韓文君 趙宇豪 閆 鑫* 童立元 劉松玉 奚賽英

(1.常州市軌道交通發(fā)展有限公司，213022，常州； 2.東南大學(xué)交通學(xué)院，210096，南京；3.常州市規(guī)劃設(shè)計(jì)院，213022，常州∥第一作者，高級(jí)工程師)

基坑降水是基坑工程中的重要環(huán)節(jié)，也是造成基坑周圍地面沉降的主要原因之一。如何計(jì)算基坑降水誘發(fā)的沉降也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]提出了基坑降水后土體總應(yīng)力可變的原理，并與常用的不變?cè)磉M(jìn)行對(duì)比，對(duì)潛水承壓含水層降水后不同條件下的總應(yīng)力和有效應(yīng)力計(jì)算進(jìn)行了系統(tǒng)分析。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于Dupuit假設(shè)、忽略土體側(cè)向變形及群井效應(yīng)的基坑周圍地面沉降計(jì)算方法，采用分層總和法分別計(jì)算了水位降落曲線上下疏干土與飽和土的地面沉降量，疊加后獲得了坑周地面總沉降量。文獻(xiàn)[3]參照水庫(kù)水位下降時(shí)水面曲線的計(jì)算公式，對(duì)降水引起的附加荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化分解，綜合考慮水面曲線的形狀和水位下降等因素，提出了一套計(jì)算基坑降水引起的地基和地面沉降的理論計(jì)算方法。

目前，對(duì)于基坑降水引發(fā)的地面沉降研究大多集中于計(jì)算方法的研究，對(duì)于所提計(jì)算方法的適用地區(qū)說明較少。鑒于此，本文結(jié)合常州地區(qū)多個(gè)基坑抽水試驗(yàn)實(shí)例，研究常州地區(qū)特殊應(yīng)力歷史及水文地質(zhì)條件下基坑降水引起的地面沉降變形規(guī)律，對(duì)比分析多種基坑降水引起的地面沉降計(jì)算方法，并總結(jié)了沉降變形特點(diǎn)，提出了適用于該地區(qū)及類似水文地質(zhì)特點(diǎn)的沉降計(jì)算方法。本研究可為類似區(qū)域條件和地域性特點(diǎn)的巖土工程類問題提供一定的工程指導(dǎo)，簡(jiǎn)化復(fù)雜的巖土工程問題。

1 常州地區(qū)典型土層應(yīng)力歷史

土體在各種自然地質(zhì)作用下經(jīng)歷的固結(jié)變形過程為土體的固結(jié)歷史，將土體先期固結(jié)壓力σp與土層目前承受的上覆自重壓力σs的比值稱為OCR(超固結(jié)比)，其是評(píng)價(jià)土的固結(jié)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)性、變形和強(qiáng)度特性的一個(gè)非常重要的參數(shù)。土的固結(jié)和壓縮特性與由OCR所代表的土體應(yīng)力歷史高度相關(guān)。大量理論與工程實(shí)踐表明，正常固結(jié)土層對(duì)由承壓水位降低引起的土體固結(jié)、壓密等問題符合土的單向一維滲流固結(jié)理論。對(duì)于超固結(jié)土，只有當(dāng)承壓水位下降且其能在土層中造成有效剩余孔隙壓力時(shí)，才能進(jìn)一步引起土層固結(jié)。因此，為了正確選擇相應(yīng)的土體參數(shù)來(lái)估算常州地鐵車站由基坑降水引發(fā)的固結(jié)沉降，有必要對(duì)常州地區(qū)的土體應(yīng)力歷史進(jìn)行研究。

根據(jù)常州地區(qū)的地層資料，常州市區(qū)表層普遍分布著一層厚3～10 m的第四系上更新統(tǒng)(Q3)沖擊相黏土，其具有固結(jié)狀態(tài)好(超固結(jié)土)、結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)硬可塑、抗壓強(qiáng)度較大等良好的工程地質(zhì)性質(zhì)，實(shí)用效果較好。為獲得更準(zhǔn)確的相關(guān)土層應(yīng)力歷史情況，本文進(jìn)行了多次項(xiàng)目調(diào)研和相關(guān)資料的收集，整理常州地區(qū)多個(gè)工民建場(chǎng)地、地鐵車站場(chǎng)地等典型土層應(yīng)力歷史的相關(guān)資料，并基于此繪制了常州地區(qū)典型土層超固結(jié)比統(tǒng)計(jì)圖，如圖1所示。

圖1 常州地區(qū)典型土層超固結(jié)比

由圖1可知：自地面以下30 m是目前常州地區(qū)地下空間開發(fā)的主要影響土層，除3 m內(nèi)雜填土層外，埋深3～8 m內(nèi)主要以第③層黏土層為主，夾有第④層粉土夾粉質(zhì)黏土層(厚度較小)，超固結(jié)比為4～12，為嚴(yán)重超固結(jié)土；埋深8～15 m內(nèi)以第⑤層粉砂及粉土層為主，超固結(jié)比為1～6，為重超固結(jié)土；埋深為15～30 m內(nèi)以第⑥層黏土層、⑦層粉質(zhì)黏土層為主，超固結(jié)比為1～3，為輕微超固結(jié)土。

綜上所述，常州地區(qū)基坑工程中常涉及到的地面以下20 m內(nèi)淺部分土層以超固結(jié)土為主，部分地區(qū)淺層土的超固結(jié)比非常大且壓縮性較差?；庸こ淌┕ぴO(shè)計(jì)過程中需對(duì)這一類土層特別注意，以免設(shè)計(jì)或施工措施不當(dāng)造成安全事故。

2 常州地區(qū)降水誘發(fā)地面沉降計(jì)算方法

2.1 分層總和法

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于基坑降水引發(fā)的地面沉降計(jì)算主要依據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)規(guī)程》的規(guī)范算法，即基于分層總和法估算降水引起的沉降。由降水引起的總沉降量S可以表示為：

(1)

式中：

Si——第i層計(jì)算土層的沉降量；

Δpi——第i層計(jì)算土層由降水引起的附加荷載；

Ei——第i層計(jì)算土層的壓縮模量，對(duì)于黏土及粉土，Ei=(1+e0)/aV，e0為土層原始孔隙比，aV為土層的體積壓縮系數(shù)；

hi——第i層計(jì)算土層的厚度。

2.2 考慮應(yīng)力歷史影響的沉降計(jì)算方法

對(duì)于超固結(jié)土，考慮應(yīng)力歷史條件下由基坑降水引發(fā)的地面沉降相對(duì)較小，大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也證明了這一結(jié)論。由于各土層埋深不同，應(yīng)力歷史、應(yīng)力水平也不盡相同，進(jìn)而造成各土層壓密程度有所不同。在超固結(jié)土層中，基坑降水只有當(dāng)其在土層中造成有效剩余孔隙壓力時(shí)，才有可能進(jìn)一步引起土層固結(jié)。對(duì)于水位降低相同的情況，超固結(jié)土層中引發(fā)的沉降量小于正常固結(jié)土層；同樣的，欠固結(jié)土層中引發(fā)的沉降量大于正常固結(jié)土層。對(duì)于分層總和法而言，綜合多種影響因素下的修正系數(shù)十分關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)計(jì)算規(guī)范對(duì)于沉降修正系數(shù)選取均有不同規(guī)定，例如對(duì)于軟土地基，沉降修正系數(shù)為0.7～1.4，其針對(duì)特定地區(qū)的沉降修正系數(shù)選取也不同。對(duì)于常州地區(qū)特殊的地質(zhì)歷史，直接應(yīng)用分層總和法進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算獲得的結(jié)果偏差較大，無(wú)法對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行設(shè)計(jì)與指導(dǎo)，因此需要在考慮常州地區(qū)應(yīng)力歷史條件的前提下，研究基坑降水誘發(fā)地面沉降的計(jì)算方法。

目前，針對(duì)超固結(jié)土的沉降計(jì)算采用較廣的方法是原位壓縮曲線計(jì)算方法。對(duì)于正常固結(jié)、欠固結(jié)土層沉降Sc1的計(jì)算公式為：

(2)

式中：

Cci——第i層計(jì)算土層的壓縮指數(shù)；

σpzi——第i層計(jì)算土層中點(diǎn)處的先期固結(jié)壓力，正常固結(jié)時(shí)σpzi=σszi；

e0i——第i層計(jì)算土層中點(diǎn)處對(duì)應(yīng)σpzi時(shí)的初始孔隙比；

σzi——降水對(duì)第i層計(jì)算土層中點(diǎn)處的附加應(yīng)力；

mi——第i層土的超固結(jié)比。

對(duì)于超固結(jié)土層沉降Sc2的計(jì)算公式為：

Sc2=Sc21+Sc22

(3)

(4)

(5)

式中：

σszi——第i層計(jì)算土層中點(diǎn)處的自重應(yīng)力；

Csi——第i層計(jì)算土層的回彈指數(shù)。

考慮應(yīng)力歷史的沉降計(jì)算方法(以下簡(jiǎn)稱“應(yīng)力歷史法”)中，Csi與Cci是兩個(gè)非常重要的參數(shù)。文獻(xiàn)[4]對(duì)此進(jìn)行了大量的側(cè)限壓縮試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，并給出了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。

3 工程實(shí)例計(jì)算

3.1 漢江西路某基坑敞開式抽水試驗(yàn)(實(shí)例1)

3.1.1 試驗(yàn)條件及場(chǎng)地工程地質(zhì)概況

該項(xiàng)目位于常州市漢江西路，總建筑面積約為1.023×105m2，基坑面積約為2×104m2，基坑普遍區(qū)域開挖深度約為10 m。擬建地段勘察深度范圍內(nèi)揭露的地基土屬第四紀(jì)松散沉積物，根據(jù)地層成因、土層性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及物理力學(xué)性質(zhì)上的差異，可將地基土層劃分為7層，其中第①、⑤、⑦層地基土層又可根據(jù)其工程性質(zhì)分成不同的亞層。本次群井抽水試驗(yàn)為敞開式降水，同時(shí)開啟4口井進(jìn)行抽水，并同時(shí)觀測(cè)周圍水位及地面沉降，抽水時(shí)間約14 d。

3.1.2 抽水試驗(yàn)結(jié)果

本次抽水試驗(yàn)的目的是查明第⑤層含水層埋深及試驗(yàn)期間的水頭高度，此外在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析前述沉降計(jì)算方法預(yù)測(cè)基坑降水引發(fā)地面沉降的可靠性。為初步分析本次抽水試驗(yàn)對(duì)周圍環(huán)境的影響，共在試驗(yàn)井周圍布置了81個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。本次群井抽水試驗(yàn)啟動(dòng)抽水井J1—J4進(jìn)行抽水(J5和J6為未啟動(dòng)的抽水井)，觀測(cè)井G1—G7進(jìn)行觀測(cè)。4口試驗(yàn)井開泵抽水后出水正常，并同步進(jìn)行地面沉降觀測(cè)。試驗(yàn)開始前，對(duì)場(chǎng)地內(nèi)所有沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)定初值，抽水期間監(jiān)測(cè)頻率保持每天一次，抽水持續(xù)時(shí)間為14 d。停止抽水后繼續(xù)觀測(cè)沉降點(diǎn)的變形恢復(fù)情況，直至穩(wěn)定后停止沉降監(jiān)測(cè)。抽水井與地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置圖如圖2所示。

圖2 抽水井與地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

本次試驗(yàn)井內(nèi)所采用的降壓泵額定出水量均為20.0 m3/h，6口井同時(shí)運(yùn)行后，平均出水量約為9.5 m3/h，每日出水量約1 368 m3。群孔抽水試驗(yàn)抽水近14 d，J1—J4出水量穩(wěn)定。第⑤層群井抽水試驗(yàn)期間，對(duì)G1—G3觀測(cè)井內(nèi)的水位變化進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。觀測(cè)井G1—G3水位埋深與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 觀測(cè)井G1—G3水位埋深與時(shí)間的關(guān)系曲線

3.1.3 地面沉降監(jiān)測(cè)與計(jì)算

根據(jù)分層總和法和式(1)，計(jì)算當(dāng)?shù)冖輰映樗Y(jié)束、水位降深為8 m時(shí)，距降水中心10～80 m處的地面沉降值。根據(jù)式(2)—式(5)，結(jié)合本次工程實(shí)例，計(jì)算降水后距離抽水中心不同距離處的地面沉降值。根據(jù)場(chǎng)地勘察資料、土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算，應(yīng)力歷史法的土層計(jì)算參數(shù)(實(shí)例1)如表1所示。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分層總和法和應(yīng)力歷史法的地面沉降曲線對(duì)比如圖4所示。

表1 應(yīng)力歷史法的土層計(jì)算參數(shù)(實(shí)例1)Tab.1 Calculation parameters of soil layer with stress history method (practical case 1)

圖4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分層總和法和應(yīng)力歷史法的地面沉降曲線對(duì)比

由圖4可知，由分層總和法和應(yīng)力歷史法計(jì)算得到的地面沉降值差距較大。利用分層總和法的計(jì)算結(jié)果變化規(guī)律較為符合實(shí)際情況，但在數(shù)值上遠(yuǎn)大于沉降監(jiān)測(cè)值。利用分層總和法計(jì)算獲得的距降水中心10 m處的地面沉降為35.53 mm，距降水中心40 m處的地面沉降為17.45 mm，距降水中心80 m處的地面沉降為7.95 mm，整體計(jì)算誤差超過400%。相比于分層總和法，應(yīng)力歷史法的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際監(jiān)測(cè)值。利用應(yīng)力歷史法獲得的距降水中心10 m處的地面沉降為13.51 mm，距降水中心40 m處的地面沉降為6.63 mm，距降水中心80 m處的地面沉降為4.03 mm，整體計(jì)算誤差小于60%。

3.2 某地鐵站懸掛式止水帷幕基坑抽水試驗(yàn)(實(shí)例2)

3.2.1 試驗(yàn)條件及場(chǎng)地工程地質(zhì)概況

常州市某地鐵站基坑沿星港路東西向布置，標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為16.66～17.51 m。本次抽水試驗(yàn)位置選取在地鐵站2號(hào)出入口，該出入口止水帷幕深度為14.60～17.10 m，為懸掛式止水帷幕。根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，工程場(chǎng)地大致劃分為10個(gè)工程地質(zhì)層，其中，①層為全新世沉積物，③～⑧層為晚更新世沉積物。本次群井抽水試驗(yàn)為懸掛式止水帷幕條件下的坑內(nèi)抽水試驗(yàn)，同時(shí)開啟3口井進(jìn)行抽水，并同時(shí)觀測(cè)周圍水位及地面沉降，抽水持續(xù)時(shí)間約為12 d。

3.2.2 抽水試驗(yàn)結(jié)果

為初步分析本次抽水試驗(yàn)對(duì)周圍環(huán)境的影響，共在試驗(yàn)井周圍布置了25個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。本次群井抽水試驗(yàn)啟動(dòng)抽水井J1—J3進(jìn)行抽水，觀測(cè)井G1—G5進(jìn)行觀測(cè)。3口試驗(yàn)井啟動(dòng)后出水正常，平均出水量約為1.34 m3/h，每日出水量約為96.5 m3，環(huán)境監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行。抽水開始前對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的地面沉降點(diǎn)進(jìn)行初值測(cè)量，抽水期間監(jiān)測(cè)頻率保持每天一次，抽水時(shí)間為12 d。

3.2.3 有限元法模擬計(jì)算

結(jié)合基坑現(xiàn)場(chǎng)降水情況，利用Abaqus有限元計(jì)算軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬?；咏邓鸬闹車孛娉两翟茍D如圖5所示。短期群井抽水試驗(yàn)對(duì)基坑外的環(huán)境影響較小，距離止水帷幕5 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的最大沉降計(jì)算值為2.40 mm，略大于實(shí)際監(jiān)測(cè)值1.70 mm?？油饩嚯x止水帷幕30 m處，地面沉降計(jì)算值約為0.80 mm。綜上所述，計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值較為吻合且總體變化趨勢(shì)一致，因此可認(rèn)為所建立的模型及其相關(guān)參數(shù)可較好地模擬抽水過程中的實(shí)際情況。

圖5 基坑降水引起周圍地面豎向位移云圖

3.2.4 地面沉降監(jiān)測(cè)與計(jì)算

根據(jù)觀測(cè)井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，坑外最大水位降深為2 m，故此處以降水最終穩(wěn)定、坑外水位降深達(dá)到2 m時(shí)的情況計(jì)算坑外地面沉降值。根據(jù)分層總和法和式(1)，計(jì)算當(dāng)抽水結(jié)束時(shí)，距離基坑10～50 m處的地面沉降值。根據(jù)式(2)—式(5)，結(jié)合本次工程實(shí)例，計(jì)算降水后距離抽水中心不同距離處的地面沉降值。根據(jù)場(chǎng)地勘察資料、土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算，應(yīng)力歷史法的土層計(jì)算參數(shù)(實(shí)例2)如表2所示。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分層總和法、應(yīng)力歷史法和有限元法獲得的地面沉降曲線對(duì)比如圖6所示。

表2 應(yīng)力歷史法的土層計(jì)算參數(shù)(實(shí)例2)Tab.2 Calculation parameters of soil layer with stress history method (practical case 2)

圖6 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分層總和法、應(yīng)力歷史法和有限元法的地面沉降曲線對(duì)比

由圖6可知，有限元法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)值較為吻合，但應(yīng)力歷史法和分層總和法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)值差距較大。分層總和法計(jì)算結(jié)果的變化規(guī)律較符合實(shí)際情況，但在數(shù)值上遠(yuǎn)大于沉降監(jiān)測(cè)值。利用分層總和法計(jì)算獲得的距基坑10 m處的地面沉降為5.87 mm，距基坑30 m處的地面沉降為1.83 mm，距基坑50 m處的地面沉降為0.95 mm，整體計(jì)算誤差超過300%。應(yīng)力歷史法的計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際監(jiān)測(cè)值。利用應(yīng)力歷史法計(jì)算獲得的距基坑10 m處的地面沉降為4.25 mm，距基坑30 m處的地面沉降為1.58 mm，距基坑50 m處的地面沉降為0.90 mm，計(jì)算誤差仍達(dá)到了150%?？紤]到該實(shí)例中，坑外最大水位降深僅為2 m，對(duì)降水漏斗下方第⑤層土層產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，應(yīng)力歷史法對(duì)沉降計(jì)算結(jié)果的修正效果不明顯，故可以認(rèn)為分層總和法與應(yīng)力歷史方法的計(jì)算結(jié)果較為接近。

4 結(jié)語(yǔ)

巖土工程問題具有較強(qiáng)的地域性，為深入研究常州地區(qū)基坑降水引發(fā)的地面沉降情況，需要結(jié)合常州地區(qū)典型的地層分布、應(yīng)力歷史等條件進(jìn)行分析。本文利用常州地區(qū)兩個(gè)抽水試驗(yàn)實(shí)例對(duì)比分析了分層總和法、應(yīng)力歷史法及有限元法模擬計(jì)算的地面沉降結(jié)果，主要獲得以下結(jié)論：

1) 應(yīng)力歷史法對(duì)土的固結(jié)壓縮特性有較大影響。根據(jù)對(duì)常州多個(gè)地鐵車站及工民建場(chǎng)地的應(yīng)力歷史統(tǒng)計(jì)分析，常州地區(qū)基坑工程中常涉及到的地面以下20 m內(nèi)淺部分土層以超固結(jié)土為主，部分地區(qū)淺層土的超固結(jié)比非常大且壓縮性較差。基坑工程施工設(shè)計(jì)過程中需特別注意這一類土層。

2) 采用應(yīng)力歷史法所得的沉降值更接近實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果。實(shí)例一中的計(jì)算誤差約為60%，遠(yuǎn)低于分層總和法的計(jì)算誤差(400%)；實(shí)例二中的計(jì)算誤差約為150%，低于分層總和法的計(jì)算誤差300%)。該方法可用于快速估算常州地區(qū)因降水引起的周圍地面沉降量，可有效避免分層總和法精度不準(zhǔn)、數(shù)值模擬方法復(fù)雜等缺點(diǎn)。

3) 實(shí)例二中的坑外最大水位降深僅為2 m，對(duì)降水漏斗下方第⑤層產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，應(yīng)力歷史法對(duì)沉降計(jì)算結(jié)果的修正效果不明顯，故分層總和法與應(yīng)力歷史方法計(jì)算結(jié)果較為接近。根據(jù)對(duì)比結(jié)果，在廣泛分布超固結(jié)土的地區(qū)，大降深基坑降水工程可利用應(yīng)力歷史法估算由降水引發(fā)的地面沉降量。