上海軟土地區(qū)承壓水減壓誘發(fā)沉降的機制分析

上海軟土地區(qū)承壓水減壓誘發(fā)沉降的機制分析

1分層沉降監(jiān)測點布設(shè)和分析方法近年來，許多地鐵車站的深基坑已建在建筑密集的區(qū)域。頻繁的基坑降水試驗和控制已成為一個必須盡快解決的問題[1.15]。由于現(xiàn)有解析方法計算不夠完善,計算沉降量明顯偏大,在地面沉降、分層沉降監(jiān)測點布設(shè)和分析方法方面也存在著不足之處,出現(xiàn)了分層沉降累積值與地面沉降量不符等問題,無法科學(xué)地指導(dǎo)地面沉降的事前預(yù)測。王翠英等嘗試采用經(jīng)驗系數(shù)的方法修正計算結(jié)果,但這類黑箱模型無法充分解釋計算沉降偏大的物理過程和機制,特別是在基坑降水工程的分層沉降監(jiān)測工作中,發(fā)現(xiàn)局部地層不是壓縮,而是膨脹,這是傳統(tǒng)解析計算方法無法解釋的。本文結(jié)合上海地鐵9號線宜山路車站的現(xiàn)場監(jiān)測工作,基于深源減壓–上覆地層逆回彈、深源固結(jié)–變形協(xié)調(diào)、層內(nèi)水位差–漸進邊界對基坑降水誘發(fā)沉降過程和機制進行了分析,對現(xiàn)有計算方法進行了修正。2項目總結(jié)2.1地下墻深42m上海地鐵9號線宜山路車站為該線一期工程的終點站及站前折返站,位于宜山路上,西起中山西路,東至凱旋路。車站長297.40m,標準段寬21.2m,是地下四層島式車站(見圖1)。車站原設(shè)計主體結(jié)構(gòu)地下墻厚1.2m,標準段地下墻深48m,端頭井地下墻深51m。車站基坑開挖標準段最深為27.855m,端頭井最深為29.718m。宜山路站周邊環(huán)境復(fù)雜(見圖1),沉降控制要求高。車站南側(cè)中部是上海七建裝潢總匯,17層混凝土框架結(jié)構(gòu),距離車站圍護結(jié)構(gòu)邊14m;車站北側(cè)是并排的家飾佳精品裝飾城和金銀島建材商廈,距離基坑外邊約13m;車站東側(cè)是運營中的地鐵3號線一期高架及已竣工的地鐵3號線二期宜山路車站,基坑距3號線一期高架承臺最近只有7m,距地鐵3號線二期最近處23m;車站的西側(cè),為中山路高架道路,其中心距基坑最近約25m。以上建筑對于基坑減壓誘發(fā)的沉降和不均勻沉降控制要求非常嚴格。2.2室內(nèi)滲透試驗系數(shù)根據(jù)研究區(qū)《工程地質(zhì)勘察報告》以及收集到的區(qū)域資料,地下水類型主要有淺部黏性土層中的潛水、淺部粉性土層中的微承壓水和深部粉性土、砂土層中的承壓水(見圖2)。潛水位埋深一般為0.30~1.50m,年平均地下水位埋深0.50~0.70m。微承壓水(第④2層和⑤2–2層)和承壓水(第⑦層)埋深一般低于潛水位。第④2層及⑤2–2層微承壓水位埋深一般為3.00~6.00m;第⑦層承壓水位埋深一般為4.0~12.0m。潛水位和承壓水隨季節(jié)、氣候、潮汐等因素有所變化。初勘及利用附近場地工程的注水試驗測得第⑦層承壓水頭埋深為5.86~8.64m。室內(nèi)滲透試驗系數(shù)見表1。由于第⑦層為粉砂,無法取樣按照室內(nèi)試驗精確計算,所以通過現(xiàn)場抽水試驗反演獲得。3分層沉降監(jiān)測由于上海地鐵9號線宜山路車站對于周邊環(huán)境控制要求極其嚴格,為準確測定承壓水減壓過程中的地面沉降規(guī)律,在分層沉降監(jiān)測工作中采用多點位移計代替磁環(huán)進行測量,精度達到了±0.2mm。多點位移計施工前布置在Z3,Z4基坑周邊,編號為WY1~WY6,測點深度分別位于第④,⑤,⑦層頂部,其位置見圖3。監(jiān)測工作從現(xiàn)場抽水試驗開始,一直監(jiān)測到基坑降水過程結(jié)束,分層沉降監(jiān)測曲線見圖4。深層沉降具有如下規(guī)律:(1)沉降期2007年6月2530日從開挖開始,6組多點位移測得的第④層頂部、⑤層頂部、⑦層頂、底位移是一致的,即每層都發(fā)生了均勻的沉降,采用每層中的一點,都可代表層內(nèi)所有點的沉降,稱之為均勻沉降階段。隨著降水工作的正式展開,第④層頂部、第⑤層頂部、第⑦層頂、底位移開始加速并出現(xiàn)分異,表現(xiàn)在深層沉降監(jiān)測曲線上同層頂、底沉降“分叉”現(xiàn)象,說明土層頂、底面之間產(chǎn)生了不協(xié)調(diào)的沉降。按照具體時間推算,2007年6月25~30日,各段基坑分別處于下第④層開挖和第四道混凝土支撐養(yǎng)護等不同工況,Z4基坑從2007年6月21開始正式降水。持續(xù)大流量降水加速了深層土層沉降,并誘發(fā)了各層土體的差異沉降,時間應(yīng)為降水開始后的5~10d后。(2)總量值“各層沉降之和”按照多點位移計監(jiān)測成果,地層各層沉降累積量遠大于監(jiān)測到的地面沉降量值(見圖5),這和傳統(tǒng)認識的“地面沉降總量值等于各層沉降之和”不相符。同時,通過計算各層的壓縮量發(fā)現(xiàn),在沉降分異條件下,減壓含水層(第(5),(7)層)地層壓縮量為正,說明抽水導(dǎo)致的固結(jié)作用使地層發(fā)生了壓縮,而對于相對隔水層(第(4)層及其以上地層)或者承壓水減壓過程中沒有直接影響到的地層,地層壓縮量為負值(見圖6),說明該地層在此過程中發(fā)生了膨脹。4地層使用制承壓水減壓中地面沉降與分層沉降的機制可以用高、低滲透–壓縮性地層組合、深源減壓–上覆地層逆回彈、深源固結(jié)–變形逆協(xié)調(diào)、漸進邊界機制來解釋。4.1層內(nèi)壓縮和多點沉降監(jiān)測到分層沉降分叉的上海地層都涉及到了承壓含水層、中間地層和第④層淤泥質(zhì)黏土及其以上地層的組合,而在多點位移計分層沉降監(jiān)測過程中,發(fā)生了層內(nèi)膨脹的主要是第④層淤泥質(zhì)黏土及其以上地層的組合。分析其機制,是因為此過程中減壓承壓含水層和其緊鄰上覆層(含有砂及粉砂性土)受減壓影響較大,較快產(chǎn)生固結(jié)沉降。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,層內(nèi)壓縮最大的仍為減壓含水層,之所以測得第⑤層頂沉降最大,是因為該點沉降是疊加了與第⑦層的變形協(xié)調(diào)及本身固結(jié)沉降的結(jié)果。所以,在分析地面沉降和分層沉降過程中,需要定義層內(nèi)壓縮和單點沉降。單點沉降是疊加了層內(nèi)壓縮和下伏層頂協(xié)調(diào)變形后的相對位移,只能代表一個點的沉降情況,尚不能代表整層的沉降,整層的壓縮量應(yīng)該用頂?shù)酌鎲吸c位移的差值來定義。這也是分層沉降累積量遠大于地面沉降的原因之一。4.2承壓水支撐下的基土地層回彈膨脹一般而言,土層處于自重應(yīng)力場中,由于應(yīng)力歷史作用處于一定的固結(jié)狀態(tài)和應(yīng)力環(huán)境,無論是從地層的層頂還是層底卸荷,地層都會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。在深基坑開挖過程中,在坑底卸除土體后,會監(jiān)測到坑底明顯的回彈變形,在上海地鐵車站深基坑建設(shè)中,甚至出現(xiàn)過由于地層回彈導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)支撐立柱樁上抬的現(xiàn)象,而在承壓含水層中對承壓水進行減壓,實質(zhì)上原先由承壓水和地層共同承擔的上部地層的荷載部分轉(zhuǎn)嫁到土體骨架上,會使承壓含水層較快出現(xiàn)固結(jié)沉降,此時如果假定上覆相對滲透性較弱(隔水)地層孔隙水壓力尚未發(fā)生變動,則地層頂、底面將在自身強度和周邊環(huán)境約束下因向下回彈出現(xiàn)下沉。這時,該地層因逆向回彈發(fā)生膨脹。將由于基坑在地層頂部卸荷產(chǎn)生的向上回彈稱為正回彈,則地層因承壓水減壓產(chǎn)生的向下回彈稱為逆回彈。本工程中,第⑤,④及④層以上土層都可能存在逆回彈現(xiàn)象,由于第⑤層存在較強的越流滲透,其固結(jié)沉降也是很明顯的,因此總的層內(nèi)壓縮量仍為正,并未發(fā)生膨脹的情況,而第④層內(nèi)及以上的土層由于沒有受到固結(jié)影響,就直接表現(xiàn)為層厚膨脹了。4.3承壓水負壓變形逆協(xié)調(diào)機理用于附加應(yīng)力作用下固結(jié)計算的公式,其荷載源一般位于多地層組合的頂部,荷載由上向下擴散,所以,其變形是由上向下協(xié)調(diào)的,稱為變形正協(xié)調(diào)。其地層不能彼此脫開,上層底位移等于下層頂位移。而在承壓水減壓過程中,基于有效應(yīng)力原理的荷載源一般位于多地層組合的底部,隨著降落漏斗的擴展,荷載由下向上傳遞,所以,其變形是由下向上協(xié)調(diào)的,稱為變形逆協(xié)調(diào)。由于地層處于一定應(yīng)力環(huán)境中,在卸荷后會產(chǎn)生回彈變形,在承壓含水層因為減壓表現(xiàn)為向下垂直位移的固結(jié)變形過程中,上覆地層底面通過這種回彈變形保持變形的協(xié)調(diào),不至出現(xiàn)地層間脫空現(xiàn)象,上層底位移等于下層頂位移。圖7為長100m,厚40m的地層在底部盆狀位移邊界下的位移邊界–逆回彈產(chǎn)生頂?shù)装逦灰频姆之惽闆r,可見,在靠近盆狀邊界邊上位置地層出現(xiàn)了膨脹,可作為逆回彈膨脹的一個解釋。4.4水位降低的影響承壓含水層減壓過程和潛水含水層的疏干不同,實際上只是一定范圍內(nèi)承壓水位降低,以滿足基坑坑底的抗突涌條件,對于透水性較好的承壓含水層而言,其固結(jié)變形可能很快實現(xiàn),達到較大的固結(jié)度,而對于含砂性土較少的淤泥質(zhì)土而言,由于其透水性較差,在承壓含水層水位降落環(huán)境下,其滲透固結(jié)可能會持續(xù)相當長的時間,這就會出現(xiàn)一定的水位邊界在此類地層中的漸進性發(fā)展問題(見圖8,9)。隨著滲透過程的發(fā)展,水位降落在弱透水層中緩慢發(fā)展。如果將此地層劃分為若干小層的話,則靠近減壓源方向的小層先通過逆回彈發(fā)生與下層層頂一致的垂向變形,同時也發(fā)生自身的固結(jié)變形,而在遠離減壓源方向靠上部的地層,由于水位降落小于下部,所以其固結(jié)變形較小。即使對于減壓含水層而言,也不是減壓部位所有點的水位值都是一致的,特別是對于非完整井滲流,其是通過水力梯度與水量協(xié)調(diào)后形成的一個滲流場,所以在一個按照工程地質(zhì)、水文地質(zhì)參數(shù)劃分的地層內(nèi),還應(yīng)該按照水位降落情況,在層內(nèi)再細分小層,按照不同分層內(nèi)部水位降落的累加計算層內(nèi)壓縮。不能按照一點水位降落,計算整個含水層的壓縮量。5分層總成法的改進目前,國內(nèi)有關(guān)地鐵車站降水誘發(fā)沉降的計算方法,主要是按照《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307–1999)第8.5.7條計算。按照該規(guī)范,因地下水下降引起的土層附加荷載,可按下式計算:式中:?P為降水引起的土層附加荷載(kPa),h1為降水前土層的水頭高度(m),h2為水位下降后的水頭高度(m),γw為水的重度(kN/m3)。降水引起的地面附加沉降量,可采用分層總和法按下式計算:式中:n為按照水位降落等值線劃分的同一地層內(nèi)細分土層數(shù),即按照等水壓線圖在層內(nèi)劃分一定厚度土層,使層內(nèi)水位降落基本一致;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),?iP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計算土層的厚度(m)。但在軟土地區(qū)工程應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)了一些特殊的規(guī)律,如監(jiān)測獲得的地面沉降和分層沉降之和不等,分層沉降出現(xiàn)了“分叉”現(xiàn)象,部分地層在膨脹等,以上現(xiàn)象無法采用現(xiàn)行計算方法來解釋。同時,在工程實踐中,也存在按照理論計算的地面沉降量值明顯偏大等一系列問題。在以往基坑降水引發(fā)的地面沉降和分層沉降監(jiān)測工作中,常將某一個監(jiān)測點的沉降值和該層厚度的變化混為一談,常期望地層中一點的變形值能夠代表整個地層的變形,而沒有充分考慮到某一地層的沉降除了和本層固結(jié)變形有關(guān)外,還與臨近層的固結(jié)變形及變形協(xié)調(diào)有關(guān)。同時,沒有充分考慮到承壓水減壓過程中,同層內(nèi)仍然存在水頭差,同層內(nèi)不同點由于降水所產(chǎn)生的附加應(yīng)力也有所不同。這就出現(xiàn)了將實測的單點沉降等同于該地層厚度變化,按照分層沉降累加的沉降遠大于地面沉降,分層總和法與實際不符的假象。實際上,按照分層總和法,地面沉降等于分層沉降之和是正確的,關(guān)鍵在于區(qū)別單點沉降和層內(nèi)壓縮。圖10(a)為多點位移計布設(shè)示意圖。如果地層如圖10(b)所示,層底不動,則層內(nèi)壓縮D等于層頂單點沉降,D=htop1-htop0;如果地層如圖10(c)所示,地層頂?shù)拙形灰茣r,層內(nèi)壓縮不等于層頂單點位移,而等于層頂、底單點位移的差值,D=(hbtm1-htop1)-(hbtm0-htop0)。定義單點沉降為地層內(nèi)某點因變形協(xié)調(diào)與本層固結(jié)產(chǎn)生的豎向位移值,是用測量時測點的實測絕對標高減去初始絕對標高得到的數(shù)值,一般為負值。定義層內(nèi)壓縮為地層因固結(jié)和不同層之間變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生的總體變形量,是用固結(jié)–變形協(xié)調(diào)過程中某時刻頂面的絕對標高減去底面的絕對標高計算得到的數(shù)值,壓縮為正,膨脹為負。層內(nèi)壓縮和單點沉降表述對象和參照系均不同。層內(nèi)壓縮研究對象是目標區(qū)域內(nèi)某一地層,參照系為地層的初始厚度;而單點沉降研究對象是某一地層內(nèi)的一個點,參照系為地層內(nèi)該點的初始絕對標高。分層總和法中的分層沉降應(yīng)為層內(nèi)壓縮而非層頂單點沉降,層內(nèi)壓縮可以用單點沉降計算。實際監(jiān)測中所謂分層沉降應(yīng)為本定義中的層頂單點沉降,而非層內(nèi)壓縮。6修訂后的總體方法本文結(jié)合上海地鐵9號線宜山路車站深基坑承壓水減壓過程中沉降的現(xiàn)場監(jiān)測工作,在規(guī)律和機制分析的基礎(chǔ)上,提出一種修正的計算方法。6.1層內(nèi)壓縮量和上覆土層數(shù)的計算對式(2)進行修正,按下式計算:式中:S0為減壓目標含水層的層內(nèi)壓縮量(m),Su為減壓目標含水層上覆地層總沉降量(m),m為參加沉降計算的上覆土層數(shù)。6.2含水層變形引起的變形減壓目標含水層指降水工作中需要降低水位的含水層,水位降低增加的附加應(yīng)力由此層開始,是地面沉降的初始誘發(fā)源。圖11給出了減壓目標含水層計算模型。層內(nèi)壓縮為抽水前地層厚度與抽水后地層厚度之差可表示為式中:Si′為層內(nèi)細分小層單層壓縮量;h0,top,h0′,top,h0,btm,h0′,btm分別為承壓含水層減壓前后的頂?shù)酌鏄烁?d0,top,d0,btm分別為承壓含水層減壓后頂?shù)酌鎲吸c沉降;?Pi′為第i小層降水引起的附加荷載;E0為承壓含水層的壓縮模量。因地下水位下降引起的地層附加荷載,可按下式計算:式中:hi1為降水前i地層內(nèi)水位標高(m);hi2為降水后i地層內(nèi)的水位標高(m);αi為修正系數(shù),可按相關(guān)計算理論或地區(qū)經(jīng)驗取值。對于式(4)中的E0,對于砂土,應(yīng)為彈性模量;對于黏土和粉土,可按下式計算:式中:e0為土層的原始孔隙比;av為土層的體積壓縮系數(shù)(MPa-1),應(yīng)取自土的有效自重壓力至土的有效自重壓力與附加壓力之和的應(yīng)力段。6.3逆回彈下的固結(jié)沉降按照逆回彈基本原理,假設(shè)逆回彈和固結(jié)同時發(fā)生,但可以分別計算,逆回彈自下而上產(chǎn)生,地層頂、底回彈量可不一致(即在回彈過程中,由于周邊土體的約束作用,頂部回彈量可小于底部回彈量),固結(jié)沉降在逆回彈–變形協(xié)調(diào)后的單層厚度上發(fā)生。(1)層底約束變形設(shè)地層變形協(xié)調(diào)前不考慮固結(jié)的單層厚度為Hi,變形協(xié)調(diào)后單層厚度為Hi′,變形協(xié)調(diào)前層頂標高為hi,top,層底標高為hi,btm,變形協(xié)調(diào)后層頂標高為hi′,top,層底標高為hi′,btm,變形協(xié)調(diào)后層頂單點沉降為di′,top=hi′,top-hi,top,層底單點沉降(見圖12)為di′,btm=hi′,btm-hi,btm。變形協(xié)調(diào)后單層的厚度為變形協(xié)調(diào)后單層的厚度變化為如果減壓含水層編號為0,向上依次編號,由于地層在地下某點不能懸空,減壓含水層頂應(yīng)與直接相鄰地層的底板變形完全協(xié)調(diào),有d1′,btm=d0,top。而對于上覆地層而言,由于其頂、底板均可能存在位移,可用逆回彈系數(shù)表述頂?shù)装遄冃蔚牟灰恢滦浴６x不考慮本層固結(jié),在變形協(xié)調(diào)過程中,頂板單點沉降與底板單點沉降的比值為含水層逆回彈系數(shù),則有αi=0時,則頂板未動,層內(nèi)壓縮等于底板單點沉降;取1時,頂、底板單點沉降完全一致,層內(nèi)壓縮為0;0<αi<1時,頂板沉降小于底板沉降,地層“膨脹”。在進行沉降計算時,可先根據(jù)抽水試驗過程中相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù),計算逆回彈系數(shù),然后在工程實施中,按照下式計算逆回彈量:(2)層內(nèi)壓縮和含水層的壓縮設(shè)在變形協(xié)調(diào)后(靠近目標含水層側(cè)滲流達到穩(wěn)定)的層底標高不變,固結(jié)沉降層頂產(chǎn)生的單點沉降等于層內(nèi)壓縮,可以寫為式中:hi′,top為在固結(jié)變形后地層頂板的標高。則考慮變形協(xié)調(diào)和固結(jié)沉降后本層的層內(nèi)壓縮(膨脹為負)可以按照下式計算:如果減壓承壓含水層編號為0,向上依次編號(見圖11,12)。承壓含水層上覆地層層內(nèi)壓縮總量為(3)總沉降的計算由式(3)~(14),地面沉降可以寫為式中:j為上覆地層內(nèi)小層層面以下分層數(shù)。6.4頂板逆回彈系數(shù)按照宜山路車站與多點位移計WY1~WY6對應(yīng)的孔隙水壓力監(jiān)測成果分析,第④層孔隙水壓力未發(fā)生明顯變化,則可按其多點位移計監(jiān)測獲得的頂、底面分層沉降計算逆回彈系數(shù)(見表2)。對于第⑤層,按照和多點位移計配對設(shè)置的孔壓計監(jiān)測成果及相關(guān)計算,獲取的頂板逆回彈系