考慮土體固結(jié)的不同層次土層沉井沉降規(guī)律研究

周星宇，邢曉東，夏永豪，馬 勇，盧國營

（中電建路橋集團有限公司，北京 100048）

引言

沉井施工技術(shù)在我國已有30～40 年的歷史了，該技術(shù)的關(guān)鍵是對土層的準確把握，將土體的性質(zhì)融入到沉井井壁的性質(zhì)中，使得土體為沉井順利下沉提供助力，讓沉井與地下或半地下土體融為一體。而在大量工程應(yīng)用案例中出現(xiàn)沉井施工導(dǎo)致了地層逐漸沉降，施工完成后也陸續(xù)出現(xiàn)不均勻沉降等問題[1]。工程案例表明在沉井作業(yè)前，地層加固應(yīng)是首要考慮的工程技術(shù)問題，多數(shù)土地不能滿足沉井所需要的承載能力，如果不經(jīng)處理進行施工，勢必造成地層沉陷及施工完成后地層出現(xiàn)連續(xù)沉降現(xiàn)象。

1 工程概況

某城市污水處理廠建設(shè)采用沉井方式進行井壁施工。其井壁還需與污水管道接駁，污水管道采用頂管施工方法。其位置結(jié)構(gòu)圖見圖1。該工程現(xiàn)場施工空間狹小且交通量較大。施工場地需要進行交通導(dǎo)行和提前規(guī)劃好施工方案。由于場地的限制，沉井前的地基處理工作應(yīng)用高壓旋噴的技術(shù)完成對土體加固的任務(wù)。以便工程開始后不會出現(xiàn)地層沉降的情況。

圖1 沉井立面結(jié)構(gòu)圖

2 沉井驗算

2.1 固結(jié)土理論

本工程沉井的計算依據(jù)來源于太沙基一維固結(jié)理論。在理論中認為，土體發(fā)生沉降由三種狀態(tài)構(gòu)成，首先土體進入初始沉降狀態(tài)，隨著沉降量的深入，土體進入到固結(jié)沉降狀態(tài)，最后類似于金屬屈服后強化，土體沉降還要經(jīng)過一個次結(jié)狀態(tài)[2]。

通常在計算沉井沉降問題上，僅是基于彈性理論做出初始沉降狀態(tài)內(nèi)的工況，容易忽視后兩個發(fā)展狀態(tài)對實際沉井的影響。將三種沉降狀態(tài)聯(lián)合起來分析，以期能夠得到最真實的表征和計算沉井的有關(guān)情況。

2.2 模型推導(dǎo)分析

對沉井開始下沉進行力學(xué)受力分析，假設(shè)下沉前土體為飽和粘性土，事實上，做出這種假設(shè)是必要且符合工程實踐的。因為在天然密實土體狀態(tài)下，土層正是處于飽和狀態(tài)，并且大多數(shù)沉降的基礎(chǔ)條件是土層為非硬土或者是砂土，因此在粘彈性土中進行受力分析簡化，是合適的。

因此，沉井井壁對于土層接觸而言，應(yīng)當是一圈均勻的均布荷載作用，沉井中心軸線為豎直向下的z 坐標軸。則可以得出

式中，kv為土的滲透系數(shù)；γw為飽和土中吸附的水的重度。通過公式（1）式可知，沉降量是土體深度z 和時間t的導(dǎo)數(shù)，同時在具象化過程中，它與飽和土中水的重度、土的滲透系數(shù)有關(guān)，二者的比值作為系數(shù)乘以土體壓力對土體深度的二階偏導(dǎo)數(shù)即是所需要的沉降變化趨勢。

為了更好的方便工程計算，以有限整數(shù)階級數(shù)的表達方式對公式（1）進行整理歸納。引入拉普拉斯變換[3]，將偏微分方程轉(zhuǎn)換為方便求解的級數(shù)表達式

式中，m 值取奇整數(shù)，m=1，3，5，7，...，這是為保證級數(shù)所求復(fù)合工程實際情況，而不單單是推導(dǎo)出一個數(shù)學(xué)結(jié)果。式中e 指數(shù)的指數(shù)冪Tv表示時間因素，與固結(jié)有關(guān)；而Cv又與土的滲透系數(shù)和水重度有關(guān)，從而有下式計算等量關(guān)系。

通過以上分析計算，基于太沙基模型的分析，考慮土體固結(jié)效應(yīng)，得出的狀態(tài)見圖2。

圖2 考慮太沙基效應(yīng)的不同狀態(tài)的土體固結(jié)模型

由圖2 可知，在考慮不同太沙基效應(yīng)的分析下，土體壓力情況的顯著差異。土體壓力隨土層深度的增加呈現(xiàn)拋物線回歸的態(tài)勢很清晰。整體來看，一般情況下僅考慮初始沉降時，不同深度的土體壓力值基本在0.02 MPa 以內(nèi)；而當考慮太沙基效應(yīng)后，整個曲線開始變得非常彎曲，其峰值分別達到0.08 MPa 及0.22 MPa 左右。

2.3 指數(shù)荷載作用

在沉井計算過程中，井壁起程時的外力以及浮沉的過程中的力學(xué)響應(yīng)表征，需要進行力學(xué)模型的轉(zhuǎn)化，以便于更好的研究。沉井荷載更接近于指數(shù)荷載[4]，其分布規(guī)律經(jīng)統(tǒng)計測算可對沉井設(shè)置3 種施工進度下的工況：首節(jié)井壁起沉、中間段沉井下沉、最后一節(jié)沉井下沉。通過對3 種沉井施工過程進行土壓和時間關(guān)系變化分析，來更好掌握，在指數(shù)荷載作用下的沉井對地基土體帶來的變化趨勢。根據(jù)結(jié)果繪制出時程曲線見圖3。

圖3 沉井引起土壓隨沉井時間變化曲線

由圖3 可知，三個階段沉井均有不同，但總體趨勢一致。在初始起沉?xí)r，土體壓力較中間段沉井和最終沉井最小，而隨著沉井時間的增加，土體受力進一步傳遞，開始起沉階段土壓開始逐漸衰減，并處于中間段和最終沉井段以下。三者中最終沉井的土壓變化在沉井中后期為最小，這表明沉井對土體擾動和基礎(chǔ)沉降影響已經(jīng)區(qū)域穩(wěn)定[5]，不再有內(nèi)力消耗，整個土體形成新的平衡狀態(tài)。

3 沉降規(guī)律

3.1 太沙基固結(jié)條件下的土體沉降

選取本研究所述的某城市污水處理廠場地內(nèi)沉井位置處土樣，測試其基本參數(shù)，得出表1 的數(shù)據(jù)成果。

表1 某城市污水處理廠場地土樣基本參數(shù)

根據(jù)取得的基本參數(shù)，進行縮尺室內(nèi)試驗，以研究該場地的土體沉降情況，基于理論時太沙基的三種狀態(tài)下的沉降模式進行。對土體在側(cè)向壓力控制下進行豎向壓力的測試，以讀取土樣在豎向壓力作用下并且伴有側(cè)壁圍壓狀態(tài)下的土體沉降，得出的曲線見圖4。

圖4 不同質(zhì)量的土樣在同一環(huán)壓下的沉降隨施壓作用時間變化圖

由圖4 可知：在不同質(zhì)量土樣的測定中，發(fā)現(xiàn)變化趨勢一致但曲線各有發(fā)展路徑，并不重合。這說明在同樣直徑和壓力作用下，土層越深厚（即試驗中表現(xiàn)的土塊質(zhì)量越大）沉降量整體傾向于越大。這和常規(guī)認識有所出入[6]，說明需要特別重視對沉井空間和深度的把控，即設(shè)計施工的沉井整個外井壁和沉井總深度。通過對這些參數(shù)的把握，可以針對性的采取地基土體加固措施，使得整個沉井施工對地面不會造成沉陷的危險及產(chǎn)生社會不良效應(yīng)。

3.2 連續(xù)沉降控制

沉井過程會伴隨地面沉降，而地面沉降對應(yīng)土層中每一部分沉降，使不同土層在不同部位產(chǎn)生地層位移，由于不同土層土體性質(zhì)不同，沉降會形成不均勻性，同時各層均會傳遞沉降量，因此沉降是一個土層相接的連續(xù)性運動，并且是一個持續(xù)性過程。對連續(xù)沉降的控制直接影響周邊地面的環(huán)境與安全。根據(jù)本工程地勘報告及巖層土塊測得物理參數(shù)情況，得到表2。根據(jù)表2 可以詳細掌握不同土層的有關(guān)性質(zhì)，根據(jù)這些性質(zhì)能夠定性的反映出土層對沉降的響應(yīng)情況。

表2 不同土層物理參數(shù)表

對于連續(xù)沉降，是指所有土層在沉井開始后都會在同一時間同時發(fā)生沉降作用，因此地面的沉降是由地下各土層共同形成，是一個累加效應(yīng)?；谟倌嗉坝倌噘|(zhì)土體所占空間達到7 m 厚的土層，因此在沉井的初期主要影響沉井下沉的土體因素是淤泥質(zhì)土。由于在淤泥質(zhì)土中，荷載傳遞沒有在砂類土中傳導(dǎo)快，因為淤泥質(zhì)土透水性差，在一定含水狀態(tài)下，淤泥質(zhì)土無法正常排水，水在土中使得沉井下沉難于控制。在實際施工中務(wù)必注重降排水措施。

3.3 頂管接駁的沉降分析

本工程所依托的某城市污水處理廠沉井施工，其井壁在下沉中還需對其接駁位置進行精準控制，已保證采用頂管施工方法貫通的雨污水管能與沉井接駁，實現(xiàn)給排水功能。在有頂管事先竣工的條件下進行沉井，其難度較普通沉井更為復(fù)雜。主要體現(xiàn)在沉井不光要突破土層固有物理特性的阻擋持續(xù)下沉，還需要考慮已用頂管穿越，接駁位置能夠精確對接。接駁的沉降規(guī)律為控制和分析，引入接駁差異乘數(shù)k，以表征在沉井下沉過程中，各種土體沉降疊加效應(yīng)下，井壁與雨污水管口對接的比率。在正常情況下，對接應(yīng)為100%對接，即相接處沒有空隙和差異。而理論計算中，為真實反映對接質(zhì)量，需要考慮差異乘數(shù)，即通常只能保證95%以上的對接。即

式中：S 為總沉降，單位是mm。ms為各沉降土層的疊加效應(yīng)，取1.2 能夠整體反映工程情況；ΔSi為各級土體的沉降值，本工程主要涉及淤泥、淤泥質(zhì)土、粉砂、粗砂等土層。各層沉降值累加以后再與接駁差異乘數(shù)k 相乘，即得到考慮沉降規(guī)律的總沉降量。

由公式（4）直接求出沉降值，該沉降值考慮了不同土體的物理性質(zhì)以及其產(chǎn)生的土層疊加效應(yīng)；同時還考慮了穿越既有頂管管道口的對接影響，相比傳統(tǒng)的沉降計算，引入的差異乘數(shù)k 有效的提高了沉井沉降計算，對于沉井工程驗算具有重要指導(dǎo)和實踐意義。

4 結(jié)論

（1） 基于固結(jié)土理論，提出采用全階段的太沙基模型進行沉井過程刻畫，三階段的完整計算最能客觀反映土體受載后的真實情況，其沉降量與真實工程實踐最為逼近。建議沉井驗算可采用全階段計算，效果更好。

（2） 對沉井下沉過程中的主動力進行分析與歸納，找到指數(shù)荷載最為接近沉井的受力工況，通過試驗結(jié)果得出，從開始起沉到最終完成沉井階段沉井作用時間與土壓存在共性變化特征，并且均服從起沉階段土壓逐漸達到峰值，隨后不斷衰減至沒有土壓，形成新的地下土層間的平衡狀態(tài)。

（3） 針對某沉井工程現(xiàn)場土層實際情況，分析出連續(xù)沉降控制辦法及有頂管接駁條件下的沉井沉降控制方法，并通過提出接駁差異乘數(shù)來更為準確的計算沉井下沉控制和綜合連續(xù)沉降值的把握，效果良好，可以用于工程施工計算設(shè)計中。