黃土地區(qū)深基坑降水引起的地面沉降規(guī)律研究

杜 磊

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 概述

目前，軌道交通工程正在廣大西北地區(qū)如火如荼地建設(shè)中，西安地鐵2號(hào)線已于2011年10月份建成通車，西寧、烏魯木齊與蘭州等地的軌道交通工程也已經(jīng)展開，這些地區(qū)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是都遇到了黃土地層的挑戰(zhàn)。近年來，隨著勞動(dòng)力成本的上升與機(jī)械化程度的提高，城市軌道交通的區(qū)間隧道工程都以盾構(gòu)法隧道為主，表現(xiàn)出了對(duì)黃土地層良好的適應(yīng)性，相對(duì)而言，車站工程一般涉及基坑降水，由降水引起的地層沉降在一定程度上是不可避免的［1］，廣大學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了大量的研究:何世秀等(2003)將開挖產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)疊加，并通過有限元模擬，求取基坑周邊地表沉降值［2］;謝康和等(2002)認(rèn)為基坑降水及由此引起的滲流使土中有效應(yīng)力改變是基坑周圍地表發(fā)生沉降的根本原因［3］;丁州祥、龔曉南、俞建霖等(2005)采用Biot固結(jié)理論編制有限元程序，分析了止水帷幕對(duì)基坑工程環(huán)境效應(yīng)的影響［4］;宋建學(xué)等(2006)基于二維穩(wěn)定滲流理論推導(dǎo)基坑工程井點(diǎn)降水引起的水位降低空間分布，根據(jù)有效應(yīng)力原理建立地面沉降計(jì)算模型，并簡(jiǎn)化為分層總和法形式的計(jì)算公式。3個(gè)工程實(shí)例對(duì)比了水位降低，理論地面沉降和實(shí)測(cè)地面沉降，驗(yàn)證了建議的計(jì)算公式，認(rèn)為:從空間分布看，地面沉降與水位降低深度的平方成正比;地面沉降比降水影響范圍小，但其相關(guān)性隨土層側(cè)限壓縮模量離散性增大而減弱;基坑周圍環(huán)境中的堆載、運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)對(duì)地面沉降大小和分布都會(huì)產(chǎn)生影響［5］。然而大部分學(xué)者的研究都沒有涉及黃土地層，黃土地層由于其顯著的結(jié)構(gòu)性，對(duì)降水引起的地層沉降表現(xiàn)出了一定的特異性，導(dǎo)致常用的計(jì)算理論或計(jì)算公式不再適用。

基于此，以西安地鐵2號(hào)線已建成的長(zhǎng)延堡站、八里村站、小寨站、南稍門站、南門站與北大街站等6個(gè)以黃土地層為主的地下車站為例，通過理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，結(jié)合黃土地層的特異性，從地層變形機(jī)理層面闡述降水對(duì)黃土地層沉降的具體影響，并從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，基于最小二乘法，得出了黃土地層由降水導(dǎo)致的地層沉降的經(jīng)驗(yàn)公式，以期對(duì)實(shí)際工程起到良好的指導(dǎo)作用。

2 黃土的物理力學(xué)特性

與廣大西北地區(qū)類似，西安地區(qū)處于典型的黃土地層條件，就目前展開的軌道交通工程而言，地下兩層車站結(jié)構(gòu)底板埋深一般在15 m左右，地下三層車站結(jié)構(gòu)底板埋深一般在21 m左右，此范圍內(nèi)的基坑降水與開挖涉及的主要巖土體為黃土及黃土狀土，其物理力學(xué)特性主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

2.1 大孔隙發(fā)育

黃土中的孔洞整體上以垂直向發(fā)育為主，在垂向和水平向的力學(xué)特性存在各向異性。

2.2 垂直節(jié)理發(fā)育

黃土的垂直節(jié)理主要為成巖節(jié)理，據(jù)實(shí)地觀察和研究表明，只有在干燥的黃土中才能出現(xiàn)垂直節(jié)理［6］。

2.3 顯著的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是在黃土結(jié)構(gòu)的形成過程中產(chǎn)生的［7］。在干旱半干旱條件下，黃土形成了以粗粉粒為主體骨架的架空結(jié)構(gòu)，粗粉粒接觸點(diǎn)處的膠結(jié)物質(zhì)形成了較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，使黃土在低含水量下表現(xiàn)出較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度［8］。黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來源于加固凝聚力，以及吸附凝聚力的增量，如圖1所示，其大小為黃土的天然結(jié)構(gòu)破壞后所喪失的強(qiáng)度，可用原狀黃土與相應(yīng)的重塑黃土的應(yīng)力差表示。

圖1 黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.4 失水后的力學(xué)特性顯著提高

黃土屬水敏感性地質(zhì)體，其滲透系數(shù)較大，而且垂直向滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于水平向滲透系數(shù)［9］，黃土在工程降水后較易于疏干，且力學(xué)性質(zhì)會(huì)顯著改善，主要體現(xiàn)在降水后凝聚力、內(nèi)摩擦角與壓縮模量的提高方面，如圖2所示。

圖2 降水前后黃土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對(duì)比

3 地面沉降機(jī)理及理論計(jì)算方法

3.1 降水引起的地面沉降機(jī)理

西安地區(qū)深基坑降水通常選用的完整普通單井如圖3所示。

基坑工程中，為了確保開挖面無水作業(yè)，一般都要進(jìn)行降水施工，地下水位下降導(dǎo)致土體中的附加有效荷載增大，即土體的有效應(yīng)力增加，進(jìn)而導(dǎo)致基坑周圍地表發(fā)生沉降［3］。如圖4所示，在水位降深范圍內(nèi)引起的附加應(yīng)力的增量為 Δσ'=σ'2-σ'1=γw(h1-h)=γwΔh，其大小與水位降深 Δh線性增大;在浸潤(rùn)線以下，Δσ'=σ'2-σ'1=γw(h1-h2)，其大小是一個(gè)定值。因此，降水引起地面附加沉降由兩部分組成，第一部分為水位降深范圍內(nèi)的沉降S1，第二部分為浸潤(rùn)線以下土層的附加沉降S2，沉降量S=S1+S2。

圖3 完整普通單井示意

圖4 地下水位下降對(duì)土層自重應(yīng)力的影響

3.2 降水引起的地面沉降計(jì)算方法

分層總和法是在地基沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)將地基分為若干層，求出每一層的壓縮量，然后將各分層的壓縮量疊加起來［10］。分層總和法假定土體為各向同性均質(zhì)線彈性體，且采用土體側(cè)限條件下的壓縮性指標(biāo)，計(jì)算中不考慮土體的剪切變形及土層之間的相互影響和作用，這種方法簡(jiǎn)便易行，參數(shù)確定也容易，因而被工程界廣泛采用。

以西安為代表的西北地區(qū)分布著廣泛的黃土，且黃土層厚度較大，工程性質(zhì)相對(duì)均一，在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)條件下，基坑范圍內(nèi)土體的應(yīng)力狀態(tài)與側(cè)限條件下土體的應(yīng)力狀態(tài)十分相似，符合分層總和法關(guān)于土體應(yīng)力狀態(tài)的相關(guān)規(guī)定。此外，本文計(jì)算中涉及的地層參數(shù)均取自室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，其中土體的壓縮模量(ES)取自土體自重應(yīng)力至自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和階段的壓縮模量。

西安地鐵深基坑工程大多采用樁—撐支護(hù)體系，并設(shè)閉合管井降低地下水位。對(duì)于垂直滲透系數(shù)較大的黃土層，據(jù)一維固結(jié)沉降理論，采用分層總和法計(jì)算降水引起的地面沉降

式中 Si——第i層土的附加沉降量;

Δσ'i——第i層土的有效應(yīng)力增量;

Esi——第i層土的壓縮模量;

hi——第 i層土厚度。

式中 dw——地下水位埋深，m;

S2——計(jì)算深度可按應(yīng)力比，取 γw(h1-h2)=0.2γmH，即 ξ=5。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)一般土層 ξ=5，當(dāng) γm=18 kN/m3，γw=10 kN/m3，則 H=2.78(h1-h2)≈3(h1-h2)，代入上式得

式中，ψw為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)西安地區(qū)沉降觀測(cè)資料與經(jīng)驗(yàn)，可取為1;當(dāng)2(h1-h2)≤dw時(shí)，取［2(h1-h2)-dw］=0，即不計(jì)入 S2。

4 理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

根據(jù)公式(1)～公式(6)，編制相應(yīng)計(jì)算機(jī)程序，針對(duì)已建的西安地鐵2號(hào)線長(zhǎng)延堡站、八里村站、小寨站、南稍門站、南門站與北大街站，就車站深基坑降水引起的地面沉降進(jìn)行計(jì)算，各車站的水位降深、地層壓縮模量以及地表理論沉降值與實(shí)測(cè)沉降值等情況見表1，地層參數(shù)的取值均根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料確定。

由表1可知，實(shí)測(cè)的地表最大沉降量明顯小于理論計(jì)算值，這主要是由于理論計(jì)算公式?jīng)]有考慮到黃土的特性導(dǎo)致的，主要原因可歸納為以下幾方面。

4.1 黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高

如前所述，黃土具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，當(dāng)降水引起的附加應(yīng)力不足以克服黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，黃土地層的沉降變形非常小，甚至為零。

4.2 黃土失水后力學(xué)特性顯著變好

降水引起地面附加沉降主要為黃土的固結(jié)沉降，固結(jié)沉降主要與地層附加應(yīng)力、土體變形模量有關(guān)，具體表現(xiàn)為固結(jié)沉降量與地層附加應(yīng)力正相關(guān)，而與土體壓縮模量反相關(guān)。對(duì)黃土而言，由于降水疏干后，土體變形模量會(huì)明顯提高，因而在水位降深段的沉降變形S1明顯減小(明顯小于理論計(jì)算值)，導(dǎo)致總沉降 量相應(yīng)減小。

表1 降水引起地面最大沉降量的理論計(jì)算與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4.3 理論計(jì)算的影響深度偏大

理論計(jì)算公式基于彈性力學(xué)，假定土體是各向連續(xù)、均質(zhì)的同性體，而實(shí)際土體是不連續(xù)的，各向異性的。雖然彈性力學(xué)的方法考慮了應(yīng)力的擴(kuò)散效應(yīng)，但應(yīng)力擴(kuò)散的程度和范圍明顯大于實(shí)際情況，因而其計(jì)算地層變形的影響深度也明顯大于實(shí)際情況。

5 降水引起的地面沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式

為了進(jìn)一步探尋地面最大實(shí)測(cè)沉降量(mm)與地下水位降深(m)之間的關(guān)系，將表1中的平均水位降升與實(shí)測(cè)地面沉降量之間的相互關(guān)系用曲線表示，并進(jìn)一步用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，具體如圖5所示。

圖5 地面沉降量與地下水位降深之間的關(guān)系曲線

由圖5可知，由降水引起的地面沉降量(y/mm)與水位降深(x/m)之間的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)簡(jiǎn)單表示為

同時(shí)還可以由圖5得知，降水伊始，相對(duì)較小的水位降深產(chǎn)生了相對(duì)較大的地面沉降，越到降水后期，地面沉降越不明顯，表明降水后期隨著黃土地層的逐步疏干，地層變形模量將會(huì)逐漸增大，相同的水位降深引起的地層壓縮變形將會(huì)逐步減小。

西北地區(qū)存在大量的黃土地層，如西安、蘭州等地，這些地區(qū)軌道交通工程的車站基坑開挖一般要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕邓捎邳S土結(jié)構(gòu)的存在，致使原先地表沉降的理論計(jì)算公式不再適用，此時(shí)可利用本文提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，用于指導(dǎo)實(shí)際施工。

6 結(jié)論與建議

通過對(duì)典型的黃土地層條件下深基坑降水引起的地表沉降情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間存在明顯的差異，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)在典型的黃土地層實(shí)施工程降水，實(shí)測(cè)的地面沉降量與理論計(jì)算值相差較大，實(shí)測(cè)值僅為理論值的30%左右，這主要是由于黃土較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、失水后力學(xué)性質(zhì)顯著提高導(dǎo)致的。

(2)現(xiàn)有規(guī)范中關(guān)于地層沉降的計(jì)算公式，沒有考慮到黃土地層的特異性，在黃土地區(qū)的適用性還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證，此時(shí)應(yīng)用成熟的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)對(duì)理論計(jì)算公式進(jìn)行修正方可用于實(shí)際工程。

(3)對(duì)于西安地區(qū)黃土地層條件下深基坑降水引起的地面沉降，可用本文得出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。

［1］張蓮花，孔德坊.沉降變形控制的基坑降水最優(yōu)化方法及應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(10):1171-1174.

［2］何世秀，胡其志，莊心善.滲流對(duì)基坑周邊沉降的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(9):1551-1554.

［3］謝康和，柳崇敏，應(yīng)宏偉，等.成層土中基坑開挖降水引起的地表沉降分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2002，36(3):239-242.

［4］丁洲祥，龔曉南，俞建霖.止水帷幕對(duì)基坑環(huán)境效應(yīng)影響的有限元分析［J］.巖土力學(xué)，2005，26(S):146-150.

［5］宋建學(xué)，周乃軍，鄧攀.基坑降水引起的環(huán)境變形研究［J］.建筑科學(xué)，2006，22(3):26-30.

［6］李帆，楊建國(guó).黃土邊坡穩(wěn)定性分析方法研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2008，123(12):33-36.

［7］田堪良，張慧莉，駱亞生，等.黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其定量分析方法［C］∥中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第七次學(xué)術(shù)大會(huì).西安:2002:178-180.

［8］宋章，程謙恭，張煒，等.原狀黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變形特性分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2007(3):6-10.

［9］李保雄，苗天德.黃土抗剪強(qiáng)度的水敏感性特征研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(5):1003-1008.

［10］金小榮，鄧超，俞建霖，等.基坑降水引起的沉降計(jì)算初探［J］.工業(yè)建筑，2004(S):130-134.