沈阳地铁一号线降水对地面和建筑物沉降影响研究

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【摘要】本文分析了大范围降水引起的地面及附近建筑物沉降的关系。

【关键词】建筑物沉降；地面；降水

1 问题的提出

随着经济建设的发展和人们生活水平的提高，近年来我国的基础设施和市政工程建设速度逐年加快，多层和高层建筑的地下室、地下车库、地铁车站等工程日益增多，相应的由深基坑施工引起的环境岩土问题正逐步引起人们的关注，其中由于抽汲地下水引发的地面沉降现象遍布各地。并且伴随人口的增长及工农业的发展，高强度、大面积抽汲地下水导致的地面沉降将日益加剧。到目前为止，我国由于抽汲地下水引发地面沉降的城市约20余座，主要有上海、天津、北京、宁波等。

地面沉降对环境和工程危害极大，在沿海地区，由于地面沉降出现局部区域标高低于海平面高程，出现海水倒灌现象；沿海、沿江的港口城市，由于地面沉降码头、堤岸设施降低工作能力，高潮时江水上岸，使码头丧失其功能；更为普遍的是由于地面沉降引起的地面及建筑物的裂缝、基础下沉、房屋倾斜和地下管网无法正常使用（严重的引起断裂）。

多年来，由于种种原因，沈阳市尚未形成系统的城市沉降观测网，以往的观测资料和数据十分有限，尤其是针对如此大规模的施工，缺乏相关经验和参考数据。

目前国内针对诸如沈阳地区砂性土厚度很大、粘性土分布不连续的类似情况研究进行得很少。本课题的目的就是要立足于沈阳地铁一号线工程，针对沈阳地区地质水文特点进行研究，获得在大面积降水情况下的地表和建筑物的沉降规律。

2 主要研究内容

沈阳地铁一号线沿线地层富水性好、水量大、含水层分布广、厚度大、渗透性、压力传导性都很大。在此种情况下，降水与施工的安全性、经济合理性和施工工期等密切相关，相应的大面积降水引起的地面沉降是地铁施工成败的关键因素。

本研究的内容主要包括：

2.1 地下水渗流理论分析。地下水渗流规律，降水过程中孔隙水压力变化规律和水位变化规律。

2.2 降水过程中，土中应力应变规律。

2.3 降水引起的地面沉降规律。沉降机理、沉降规律的研究。

2.4 沈阳地铁一号线沿线沉降规律分析。

根据目前掌握的技术资料和工程要求，本阶段研究内容的重点是沈阳地铁一号线沿线施工降水引起的地面沉降量的分析和预测。

3 研究方法

3.1 理论分析和模拟计算

3.1.1 理论分析

渗流理论分析

（1）渗流基本理论包括：渗流参数（重点为非稳定流渗透系数随时间、渗流量的变化）；渗流基本定律―Darcy定律；渗流连续性方程和基本方程。

（2）针对该研究项目重点分析如下两个问题：

稳定的承压水完整井流；稳定的潜水完整井流

沉降理论研究

①沉降机理分析。重点是降水过程中，渗流引起的孔隙水压力的变化规律。

②采用应用最广的分层总和法，按粘弹性理论计算地面沉降。分层的依据为各层的渗透性质，分别计算降水过程中，各层的压缩量，从而求得地面沉降值，并与模拟计算结果对比。

3.1.2 模拟计算

采用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发研制的RFPA2D模拟计算软件，进行模拟计算。该软件能够模拟渗流过程，岩土的破裂变形过程，并且绘制出水位―时间曲线、地面沉降量―时间曲线等。该软件在广州地铁工程相关分析中使用，收到良好的效果。

3.1.3 理论公式和地区经验相结合数值计算

根据渗流、沉降理论，结合沈阳地区的工程地质、水文地质条件，采用相关规范推荐公式进行渗流、沉降规律的分析、计算，与模拟计算结果进行比较。

4 计算机模拟计算

4.1 基本原理和数值模型

在土体渗流分析时，一个基本的和重要的问题是在应力和孔隙流体压力共同作用下孔隙介质宏观力学相应。Biot提出了修正的有效应力原理，有效应力准则定义成如下形式：

式中 是有效应力张量； 为总应力张量；p为孔隙水压力， 是一个描述流固耦合状态的参量。此公式是经验公式，在不可压缩的多孔固体颗粒中是适用的。所以含水层压缩量是指含水层在达到疏干开采时，土层中原由孔隙水承担的地层压力全部由土颗粒承担，即转化为粒间有效应力时所产生的土层压缩量。对于正常固结的地层，含水层顶板土层的压缩量可用下式计算：

式中，S为土层压缩量； h为土层平均厚度；P为水位下降引起的附加压力；m为体积压缩系数，它随着孔隙比和应力的变化而变化，对于不同的地区的土层变化较大。

降水引起的土层压缩量计算的复杂性表现为土层的压缩系数、渗透系数和固结系数不是个常量，尤其是压缩系数随不同的应力阶段变化，同时实际地层厚度等地质条件变化较大，所以精确得到降水引起的土层沉降量比较困难，依据现场观测和类似条件的工程类比，经过反算和参数调整后才能够得到较为正确的结果。

在本文的RFPA2D系统模型中，基于以下基本假设：（1）材料介质中的流体遵循Biot渗流理论，（2）介质为带有残余强度的弹性材料，其加载和卸载过程的力学行为符合弹性损伤理论，（3）在弹性状态下，材料的应力-渗透系数关系按负指数方程描述，Biot的渗流耦合作用的基本方程如下：

平衡方程:

几何方程:

本构方程:

渗流方程:

式中，ρ为体力密度； 、 、 分别为正应力、最大、最小主应力；、 分别为体应变和正应变；δ为Kronecker常数；Q为Biot系数； G，λ为剪切模量和拉梅系数； ―拉氏算子。

在经典的Biot渗流耦合方程中，在渗流非稳定流方程增加了应力对渗流方程的影响项，是Biot 固结理论的特征项，反映了应力对流体质量守恒的影响。在稳定流计算时，渗透方程的右端项为零，忽略了总应力和孔隙水压力相互作用的时间过程。按有效应力原理，岩体变形中由于增加了孔隙水压力项，反映了岩体变形特性参数受孔隙水压的影响。同时把引起孔隙的变形的介质应力和孔隙水压力分开讨论。但是，在该理论中没有考虑应力引起的渗透性的变化，不能满足动量守恒。当考虑应力对渗流的影响时，需要补充耦合方程：

耦合方程:

式中：k0 、k―渗透系数初值和渗透系数；p―孔隙水压力； 、β分别为孔隙水压系数、耦合系数（应力敏感因子），由试验确定。