黄土地区深基坑降水引起的地面沉降规律研究

杜 磊

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 概述

目前，轨道交通工程正在广大西北地区如火如荼地建设中，西安地铁2号线已于2011年10月份建成通车，西宁、乌鲁木齐与兰州等地的轨道交通工程也已经展开，这些地区都有一个共同的特点，就是都遇到了黄土地层的挑战。近年来，随着劳动力成本的上升与机械化程度的提高，城市轨道交通的区间隧道工程都以盾构法隧道为主，表现出了对黄土地层良好的适应性，相对而言，车站工程一般涉及基坑降水，由降水引起的地层沉降在一定程度上是不可避免的［1］，广大学者也对此进行了大量的研究:何世秀等(2003)将开挖产生的应力场与渗流场叠加，并通过有限元模拟，求取基坑周边地表沉降值［2］;谢康和等(2002)认为基坑降水及由此引起的渗流使土中有效应力改变是基坑周围地表发生沉降的根本原因［3］;丁州祥、龚晓南、俞建霖等(2005)采用Biot固结理论编制有限元程序，分析了止水帷幕对基坑工程环境效应的影响［4］;宋建学等(2006)基于二维稳定渗流理论推导基坑工程井点降水引起的水位降低空间分布，根据有效应力原理建立地面沉降计算模型，并简化为分层总和法形式的计算公式。3个工程实例对比了水位降低，理论地面沉降和实测地面沉降，验证了建议的计算公式，认为:从空间分布看，地面沉降与水位降低深度的平方成正比;地面沉降比降水影响范围小，但其相关性随土层侧限压缩模量离散性增大而减弱;基坑周围环境中的堆载、运输等活动对地面沉降大小和分布都会产生影响［5］。然而大部分学者的研究都没有涉及黄土地层，黄土地层由于其显著的结构性，对降水引起的地层沉降表现出了一定的特异性，导致常用的计算理论或计算公式不再适用。

基于此，以西安地铁2号线已建成的长延堡站、八里村站、小寨站、南稍门站、南门站与北大街站等6个以黄土地层为主的地下车站为例，通过理论计算与现场实测数据的对比分析，结合黄土地层的特异性，从地层变形机理层面阐述降水对黄土地层沉降的具体影响，并从实测数据出发，基于最小二乘法，得出了黄土地层由降水导致的地层沉降的经验公式，以期对实际工程起到良好的指导作用。

2 黄土的物理力学特性

与广大西北地区类似，西安地区处于典型的黄土地层条件，就目前展开的轨道交通工程而言，地下两层车站结构底板埋深一般在15 m左右，地下三层车站结构底板埋深一般在21 m左右，此范围内的基坑降水与开挖涉及的主要岩土体为黄土及黄土状土，其物理力学特性主要表现为以下几点。

2.1 大孔隙发育

黄土中的孔洞整体上以垂直向发育为主，在垂向和水平向的力学特性存在各向异性。

2.2 垂直节理发育

黄土的垂直节理主要为成岩节理，据实地观察和研究表明，只有在干燥的黄土中才能出现垂直节理［6］。

2.3 显著的结构强度

黄土的结构强度是在黄土结构的形成过程中产生的［7］。在干旱半干旱条件下，黄土形成了以粗粉粒为主体骨架的架空结构，粗粉粒接触点处的胶结物质形成了较强的联结强度，使黄土在低含水量下表现出较高的结构强度［8］。黄土的结构强度来源于加固凝聚力，以及吸附凝聚力的增量，如图1所示，其大小为黄土的天然结构破坏后所丧失的强度，可用原状黄土与相应的重塑黄土的应力差表示。

图1 黄土的应力-应变关系曲线

2.4 失水后的力学特性显著提高

黄土属水敏感性地质体，其渗透系数较大，而且垂直向渗透系数远大于水平向渗透系数［9］，黄土在工程降水后较易于疏干，且力学性质会显著改善，主要体现在降水后凝聚力、内摩擦角与压缩模量的提高方面，如图2所示。

图2 降水前后黄土的物理力学性质指标对比

3 地面沉降机理及理论计算方法

3.1 降水引起的地面沉降机理

西安地区深基坑降水通常选用的完整普通单井如图3所示。

基坑工程中，为了确保开挖面无水作业，一般都要进行降水施工，地下水位下降导致土体中的附加有效荷载增大，即土体的有效应力增加，进而导致基坑周围地表发生沉降［3］。如图4所示，在水位降深范围内引起的附加应力的增量为 Δσ'=σ'2-σ'1=γw(h1-h)=γwΔh，其大小与水位降深 Δh线性增大;在浸润线以下，Δσ'=σ'2-σ'1=γw(h1-h2)，其大小是一个定值。因此，降水引起地面附加沉降由两部分组成，第一部分为水位降深范围内的沉降S1，第二部分为浸润线以下土层的附加沉降S2，沉降量S=S1+S2。

图3 完整普通单井示意

图4 地下水位下降对土层自重应力的影响

3.2 降水引起的地面沉降计算方法

分层总和法是在地基沉降计算深度范围内将地基分为若干层，求出每一层的压缩量，然后将各分层的压缩量叠加起来［10］。分层总和法假定土体为各向同性均质线弹性体，且采用土体侧限条件下的压缩性指标，计算中不考虑土体的剪切变形及土层之间的相互影响和作用，这种方法简便易行，参数确定也容易，因而被工程界广泛采用。

以西安为代表的西北地区分布着广泛的黄土，且黄土层厚度较大，工程性质相对均一，在基坑围护结构支护条件下，基坑范围内土体的应力状态与侧限条件下土体的应力状态十分相似，符合分层总和法关于土体应力状态的相关规定。此外，本文计算中涉及的地层参数均取自室内实验与现场实测资料，其中土体的压缩模量(ES)取自土体自重应力至自重应力与附加应力之和阶段的压缩模量。

西安地铁深基坑工程大多采用桩—撑支护体系，并设闭合管井降低地下水位。对于垂直渗透系数较大的黄土层，据一维固结沉降理论，采用分层总和法计算降水引起的地面沉降

式中 Si——第i层土的附加沉降量;

Δσ'i——第i层土的有效应力增量;

Esi——第i层土的压缩模量;

hi——第 i层土厚度。

式中 dw——地下水位埋深，m;

S2——计算深度可按应力比，取 γw(h1-h2)=0.2γmH，即 ξ=5。

为了简化计算，对一般土层 ξ=5，当 γm=18 kN/m3，γw=10 kN/m3，则 H=2.78(h1-h2)≈3(h1-h2)，代入上式得

式中，ψw为沉降计算经验系数，根据西安地区沉降观测资料与经验，可取为1;当2(h1-h2)≤dw时，取［2(h1-h2)-dw］=0，即不计入 S2。

4 理论值与实测值对比分析

根据公式(1)～公式(6)，编制相应计算机程序，针对已建的西安地铁2号线长延堡站、八里村站、小寨站、南稍门站、南门站与北大街站，就车站深基坑降水引起的地面沉降进行计算，各车站的水位降深、地层压缩模量以及地表理论沉降值与实测沉降值等情况见表1，地层参数的取值均根据室内实验与现场实测资料确定。

由表1可知，实测的地表最大沉降量明显小于理论计算值，这主要是由于理论计算公式没有考虑到黄土的特性导致的，主要原因可归纳为以下几方面。

4.1 黄土的结构强度高

如前所述，黄土具有很强的结构性，当降水引起的附加应力不足以克服黄土的结构强度时，黄土地层的沉降变形非常小，甚至为零。

4.2 黄土失水后力学特性显著变好

降水引起地面附加沉降主要为黄土的固结沉降，固结沉降主要与地层附加应力、土体变形模量有关，具体表现为固结沉降量与地层附加应力正相关，而与土体压缩模量反相关。对黄土而言，由于降水疏干后，土体变形模量会明显提高，因而在水位降深段的沉降变形S1明显减小(明显小于理论计算值)，导致总沉降 量相应减小。

表1 降水引起地面最大沉降量的理论计算与实测值对比

4.3 理论计算的影响深度偏大

理论计算公式基于弹性力学，假定土体是各向连续、均质的同性体，而实际土体是不连续的，各向异性的。虽然弹性力学的方法考虑了应力的扩散效应，但应力扩散的程度和范围明显大于实际情况，因而其计算地层变形的影响深度也明显大于实际情况。

5 降水引起的地面沉降计算经验公式

为了进一步探寻地面最大实测沉降量(mm)与地下水位降深(m)之间的关系，将表1中的平均水位降升与实测地面沉降量之间的相互关系用曲线表示，并进一步用指数函数进行拟合，具体如图5所示。

图5 地面沉降量与地下水位降深之间的关系曲线

由图5可知，由降水引起的地面沉降量(y/mm)与水位降深(x/m)之间的关系可以用指数函数简单表示为

同时还可以由图5得知，降水伊始，相对较小的水位降深产生了相对较大的地面沉降，越到降水后期，地面沉降越不明显，表明降水后期随着黄土地层的逐步疏干，地层变形模量将会逐渐增大，相同的水位降深引起的地层压缩变形将会逐步减小。

西北地区存在大量的黄土地层，如西安、兰州等地，这些地区轨道交通工程的车站基坑开挖一般要求进行适当的降水，而由于黄土结构的存在，致使原先地表沉降的理论计算公式不再适用，此时可利用本文提出的经验公式进行估算，用于指导实际施工。

6 结论与建议

通过对典型的黄土地层条件下深基坑降水引起的地表沉降情况进行分析，发现了理论计算值与实测值之间存在明显的差异，主要得出以下几点结论。

(1)在典型的黄土地层实施工程降水，实测的地面沉降量与理论计算值相差较大，实测值仅为理论值的30%左右，这主要是由于黄土较高的结构强度、失水后力学性质显著提高导致的。

(2)现有规范中关于地层沉降的计算公式，没有考虑到黄土地层的特异性，在黄土地区的适用性还有待于进一步验证，此时应用成熟的地区经验对理论计算公式进行修正方可用于实际工程。

(3)对于西安地区黄土地层条件下深基坑降水引起的地面沉降，可用本文得出的经验公式进行估算。

［1］张莲花，孔德坊.沉降变形控制的基坑降水最优化方法及应用［J］.岩土工程学报，2005，27(10):1171-1174.

［2］何世秀，胡其志，庄心善.渗流对基坑周边沉降的影响［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(9):1551-1554.

［3］谢康和，柳崇敏，应宏伟，等.成层土中基坑开挖降水引起的地表沉降分析［J］.浙江大学学报:工学版，2002，36(3):239-242.

［4］丁洲祥，龚晓南，俞建霖.止水帷幕对基坑环境效应影响的有限元分析［J］.岩土力学，2005，26(S):146-150.

［5］宋建学，周乃军，邓攀.基坑降水引起的环境变形研究［J］.建筑科学，2006，22(3):26-30.

［6］李帆，杨建国.黄土边坡稳定性分析方法研究［J］.铁道工程学报，2008，123(12):33-36.

［7］田堪良，张慧莉，骆亚生，等.黄土的结构强度及其定量分析方法［C］∥中国岩石力学与工程学会第七次学术大会.西安:2002:178-180.

［8］宋章，程谦恭，张炜，等.原状黄土的结构强度变形特性分析［J］.铁道工程学报，2007(3):6-10.

［9］李保雄，苗天德.黄土抗剪强度的水敏感性特征研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(5):1003-1008.

［10］金小荣，邓超，俞建霖，等.基坑降水引起的沉降计算初探［J］.工业建筑，2004(S):130-134.