二元結構土層分布區工程降水誘發地面沉降變形研究

葉為民 ，趙少陽 ，陳永貴 , 謝雄耀 ，黃鐘暉

(1.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海，200092；2.同濟大學 地下建筑與工程系，上海，200092；3.南寧市軌道交通有限責任公司，廣西 南寧，530021)

近年來，南寧市快速發展，南寧地鐵建設大規模進行。地鐵車站大多規劃于城市繁華地段，周邊建筑物較密集，對地面沉降比較敏感。南寧市市區大部分處于邕江兩岸的多級階地范圍內，土層具有明顯的二元結構：上部土層以黏性土為主，滲透性差，孔隙水為上層滯水，水量較小；下部土層以砂土、礫石土為主，滲透性強，孔隙水為承壓水，且與地表水系有密切的水力聯系，水量豐富。由于地鐵車站基坑埋深較大，基坑施工時必須采取止降水措施，且一般情況下地下水降深較大，因此，基坑降水往往會引發基坑周邊地面沉降。目前，國內對于降水誘發地面沉降的研究主要集中于以軟土為主的地區[1-12]，而對具有二元結構特征土層的地區研究較少。南寧市地鐵1號線廣西大學站是南寧市規劃建設的第1個地鐵車站，也是目前南寧市深基坑工程中開挖深度最大的工程，對其降水誘發的周邊地面沉降進行研究可以為車站的后續施工、維護以及其他車站的設計施工提供參考。本文作者在調查工程場地條件的基礎上，根據分層總和法計算坑周地面沉降的原理，探討二元結構土層中附加應力和計算土層厚度等參數的確定方法，并通過計算獲得因降水引起的地面沉降。

1 工程背景

廣西大學站的基坑長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，對地面沉降較敏感。場地土層部分巖土參數見表1。從表1可以看出：場地內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，含水層水量豐富，具有明顯的二元結構特征。

車站基坑施工時采取了打穿含水層的地下連續墻+內支撐的圍護結構，并結合坑內降水，以減小基坑施工對周邊環境的影響；同時，在坑外設置10個孔深為20 m的水位觀測孔和156個地面沉降觀測點，在施工過程中實時觀測水位變化和沉降發展趨勢。監測結果表明：盡管采取了上述防止降水措施，但由于圍護結構存在一定的滲漏，基坑施工時仍然引起了坑外的地下水位波動(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)；圍護結構的水平變形很小，最大僅為1 mm左右，由此可推測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 南寧廣西大學站平面示意圖Fig.1 Diagram of Guangxi University station

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

2 降水誘發地面沉降變形機理

根據有效應力原理，土體承受的總壓力由土骨架和孔隙水共同承擔：

式中：σ為土體承受的總應力，kPa；σ′為土骨架承擔的有效應力，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，而土體承受的總應力σ基本不變，因此，土骨架承擔的有效應力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，國內對于車站基坑降水引發的地面沉降主要是依據《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范》(GB 50307—1999)，采用分層總和法計算[13]：

式中：s為降水引起的地面總附加沉降量，m；si為第i計算土層的附加沉降量，m；Δpi為第i計算土層降水引起的附加荷載，kPa；Ei為第i計算土層的壓縮模量，kPa；Hi為第i計算土層的土層厚度，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系。下面根據降水誘發地面沉降的機理，討論二元結構土層中附加荷載和壓縮土層厚度分層等計算參數的確定方法，然后對廣西大學站的基坑降水誘發的地面沉降量進行計算，以驗證計算參數確定的合理性。

3 附加荷載的確定

當土層具有二元結構特征時，上部弱透水層滲透性差、水量有限，基坑降水主要是針對下部含水層的減壓降水，抽出的水主要來自含水層。此時，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。實際上，這2部分變形的誘發機理并不完全相同。

在含水層中，降水誘發的變形機理仍可用有效應力原理解釋。由于含水層透水性強，孔隙水壓力降低能引起有效應力增加，造成含水層變形。孔隙水壓力的減小量即為有效應力的增量：

式中：為土骨架承受的有效應力增量，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間的變化比較小，應力的變化也較復雜，作用于弱透水層上的有效應力增量主要體現為滲透壓力。在二元結構土層中，含水層處于弱透水層下側，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，弱透水層中的孔隙水在水頭高度差作用下向含水層流動，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致弱透水層變形。

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

式中：Δp為壓縮土層厚度范圍內的平均滲透壓力，kPa。

通常認為滲透達到穩定時，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僅有1層土時適用。當壓縮土層厚度范圍內有多層土時，應當分別計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的土層數；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

根據圖2，得到此時各層土承擔的平均滲透壓力為：

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

4 壓縮土層厚度的確定

對計算土層厚度的確定，有研究者認為降水面以下的土層不會產生明顯的固結沉降量，因而，僅需計算降水面至靜水位面之間土層的沉降量[15]。但是，在二元結構土層中，由于含水層的滲透性強，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力發生變化，進而影響整個含水層，導致土層變形。

因弱透水層大部分位于降水面之上，常年水位波動帶內水位變化的長期作用使帶內土層對水位變化的作用不太敏感，因此，弱透水層的計算厚度可以取常年水位波動帶底部到弱透水層底板的土層厚度。但是，在廣西大學站場地中，未搜集到常年地下水位波動帶的資料，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算厚度。由于地下水初見水位一般不會低于常年地下水位波動帶，因此，這種計算是偏于保守的。

5 計算結果與分析

本文以南寧市地鐵1號線廣西大學站基坑為例，計算水位下降引起的地面沉降變形，并與沉降觀測值進行對比，驗證以上計算過程中參數選取的合理性。

選擇3個水位觀測孔和3個地面沉降觀測點的監測數據，將其分為3組，見表2。每組中水位觀測孔與地面沉降觀測點距離為1 m左右，與圍護結構水平距離為2～3 m，平面布置如圖1所示。

當各組的水位與沉降都達到基本穩定時，所得到的觀測結果平均值如表2所示。根據鉆孔資料，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。

根據前面確定的參數選擇計算方法。首先，確定土層的計算厚度，見表5。弱透水層沉降計算厚度為地下水初見水位到弱透水層底板的土層厚度，含水層沉降計算厚度取為含水層的總厚度。然后，根據式(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力增量，結果見表6。由于第1組對應位置的弱透水層計算厚度內有3層土，因此，根據式(5)對各層土的平均滲透壓力進行計算，結果見表7。

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

表2 水位和沉降現場實測結果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 變形土層的計算厚度Table5 Calculation thickness of deformation soil layer m

表6 降水引發的滲透壓力和有效應力增量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 地表沉降計算值和實測值Table8 Comparison between calculation values and the observation values of land subsidence

6 結論

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

(2)計算壓縮土層厚度時，對于含水層，應當取其總厚度；對于弱透水層，原則上應當取其常年水位波動帶底部到弱透水層底板的土層厚度。由于缺少場地常年水位波動帶資料，本文實例基坑計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)降水沉降計算值與觀測值基本一致。出現誤差的主要原因可能是地下水水位發生季節性變化，這有待于進一步研究。

[1]王建秀, 吳林高, 朱雁飛, 等.地鐵車站深基坑降水誘發沉降機制及計算方法[J].巖石力學與工程學報, 2009, 28(5):1010-1019.WANG Jian-xiu, WU Lin-gao, ZHU Yan-fei, et al.Mechanism of dewatering-induced ground subsidence in deep subway station pit and calculation method[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(5): 1010-1019.

[2]吳林高, 劉陜南, 李恒仁.工程降水設計施工與基坑滲流理論[M].北京: 人民交通出版社, 2003: 18-32.WU Lin-gao, LIU Shan-nan, LI Heng-ren.Design and construction of dewatering engineering and theory of pit seepage[M].Beijing: China Communications Press, 2003:18-32.

[3]張勇, 趙云云.基坑降水引起地面沉降的實時預測[J].巖土力學, 2008, 29(6): 1593-1596.ZHANG Yong, ZHAO Yun-yun.Real time prediction of land subsidence caused by foundation pit dewatering[J].Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(6): 1593-1596.

[4]高福華.深基坑工程滲流與變形分析[D].南京: 河海大學土木與交通學院, 2004: 1-15.GAO Fu-hua.Analysis of seepage and deformation of deep excavation of foundation pit[D].Nanjing: Hohai University.College of Civil and Transportation Engineering, 2004: 1-15.

[5]WANG Jian-xiu, HU Li-sheng, WU Lin-gao, et al.Hydraulic barrier function of the underground continuous concrete wall in the pit of subway station and its optimization[J].Environmental Geology, 2009, 57(2): 447-453.

[6]何世秀, 胡其志, 莊心善.滲流對基坑周邊沉降的影響[J].巖石力學與工程學報, 2003, 22(9): 1551-1554.HE Shi-xiu, HU Qi-zhi, ZHUANG Xin-shan.Influence of seepage on ground settlement of deep foundation pit[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(9):1551-1554.

[7]陳崇希, 成建梅, 孫紅林.深基坑地下水的排降: 地面沉降模型的探討[J].勘察科學技術, 1998(2): 3-7.CHEN Chong-xi, CHENG Jian-mei, SUN Hong-lin.The study of groundwater model for dewatering in deep foundation pit and ground settlement[J].Site Investigation Science and Technology,1998(2): 3-7.

[8]馮曉臘, 謝武軍, 盧智強, 等.懸掛式止水帷幕對基坑降水的影響[J].土工基礎, 2006(4): 33-36.FENG Xiao-la, XIE Wu-jun, Lü Zhi-qiang, et al.The infection of pensile curtain to foundation pit dewatering[J].Soil Engineering and Foundation, 2006(4): 33-36.

[9]葉淑君, 薛禹群, 張云, 等.上海區域地面沉降模型中土層變形特征研究[J].巖土工程學報, 2005, 27(2): 140-147.YE Shu-jun, XUE Yu-qun, ZHANG Yun, et al.Study on the deformation characteristics of soil layers in regional land subsidence model of Shanghai[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(2): 140-147.

[10]張蓮花, 孔德坊.沉降變形控制的基坑降水最優化方法及應用[J].巖土工程學報, 2005, 27(10): 1171-1174.SUN Lian-hua, KONG De-fang.Optimum method of dewatering controlled by surrounding settlement and its application[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(10):1171-1174.

[11]金小榮, 俞建霖, 祝哨晨, 等.基坑降水引起周圍土體沉降性狀分析[J].巖土力學, 2005, 26(10): 1575-1581.JIN Xiao-rong, YU Jian-lin, ZHU Shao-chen, et al.Analysis of behaviors of settlement of pit’s surrounding soils by dewatering[J].Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(10):1575-1581.

[12]駱祖江, 李朗, 曹惠賓, 等.復合含水層地區深基坑降水三維滲流場數值模擬: 以上海環球金融中心基坑降水為例[J].工程地質學報, 2006, 14(1): 72-77.LUO Zu-jiang, LI Lang, CAO Hui-bin, et al.Numerical simulation of three-dimensional seepage field of a deep foundation pit during dewatering in a complex composite aquifer system: Case study of dewatering of a pit at the shanghai finance center[J].Journal of Engineering Geology, 2006, 14(1): 72-77.

[13]GB 50307—1999, 地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規范[S].GB 50307—1999, Code for geological engineering investigation of subway and track[S].

[14]唐益群, 楊坪, 王建秀, 等.工程地下水[M].上海: 同濟大學出版社, 2011: 195-218.TANG Yi-qun, YANG Ping, WANG Jian-xiu, et al.Engineering groundwater[M].Shanghai: Tongji University Press, 2011:195-218.

[15]許錫金, 李東霞.基坑降水引起地面沉降計算方法研究[J].巖土工程技術, 2004, 18(4): 194-198.XU Xi-jin, LI Dong-xia.Study on calculating method of ground subsidence caused by pit-dewatering[J].Geotechnical Engineering Technique, 2004, 18(4): 194-198.