二元结构土层分布区工程降水诱发地面沉降变形研究

叶为民 ，赵少阳 ，陈永贵 , 谢雄耀 ，黄钟晖

(1.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海，200092；2.同济大学 地下建筑与工程系，上海，200092；3.南宁市轨道交通有限责任公司，广西 南宁，530021)

近年来，南宁市快速发展，南宁地铁建设大规模进行。地铁车站大多规划于城市繁华地段，周边建筑物较密集，对地面沉降比较敏感。南宁市市区大部分处于邕江两岸的多级阶地范围内，土层具有明显的二元结构：上部土层以黏性土为主，渗透性差，孔隙水为上层滞水，水量较小；下部土层以砂土、砾石土为主，渗透性强，孔隙水为承压水，且与地表水系有密切的水力联系，水量丰富。由于地铁车站基坑埋深较大，基坑施工时必须采取止降水措施，且一般情况下地下水降深较大，因此，基坑降水往往会引发基坑周边地面沉降。目前，国内对于降水诱发地面沉降的研究主要集中于以软土为主的地区[1-12]，而对具有二元结构特征土层的地区研究较少。南宁市地铁1号线广西大学站是南宁市规划建设的第1个地铁车站，也是目前南宁市深基坑工程中开挖深度最大的工程，对其降水诱发的周边地面沉降进行研究可以为车站的后续施工、维护以及其他车站的设计施工提供参考。本文作者在调查工程场地条件的基础上，根据分层总和法计算坑周地面沉降的原理，探讨二元结构土层中附加应力和计算土层厚度等参数的确定方法，并通过计算获得因降水引起的地面沉降。

1 工程背景

广西大学站的基坑长465 m，宽22 m，深19 m，属于超大型基坑，见图1。车站基坑附近建筑物与地下管线较密集，对地面沉降较敏感。场地土层部分岩土参数见表1。从表1可以看出：场地内上部土层以黏性土为主，渗透性较差；下部土层以粉土、粉砂和砾石土为主，渗透性强，含水层水量丰富，具有明显的二元结构特征。

车站基坑施工时采取了打穿含水层的地下连续墙+内支撑的围护结构，并结合坑内降水，以减小基坑施工对周边环境的影响；同时，在坑外设置10个孔深为20 m的水位观测孔和156个地面沉降观测点，在施工过程中实时观测水位变化和沉降发展趋势。监测结果表明：尽管采取了上述防止降水措施，但由于围护结构存在一定的渗漏，基坑施工时仍然引起了坑外的地下水位波动(水位降深变化幅度为0.1～0.8 m)与地面沉降(地面沉降变化幅度为2.0～7.0 mm)；围护结构的水平变形很小，最大仅为1 mm左右，由此可推测地面沉降受到基坑开挖的影响较小，而主要受水位变化的影响。

图1 南宁广西大学站平面示意图Fig.1 Diagram of Guangxi University station

表1 土层部分岩土参数Table1 Partial geotechnical parameters of soil layers

2 降水诱发地面沉降变形机理

根据有效应力原理，土体承受的总压力由土骨架和孔隙水共同承担：

式中：σ为土体承受的总应力，kPa；σ′为土骨架承担的有效应力，kPa；μ为孔隙水压力，kPa。

在基坑降水过程中，孔隙水压力μ逐渐减小，而土体承受的总应力σ基本不变，因此，土骨架承担的有效应力σ′增大，造成土骨架压缩变形。各层土体的压缩变形累加，在地表上反映为地面沉降。

目前，国内对于车站基坑降水引发的地面沉降主要是依据《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》(GB 50307—1999)，采用分层总和法计算[13]：

式中：s为降水引起的地面总附加沉降量，m；si为第i计算土层的附加沉降量，m；Δpi为第i计算土层降水引起的附加荷载，kPa；Ei为第i计算土层的压缩模量，kPa；Hi为第i计算土层的土层厚度，m。

由式(2)可知：附加荷载和分层厚度与地面沉降量有密切关系。下面根据降水诱发地面沉降的机理，讨论二元结构土层中附加荷载和压缩土层厚度分层等计算参数的确定方法，然后对广西大学站的基坑降水诱发的地面沉降量进行计算，以验证计算参数确定的合理性。

3 附加荷载的确定

当土层具有二元结构特征时，上部弱透水层渗透性差、水量有限，基坑降水主要是针对下部含水层的减压降水，抽出的水主要来自含水层。此时，由降水引起的土层变形可以分为2部分：上部弱透水层的变形和下部含水层的变形。实际上，这2部分变形的诱发机理并不完全相同。

在含水层中，降水诱发的变形机理仍可用有效应力原理解释。由于含水层透水性强，孔隙水压力降低能引起有效应力增加，造成含水层变形。孔隙水压力的减小量即为有效应力的增量：

式中：为土骨架承受的有效应力增量，kPa；γw为水的重度，kN/m3；Δh为水头高度的变化量，m。

弱透水层透水性差，水的渗透和孔隙水压力随时间的变化比较小，应力的变化也较复杂，作用于弱透水层上的有效应力增量主要体现为渗透压力。在二元结构土层中，含水层处于弱透水层下侧，降水使含水层中的水压降低，造成含水层顶板与弱透水层底板边界上的水头高度差。此时，弱透水层中的孔隙水在水头高度差作用下向含水层流动，直到水头高度差逐渐消失。由于渗流作用而施加在弱透水层骨架上的力即为渗透压力，在渗透压力作用下导致弱透水层变形。

当水压下降值为Δh时，在弱透水层的压缩土层厚度范围内其平均渗透压力为[14]：

式中：Δp为压缩土层厚度范围内的平均渗透压力，kPa。

通常认为渗透达到稳定时，土层中的渗透压力基本呈三角形分布，因此，式(4)只在压缩土层厚度范围内仅有1层土时适用。当压缩土层厚度范围内有多层土时，应当分别计算各层的平均渗透压力。渗透压力的分布如图2所示。图2中：压缩土层的总厚度为H1+H2+…+Hn；各层土上表面的渗透压力分别为p1，p2，…，pn；n为压缩土层厚度范围内的土层数；p1=0。

图2 弱透水层渗透压力分布图Fig.2 Distribution of infiltration pressure in soil layers with poor permeability

根据图2，得到此时各层土承担的平均渗透压力为：

式中：Δpi为第i层压缩土层厚度范围内的平均渗透压力，kPa；Hj为第j层压缩土层的厚度，m。

4 压缩土层厚度的确定

对计算土层厚度的确定，有研究者认为降水面以下的土层不会产生明显的固结沉降量，因而，仅需计算降水面至静水位面之间土层的沉降量[15]。但是，在二元结构土层中，由于含水层的渗透性强，孔隙水压力的变化能迅速传递到降水面以下的土层中，引起土骨架的有效应力发生变化，进而影响整个含水层，导致土层变形。

因弱透水层大部分位于降水面之上，常年水位波动带内水位变化的长期作用使带内土层对水位变化的作用不太敏感，因此，弱透水层的计算厚度可以取常年水位波动带底部到弱透水层底板的土层厚度。但是，在广西大学站场地中，未搜集到常年地下水位波动带的资料，故将钻孔中地下水初见水位到弱透水层底板的土层厚度作为计算厚度。由于地下水初见水位一般不会低于常年地下水位波动带，因此，这种计算是偏于保守的。

5 计算结果与分析

本文以南宁市地铁1号线广西大学站基坑为例，计算水位下降引起的地面沉降变形，并与沉降观测值进行对比，验证以上计算过程中参数选取的合理性。

选择3个水位观测孔和3个地面沉降观测点的监测数据，将其分为3组，见表2。每组中水位观测孔与地面沉降观测点距离为1 m左右，与围护结构水平距离为2～3 m，平面布置如图1所示。

当各组的水位与沉降都达到基本稳定时，所得到的观测结果平均值如表2所示。根据钻孔资料，各组所处位置的土层分布和起始地下水位分别见表3和表4。

根据前面确定的参数选择计算方法。首先，确定土层的计算厚度，见表5。弱透水层沉降计算厚度为地下水初见水位到弱透水层底板的土层厚度，含水层沉降计算厚度取为含水层的总厚度。然后，根据式(3)和(4)，确定弱透水层受到的平均渗透压力和含水层的有效应力增量，结果见表6。由于第1组对应位置的弱透水层计算厚度内有3层土，因此，根据式(5)对各层土的平均渗透压力进行计算，结果见表7。

通过上述计算，得到沉降计算所需的所有参数，代入式(2)，得到各组对应位置处的地面沉降计算值，将计算值与观测值进行比较，结果见表8。从表8可以看出：地面沉降计算值与观测值两者的绝对误差为-0.9～0.5 mm，相对误差为-17.55%～10.42%，基本上满足工程要求。

表2 水位和沉降现场实测结果Table2 Results of water level and settlement

表3 各组所处位置的土层厚度分布Table3 Distribution of soil layers in position of every group m

表4 各组所处位置的起始水位埋深Table4 Initial ground water depth in position of every group m

表5 变形土层的计算厚度Table5 Calculation thickness of deformation soil layer m

表6 降水引发的渗透压力和有效应力增量Table6 Dewatering-induced infiltration pressure and increment of effective stress in soil kPa

表7 第1组各弱透水性土层受到的平均渗透压力Table7 Average infiltration pressure in soil layer with poor permeability in Group 1

表8 地表沉降计算值和实测值Table8 Comparison between calculation values and the observation values of land subsidence

6 结论

(1)二元结构特征的土层中降水引起的附加荷载可分为弱透水层承担的渗透压力和含水层承担的有效应力增量。

(2)计算压缩土层厚度时，对于含水层，应当取其总厚度；对于弱透水层，原则上应当取其常年水位波动带底部到弱透水层底板的土层厚度。由于缺少场地常年水位波动带资料，本文实例基坑计算厚度采用钻孔中地下水初见水位到弱透水层底板的土层厚度。

(3)降水沉降计算值与观测值基本一致。出现误差的主要原因可能是地下水水位发生季节性变化，这有待于进一步研究。

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