)置3 種施工進(jìn)度下的工況：首節(jié)井壁起沉、中間段沉井下沉、最后一節(jié)沉井下沉。通過(guò)對(duì)3 種沉井施工過(guò)程進(jìn)行土壓和時(shí)間關(guān)系變化分析，來(lái)更好掌握，在指數(shù)荷載作用下的沉井對(duì)地基土體帶來(lái)的變化趨勢(shì)。根據(jù)結(jié)果繪制出時(shí)程曲線見(jiàn)圖3。

圖3 沉井引起土壓隨沉井時(shí)間變化曲線

由圖3 可知，三個(gè)階段沉井均有不同，但總體趨勢(shì)一致。在初始起沉?xí)r，土體壓力較中間段沉井和最終沉井最小，而隨著沉井時(shí)間的增加，土體受力進(jìn)一步傳遞，開(kāi)始起沉階段土壓開(kāi)始逐漸衰減，并處于中間段和最終沉井段以下。三者中最終沉井的土壓變化在沉井中后期為最小，這表明沉井對(duì)土體擾動(dòng)和基礎(chǔ)沉降影響已經(jīng)區(qū)域穩(wěn)定[5]，不再有內(nèi)力消耗，整個(gè)土體形成新的平衡狀態(tài)。

3 沉降規(guī)律

3.1 太沙基固結(jié)條件下的土體沉降

選取本研究所述的某城市污水處理廠場(chǎng)地內(nèi)沉井位置處土樣，測(cè)試其基本參數(shù)，得出表1 的數(shù)據(jù)成果。

表1 某城市污水處理廠場(chǎng)地土樣基本參數(shù)

根據(jù)取得的基本參數(shù)，進(jìn)行縮尺室內(nèi)試驗(yàn)，以研究該場(chǎng)地的土體沉降情況，基于理論時(shí)太沙基的三種狀態(tài)下的沉降模式進(jìn)行。對(duì)土體在側(cè)向壓力控制下進(jìn)行豎向壓力的測(cè)試，以讀取土樣在豎向壓力作用下并且伴有側(cè)壁圍壓狀態(tài)下的土體沉降，得出的曲線見(jiàn)圖4。

圖4 不同質(zhì)量的土樣在同一環(huán)壓下的沉降隨施壓作用時(shí)間變化圖

由圖4 可知：在不同質(zhì)量土樣的測(cè)定中，發(fā)現(xiàn)變化趨勢(shì)一致但曲線各有發(fā)展路徑，并不重合。這說(shuō)明在同樣直徑和壓力作用下，土層越深厚（即試驗(yàn)中表現(xiàn)的土塊質(zhì)量越大）沉降量整體傾向于越大。這和常規(guī)認(rèn)識(shí)有所出入[6]，說(shuō)明需要特別重視對(duì)沉井空間和深度的把控，即設(shè)計(jì)施工的沉井整個(gè)外井壁和沉井總深度。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的把握，可以針對(duì)性的采取地基土體加固措施，使得整個(gè)沉井施工對(duì)地面不會(huì)造成沉陷的危險(xiǎn)及產(chǎn)生社會(huì)不良效應(yīng)。

3.2 連續(xù)沉降控制

沉井過(guò)程會(huì)伴隨地面沉降，而地面沉降對(duì)應(yīng)土層中每一部分沉降，使不同土層在不同部位產(chǎn)生地層位移，由于不同土層土體性質(zhì)不同，沉降會(huì)形成不均勻性，同時(shí)各層均會(huì)傳遞沉降量，因此沉降是一個(gè)土層相接的連續(xù)性運(yùn)動(dòng)，并且是一個(gè)持續(xù)性過(guò)程。對(duì)連續(xù)沉降的控制直接影響周邊地面的環(huán)境與安全。根據(jù)本工程地勘報(bào)告及巖層土塊測(cè)得物理參數(shù)情況，得到表2。根據(jù)表2 可以詳細(xì)掌握不同土層的有關(guān)性質(zhì)，根據(jù)這些性質(zhì)能夠定性的反映出土層對(duì)沉降的響應(yīng)情況。

表2 不同土層物理參數(shù)表

對(duì)于連續(xù)沉降，是指所有土層在沉井開(kāi)始后都會(huì)在同一時(shí)間同時(shí)發(fā)生沉降作用，因此地面的沉降是由地下各土層共同形成，是一個(gè)累加效應(yīng)。基于淤泥及淤泥質(zhì)土體所占空間達(dá)到7 m 厚的土層，因此在沉井的初期主要影響沉井下沉的土體因素是淤泥質(zhì)土。由于在淤泥質(zhì)土中，荷載傳遞沒(méi)有在砂類(lèi)土中傳導(dǎo)快，因?yàn)橛倌噘|(zhì)土透水性差，在一定含水狀態(tài)下，淤泥質(zhì)土無(wú)法正常排水，水在土中使得沉井下沉難于控制。在實(shí)際施工中務(wù)必注重降排水措施。

3.3 頂管接駁的沉降分析

本工程所依托的某城市污水處理廠沉井施工，其井壁在下沉中還需對(duì)其接駁位置進(jìn)行精準(zhǔn)控制，已保證采用頂管施工方法貫通的雨污水管能與沉井接駁，實(shí)現(xiàn)給排水功能。在有頂管事先竣工的條件下進(jìn)行沉井，其難度較普通沉井更為復(fù)雜。主要體現(xiàn)在沉井不光要突破土層固有物理特性的阻擋持續(xù)下沉，還需要考慮已用頂管穿越，接駁位置能夠精確對(duì)接。接駁的沉降規(guī)律為控制和分析，引入接駁差異乘數(shù)k，以表征在沉井下沉過(guò)程中，各種土體沉降疊加效應(yīng)下，井壁與雨污水管口對(duì)接的比率。在正常情況下，對(duì)接應(yīng)為100%對(duì)接，即相接處沒(méi)有空隙和差異。而理論計(jì)算中，為真實(shí)反映對(duì)接質(zhì)量，需要考慮差異乘數(shù)，即通常只能保證95%以上的對(duì)接。即

式中：S 為總沉降，單位是mm。ms為各沉降土層的疊加效應(yīng)，取1.2 能夠整體反映工程情況；ΔSi為各級(jí)土體的沉降值，本工程主要涉及淤泥、淤泥質(zhì)土、粉砂、粗砂等土層。各層沉降值累加以后再與接駁差異乘數(shù)k 相乘，即得到考慮沉降規(guī)律的總沉降量。

由公式（4）直接求出沉降值，該沉降值考慮了不同土體的物理性質(zhì)以及其產(chǎn)生的土層疊加效應(yīng)；同時(shí)還考慮了穿越既有頂管管道口的對(duì)接影響，相比傳統(tǒng)的沉降計(jì)算，引入的差異乘數(shù)k 有效的提高了沉井沉降計(jì)算，對(duì)于沉井工程驗(yàn)算具有重要指導(dǎo)和實(shí)踐意義。

4 結(jié)論

（1） 基于固結(jié)土理論，提出采用全階段的太沙基模型進(jìn)行沉井過(guò)程刻畫(huà)，三階段的完整計(jì)算最能客觀反映土體受載后的真實(shí)情況，其沉降量與真實(shí)工程實(shí)踐最為逼近。建議沉井驗(yàn)算可采用全階段計(jì)算，效果更好。

（2） 對(duì)沉井下沉過(guò)程中的主動(dòng)力進(jìn)行分析與歸納，找到指數(shù)荷載最為接近沉井的受力工況，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果得出，從開(kāi)始起沉到最終完成沉井階段沉井作用時(shí)間與土壓存在共性變化特征，并且均服從起沉階段土壓逐漸達(dá)到峰值，隨后不斷衰減至沒(méi)有土壓，形成新的地下土層間的平衡狀態(tài)。

（3） 針對(duì)某沉井工程現(xiàn)場(chǎng)土層實(shí)際情況，分析出連續(xù)沉降控制辦法及有頂管接駁條件下的沉井沉降控制方法，并通過(guò)提出接駁差異乘數(shù)來(lái)更為準(zhǔn)確的計(jì)算沉井下沉控制和綜合連續(xù)沉降值的把握，效果良好，可以用于工程施工計(jì)算設(shè)計(jì)中。