常州地区基坑降水引起的地面沉降计算方法_韩文君.pdf

第 1 期研究报告*通信作者常州地区基坑降水引起的地面沉降计算方法韩文君1赵宇豪2闫鑫2*童立元2刘松玉2奚赛英3(1常州市轨道交通发展有限公司，213022，常州;2东南大学交通学院，210096，南京;3常州市规划设计院，213022，常州第一作者，高级工程师)摘要统计了常州地区多个基坑土层超固结比资料。结合两处场地的抽水试验数据，对比分析了分层总和法与考虑应力历史影响的沉降计算方法，并将这两种方法与有限元软件模拟结果、沉降监测结果进行对比。研究结果表明:相较于分层总和法，考虑应力历史影响的沉降计算方法更接近于实际沉降监测结果，可将其用于快速估算大降深条件下、水文地质特点类似常州地区、由降水引起的周围地面沉降量。关键词常州地区;基坑降水;地面沉降中图分类号TU433;TU46+3DOI:1016037/j1007869x202301011Calculation Method of Land Subsidence Caused byFoundation Pit Dewatering in Changzhou AreaHAN Wenjun，ZHAO Yuhao，YAN Xin，TONGLiyuan，LIU Songyu，XI SaiyingAbstractThe data of multiple foundation pits over-consolida-tion ratio in Changzhou area is counted Taking the pumpingtest data of two sites，the splitting summation method and thesubsidencecalculationmethodconsideringstresshistoryinfluence are compared and analyzed The finite element soft-ware simulation results and subsidence monitoring results arecompared esearch results show that compared with splittingsummation method，the subsidence calculation method consid-eringstresshistoryinfluenceprovidescloserresultstomonitoring ones of actual subsidence This method can be usedto quickly estimate the surrounding land subsidence valuecaused by dewatering under the condition of large drawdownand in areas with hydrogeological features similar to Chang-zhouKey wordsChangzhou area;foundation pit dewatering;land subsidenceFirst-authors addressChangzhou ail Transit DevelopmentCo，Ltd，213022，Changzhou，China基坑降水是基坑工程中的重要环节，也是造成基坑周围地面沉降的主要原因之一。如何计算基坑降水诱发的沉降也是近年来的研究热点。文献 1 提出了基坑降水后土体总应力可变的原理，并与常用的不变原理进行对比，对潜水承压含水层降水后不同条件下的总应力和有效应力计算进行了系统分析。文献 2 提出了一种基于 Dupuit 假设、忽略土体侧向变形及群井效应的基坑周围地面沉降计算方法，采用分层总和法分别计算了水位降落曲线上下疏干土与饱和土的地面沉降量，叠加后获得了坑周地面总沉降量。文献 3 参照水库水位下降时水面曲线的计算公式，对降水引起的附加荷载进行简化分解，综合考虑水面曲线的形状和水位下降等因素，提出了一套计算基坑降水引起的地基和地面沉降的理论计算方法。目前，对于基坑降水引发的地面沉降研究大多集中于计算方法的研究，对于所提计算方法的适用地区说明较少。鉴于此，本文结合常州地区多个基坑抽水试验实例，研究常州地区特殊应力历史及水文地质条件下基坑降水引起的地面沉降变形规律，对比分析多种基坑降水引起的地面沉降计算方法，并总结了沉降变形特点，提出了适用于该地区及类似水文地质特点的沉降计算方法。本研究可为类似区域条件和地域性特点的岩土工程类问题提供一定的工程指导，简化复杂的岩土工程问题。1常州地区典型土层应力历史土体在各种自然地质作用下经历的固结变形过程为土体的固结历史，将土体先期固结压力 p与土层目前承受的上覆自重压力 s的比值称为OC(超固结比)，其是评价土的固结状态、结构性、变形和强度特性的一个非常重要的参数。土的固结和压缩特性与由 OC 所代表的土体应力历史高552023 年度相关。大量理论与工程实践表明，正常固结土层对由承压水位降低引起的土体固结、压密等问题符合土的单向一维渗流固结理论。对于超固结土，只有当承压水位下降且其能在土层中造成有效剩余孔隙压力时，才能进一步引起土层固结。因此，为了正确选择相应的土体参数来估算常州地铁车站由基坑降水引发的固结沉降，有必要对常州地区的土体应力历史进行研究。根据常州地区的地层资料，常州市区表层普遍分布着一层厚 310 m 的第四系上更新统(Q3)冲击相黏土，其具有固结状态好(超固结土)、结构紧密、坚硬可塑、抗压强度较大等良好的工程地质性质，实用效果较好。为获得更准确的相关土层应力历史情况，本文进行了多次项目调研和相关资料的收集，整理常州地区多个工民建场地、地铁车站场地等典型土层应力历史的相关资料，并基于此绘制了常州地区典型土层超固结比统计图，如图 1 所示。图 1常州地区典型土层超固结比Fig1Over-consolidation ratio of typical soil layers in Chang-zhou area由图 1 可知:自地面以下 30 m 是目前常州地区地下空间开发的主要影响土层，除 3 m 内杂填土层外，埋深 38 m 内主要以第层黏土层为主，夹有第层粉土夹粉质黏土层(厚度较小)，超固结比为412，为严重超固结土;埋深 815 m 内以第层粉砂及粉土层为主，超固结比为 16，为重超固结土;埋深为 1530 m 内以第层黏土层、层粉质黏土层为主，超固结比为 13，为轻微超固结土。综上所述，常州地区基坑工程中常涉及到的地面以下20 m 内浅部分土层以超固结土为主，部分地区浅层土的超固结比非常大且压缩性较差。基坑工程施工设计过程中需对这一类土层特别注意，以免设计或施工措施不当造成安全事故。2常州地区降水诱发地面沉降计算方法21分层总和法目前，国内对于基坑降水引发的地面沉降计算主要依据 JGJ 1202012建筑基坑支护规程 的规范算法，即基于分层总和法估算降水引起的沉降。由降水引起的总沉降量 S 可以表示为:S=ni=1Si=ni=1piEihi(1)式中:Si 第 i 层计算土层的沉降量;pi 第 i 层计算土层由降水引起的附加荷载;Ei 第 i 层计算土层的压缩模量，对于黏土及粉土，Ei=(1+e0)/aV，e0为土层原始孔隙比，aV为土层的体积压缩系数;hi 第 i 层计算土层的厚度。22考虑应力历史影响的沉降计算方法对于超固结土，考虑应力历史条件下由基坑降水引发的地面沉降相对较小，大量工程实践经验也证明了这一结论。由于各土层埋深不同，应力历史、应力水平也不尽相同，进而造成各土层压密程度有所不同。在超固结土层中，基坑降水只有当其在土层中造成有效剩余孔隙压力时，才有可能进一步引起土层固结。对于水位降低相同的情况，超固结土层中引发的沉降量小于正常固结土层;同样的，欠固结土层中引发的沉降量大于正常固结土层。对于分层总和法而言，综合多种影响因素下的修正系数十分关键。目前，国内计算规范对于沉降修正系数选取均有不同规定，例如对于软土地基，沉降修正系数为 0714，其针对特定地区的沉降修正系数选取也不同。对于常州地区特殊的地质历史，直接应用分层总和法进行简单计算获得的结果偏差较大，无法对实际工程进行设计与指导，因此需要在考虑常州地区应力历史条件的前提下，研究基坑降水诱发地面沉降的计算方法。目前，针对超固结土的沉降计算采用较广的方法是原位压缩曲线计算方法。对于正常固结、欠固结土层沉降 Sc1的计算公式为:Sc1=ni=1hi1+e0ilg1mi+zipzi()Cci(2)式中:Cci 第 i 层计算土层的压缩指数;65第 1 期研究报告pzi 第 i 层计算土层中点处的先期固结压力，正常固结时 pzi=szi;e0i 第 i 层计算土层中点处对应 pzi时的初始孔隙比;zi 降水对第 i 层计算土层中点处的附加应力;mi 第 i 层土的超固结比。对于超固结土层沉降 Sc2的计算公式为:Sc2=Sc21+Sc22(3)Sc21=ni=1 hi1+e0iCsilg mi()+Ccilg1mi+zipzi()，szi+zi pzi(4)Sc22=ni=1 hi1+e0ilg1mi+zipzi()Csiszi+zi pzi(5)式中:szi 第 i 层计算土层中点处的自重应力;Csi 第 i 层计算土层的回弹指数。考虑应力历史的沉降计算方法(以下简称“应力历史法”)中，Csi与 Cci是两个非常重要的参数。文献 4 对此进行了大量的侧限压缩试验和三轴试验，并给出了相关的经验公式。3工程实例计算31汉江西路某基坑敞开式抽水试验(实例 1)311试验条件及场地工程地质概况该项目位于常州市汉江西路，总建筑面积约为 1023105m2，基坑面积约为2104m2，基坑普遍区域开挖深度约为 10 m。拟建地段勘察深度范围内揭露的地基土属第四纪松散沉积物，根据地层成因、土层性质、结构特点及物理力学性质上的差异，可将地基土层划分为 7 层，其中第、层地基土层又可根据其工程性质分成不同的亚层。本次群井抽水试验为敞开式降水，同时开启 4 口井进行抽水，并同时观测周围水位及地面沉降，抽水时间约 14 d。312抽水试验结果本次抽水试验的目的是查明第层含水层埋深及试验期间的水头高度，此外在现场实测数据的基础上，分析前述沉降计算方法预测基坑降水引发地面沉降的可靠性。为初步分析本次抽水试验对周围环境的影响，共在试验井周围布置了 81 个地面沉降监测点。本次群井抽水试验启动抽水井 J1J4 进行抽水(J5 和 J6 为未启动的抽水井)，观测井 G1G7 进行观测。4 口试验井开泵抽水后出水正常，并同步进行地面沉降观测。试验开始前，对场地内所有沉降监测点测定初值，抽水期间监测频率保持每天一次，抽水持续时间为 14 d。停止抽水后继续观测沉降点的变形恢复情况，直至稳定后停止沉降监测。抽水井与地面沉降监测点的布置图如图 2 所示。图 2抽水井与地面沉降监测点布置图Fig2Layout diagram of pumping wells and land surface sub-sidence monitoring points本次试验井内所采用的降压泵额定出水量均为 200 m3/h，6 口井同时运行后，平均出水量约为95 m3/h，每日出水量约 1 368 m3。群孔抽水试验抽水近 14 d，J1J4 出水量稳定。第层群井抽水试验期间，对 G1G3 观测井内的水位变化进行同步监测。观测井 G1G3 水位埋深与时间的关系曲线如图 3 所示。图 3观测井 G1G3 水位埋深与时间的关系曲线Fig3Curve of water level burial depth and time relation ofobservation well G1G3313地面沉降监测与计算根据分层总和法和式(1)，计算当第层抽水结束、水位降深为 8