不同含水層巖性沉降經(jīng)驗修正系數(shù)的研究

王秀麗，劉思源，姚晨鋼（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

不同含水層巖性沉降經(jīng)驗修正系數(shù)的研究

王秀麗，劉思源，姚晨鋼
（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

為了較為準(zhǔn)確地計算降水施工引起的地面沉降值，本文選取大量地鐵降水施工中沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。針對不同巖性事先給定經(jīng)驗系數(shù)，然后，將此經(jīng)驗系數(shù)計算出數(shù)據(jù)值與處理后沉降實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并進(jìn)行誤差統(tǒng)計分析，如果符合最大概率法分布規(guī)律，那么此經(jīng)驗系數(shù)符合實際情況，可用；如果不符合最大概率法分布規(guī)律，那么此經(jīng)驗系數(shù)不符合實際情況，不可用，返回上一步，重新給定經(jīng)驗系數(shù)。最終，計算出不同巖性對應(yīng)的修正系數(shù)取值范圍，對北京地區(qū)降水影響范圍內(nèi)的各類地層，提出一個較為適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)。研究成果將為工程技術(shù)人員對降水引起的地面沉降，進(jìn)行預(yù)測提供參考依據(jù)。

降水；含水層巖性；經(jīng)驗修正系數(shù)

0　前言

降水引起的沉降經(jīng)驗系數(shù)，在之前一些規(guī)范上沒有區(qū)分不同含水層不同經(jīng)驗系數(shù)，而是統(tǒng)一規(guī)定，應(yīng)根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗取值，無經(jīng)驗時取1，現(xiàn)本文研究針對不同含水層取相應(yīng)的經(jīng)驗修正系數(shù)，但該修正系數(shù)在選取時大多數(shù)根據(jù)人為經(jīng)驗選取，受人為影響大，且準(zhǔn)確性不可把控。因此，對該修正系數(shù)的選取需要進(jìn)行理論研究分析。

本文結(jié)合多年地鐵降水施工實例，參考地鐵勘察報告以及降水施工設(shè)計成果，選取大量降水施工沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，并采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，消除誤差干擾（鮮思東，2010）。然后，將實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與通過經(jīng)驗選取修正系數(shù)計算出的沉降值進(jìn)行對比分析，分析其誤差相互獨立，分布規(guī)律符合正態(tài)分布。最終，采用分層總和法（建筑樁基技術(shù)規(guī)范，2008）確定了不同地層對應(yīng)的修正系數(shù)取值區(qū)間（城市建設(shè)工程地下水控制技術(shù)規(guī)范，2014），為降水工程技術(shù)引起的地面沉降預(yù)測選取適當(dāng)值提供依據(jù)。該研究成果，已于2014年8月編制于《城市建設(shè)工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》中。

1　目的與任務(wù)

多年以來，巖土工程技術(shù)人員在進(jìn)行由降水施工引起的周邊地面沉降預(yù)計算時，常使用分層總和法計算公式，即：

式中：S——降水引起的地層變形量（mm）；

ψW——沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，應(yīng)根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗取值；

Δpi——降水引起的地面下第i土層中點處的附加有效應(yīng)力（kPa）；

Δhi——第 層土的厚度（m）；

Esi——第 層土的壓縮模量（kPa）；應(yīng)取土的自重應(yīng)力至自重應(yīng)力與附加有效應(yīng)力之和的壓力段的壓縮模量值。

由于降水引起的沉降在計算上不同于超載引起的沉降，因此，在經(jīng)驗修正系數(shù)的選取上沒有一個固定標(biāo)準(zhǔn)，受人為影響很大。在本次研究過程中，要求對北京地區(qū)降水影響深度范圍內(nèi)的各類地層提出一個較為適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)，以供工程技術(shù)人員對降水引起的地面沉降進(jìn)行預(yù)測。

2　存在問題

在以往的降水工程中，有很多針對單個工程進(jìn)行的沉降監(jiān)測分析工作，但這些工作往往存在以下問題：①缺發(fā)系統(tǒng)性總結(jié)，不同地質(zhì)條件下降水引起的沉降差異很大，沒有將單個工程和水文地質(zhì)、工程地質(zhì)單元結(jié)合起來分析；②監(jiān)測成果缺乏系統(tǒng)性，在基坑工程中為了節(jié)省成本，降水沉降發(fā)展期沒有加密監(jiān)測，降水沉降沒有穩(wěn)定便停測等情況時有發(fā)生；③受各種影響因素較大，尤其是基坑變形、地下工程開挖引起的沉降等，使降水沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)受干擾較大；④受專業(yè)所限，降水設(shè)計單位和降水施工單位很難在一起對降水引起的沉降進(jìn)行全面系統(tǒng)分析。

由于上述問題的存在，過去針對降水工程引起的沉降問題缺乏較系統(tǒng)的研究（黃志侖，2002），對沉降預(yù)測值和實際監(jiān)測值的對比分析工作僅停留在單個工程上，對公式中的修正系數(shù)研究幾乎是零。

3　研究技術(shù)路線及方法

本次對沉降預(yù)測計算修正系數(shù)研究工作的技術(shù)路線，如圖1。

由于北京地鐵降水工程的施工周期較長，對應(yīng)北京地區(qū)的各類地層較全面，水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件相對較清楚，而且降水引起沉降的監(jiān)測資料多且完整，因此本次研究工作主要收集地鐵的勘察、降水設(shè)計、降水施工沉降監(jiān)測等資料。

對收集到的降水沉降監(jiān)測點資料要進(jìn)行篩選，大部監(jiān)測資料存在被其它因素干擾、異常中斷、缺失、基準(zhǔn)點被破壞造成數(shù)據(jù)異常等問題，只有通過篩選后確定的較完整的序列監(jiān)測資料才能使用。

對確定的沉降監(jiān)測序列資料要進(jìn)行最小二乘法分析，消除觀測誤差，以避免觀測誤差的波動影響沉降監(jiān)測取值。

初步給定一組修正系數(shù)ψi后，根據(jù)勘察資料和降水設(shè)計中水位降深（北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范，2009）要求，利用分層總和法計算所有監(jiān)測點的預(yù)測沉降值。

將計算的預(yù)測沉降值和實際監(jiān)測的沉降值進(jìn)行對比誤差分析，若誤差絕對值小于3mm的點占總監(jiān)測點數(shù)的50%以上時，我們認(rèn)為修正系數(shù)可以滿足要求，否則認(rèn)為不滿足要求，還需對修正系數(shù)進(jìn)行更合理的調(diào)正，再重新進(jìn)行計算，循環(huán)往復(fù)，至到選取的修正系數(shù)滿足要求為止。

4　施工降水沉降監(jiān)測

4.1降水沉降監(jiān)測點的選取

本次研究工作通過對原始施工降水沉降監(jiān)測資料進(jìn)行篩選后，共選取了北京地鐵6號線一期3站2區(qū)間、6號線二期1站、9號線1站、14號線3站3區(qū)間等49個監(jiān)測點。各監(jiān)測點的具體情況見表1。

以上降水沉降監(jiān)測點的選擇，除了其監(jiān)測資料序列相對完整以外，基本沒有受到外界因素的影響，而且能代表北京地區(qū)的30m以上的主要含水層情況。

4.2沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理

圖1　技術(shù)路線圖Fig.1 Technology Roadmap

圖2　降水沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理Fig.2 Dewatering settlement monitoring data

表1　篩選確定的沉降監(jiān)測點基本情況表Tab.1 Screening to determine of settlement monitoring points the basic conditions sheet

由于降水沉降監(jiān)測周期較長，地面布設(shè)的監(jiān)測點難以保護(hù)，因此我們一般選取布置在建筑物上較穩(wěn)定的監(jiān)測點。圖2為一個較完整的水位降深為3.75m（潛水）的降水沉降監(jiān)測序列數(shù)據(jù)。

由于在施工降水沉降監(jiān)測過程中，操作人員、儀器設(shè)備以及周邊環(huán)境等影響因素都會產(chǎn)生測量誤差，使數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動，為了消除這種誤差，采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)再取其最大值作為沉降監(jiān)測的最大沉降值。

在本次研究中對所選的49個監(jiān)測點數(shù)據(jù)都進(jìn)行了如上所述的數(shù)據(jù)處理。

5　誤差分析

綜合考慮土層壓縮模量、固結(jié)度、水位降深等因素后，給定一個初始的經(jīng)驗修正系數(shù)，然后采用分層總合法計算所有選取的沉降監(jiān)測點的預(yù)測沉降值。確定所有沉降點計算值（給出經(jīng)驗值計算得出預(yù)測結(jié)果）和對應(yīng)的監(jiān)測點沉降監(jiān)測值（實際觀測結(jié)果）其誤差絕對值小于3mm的點數(shù)占總點數(shù)的比例大于50%以上時，計算方可結(jié)束。

根據(jù)所選的49個監(jiān)測點計算結(jié)果，其誤差絕對值（單位為mm）的分布情況為：

［0，3）占總點數(shù)57%

［3，5）占總點數(shù)17%

［5，7）占總點數(shù)14%

［7，9）占總點數(shù)6%

≥9 占總點數(shù)6%

表2　分層總和法計算沉降修正系數(shù)建議值Tab.2 calculation of settlement correction factorusing layer wise summation method

根據(jù)上述計算值和實測值誤差絕對值的統(tǒng)計分析，可認(rèn)為其誤差分布近似正態(tài)分布，即誤差之間是相互獨立的，沒有規(guī)律。誤差分布在［0，3）區(qū)間的數(shù)量大于50%，認(rèn)為這種分布是滿足要求的，在此基礎(chǔ)上確定的修正系數(shù)，基本能代表北京地區(qū)30m以上含水層在計算降水引起沉降時對沉降值的合理修正，因此，我們提出在采用分層總和法計算降水引起沉降時修正系數(shù)的建議值見表2。

6　結(jié)論

上述修正系數(shù)為綜合經(jīng)驗修正系數(shù)，考慮因素包括土層壓縮模量、固結(jié)度、水位降深等，使用時還要根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整；

北京地區(qū)還有很多特殊地質(zhì)條件下的降水，選取修正系數(shù)時應(yīng)根據(jù)群孔抽水試驗（建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程，2012）對沉降監(jiān)測的數(shù)據(jù)來進(jìn)行調(diào)正；

對于降水期間由于抽水帶出大量細(xì)顆粒物質(zhì)后，引起的地面沉降不能采用該方法進(jìn)行計算（李志平，2008） 。

針對不同地層確定了不同的修正系數(shù)，現(xiàn)對分層總和法提出修正，應(yīng)為為上表2“分層總和法計算沉降修正系數(shù)建議值”。

［1］鮮思東. 概率論與數(shù)理統(tǒng)計［M］. 北京：科學(xué)出版社，2010.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94-2008）［S］. 2008.

［3］北京市規(guī)劃委員會北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. 城市建設(shè)工程地下水控制技術(shù)規(guī)范（DB11/1115-2014）［S］. 2014.

［4］黃志侖. 關(guān)于地下建筑物的地下水揚(yáng)力問題分析［J］. 巖土工程技術(shù)，2002（5）：273～274.

［5］北京市規(guī)劃委員會. 北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范（DBJ11-501-2009）［S］. 2012.

［6］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JGJ 120-2012）［S］. 2012.

［7］李志平. 基坑降水引起的地面沉降分析［D］.中南大學(xué)，2008.

Study on Correction Coefficient of Lithology Settlement in Different Aquifer

WANG Xiuli， LIU Siyuan， YAO Chengang
（Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048）

In order to accurately calculate the settlement values caused by dewatering， the paper selected a large number of subway construction in settlement dewatering monitoring data， and used the error analyzing method for data processing and analysis. Then， the empirical data value and the settlement monitoring data are analyzed， and the error analysis is conducted. If the maximum probability distribution law is used， the empirical coefficient can be used to meet the actual situation. If it doesn’t comply with the maximum probability distribution law， the empirical coefficient will not meet the actual situation. Finally， we propose an appropriate correction factor of various stratum affected by dewatering in the area of Beijing， by means of calculating the corresponding value range of correction factor of different lithology. Research results will provide a reference for engineering and technical personnel to forecast the ground subsidence caused by dewatering.

Dewatering； Aquifer lithology； Empirical correction coefficient

U231.3

A

1007-1903（2016）01-0085-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.017

王秀麗（1982- ），女，碩士，工程師，主要從事巖土工程方向研究。電子郵箱：wangyu1982714@163.com