考虑土体固结的不同层次土层沉井沉降规律研究

周星宇，邢晓东，夏永豪，马 勇，卢国营

（中电建路桥集团有限公司，北京 100048）

引言

沉井施工技术在我国已有30～40 年的历史了，该技术的关键是对土层的准确把握，将土体的性质融入到沉井井壁的性质中，使得土体为沉井顺利下沉提供助力，让沉井与地下或半地下土体融为一体。而在大量工程应用案例中出现沉井施工导致了地层逐渐沉降，施工完成后也陆续出现不均匀沉降等问题[1]。工程案例表明在沉井作业前，地层加固应是首要考虑的工程技术问题，多数土地不能满足沉井所需要的承载能力，如果不经处理进行施工，势必造成地层沉陷及施工完成后地层出现连续沉降现象。

1 工程概况

某城市污水处理厂建设采用沉井方式进行井壁施工。其井壁还需与污水管道接驳，污水管道采用顶管施工方法。其位置结构图见图1。该工程现场施工空间狭小且交通量较大。施工场地需要进行交通导行和提前规划好施工方案。由于场地的限制，沉井前的地基处理工作应用高压旋喷的技术完成对土体加固的任务。以便工程开始后不会出现地层沉降的情况。

图1 沉井立面结构图

2 沉井验算

2.1 固结土理论

本工程沉井的计算依据来源于太沙基一维固结理论。在理论中认为，土体发生沉降由三种状态构成，首先土体进入初始沉降状态，随着沉降量的深入，土体进入到固结沉降状态，最后类似于金属屈服后强化，土体沉降还要经过一个次结状态[2]。

通常在计算沉井沉降问题上，仅是基于弹性理论做出初始沉降状态内的工况，容易忽视后两个发展状态对实际沉井的影响。将三种沉降状态联合起来分析，以期能够得到最真实的表征和计算沉井的有关情况。

2.2 模型推导分析

对沉井开始下沉进行力学受力分析，假设下沉前土体为饱和粘性土，事实上，做出这种假设是必要且符合工程实践的。因为在天然密实土体状态下，土层正是处于饱和状态，并且大多数沉降的基础条件是土层为非硬土或者是砂土，因此在粘弹性土中进行受力分析简化，是合适的。

因此，沉井井壁对于土层接触而言，应当是一圈均匀的均布荷载作用，沉井中心轴线为竖直向下的z 坐标轴。则可以得出

式中，kv为土的渗透系数；γw为饱和土中吸附的水的重度。通过公式（1）式可知，沉降量是土体深度z 和时间t的导数，同时在具象化过程中，它与饱和土中水的重度、土的渗透系数有关，二者的比值作为系数乘以土体压力对土体深度的二阶偏导数即是所需要的沉降变化趋势。

为了更好的方便工程计算，以有限整数阶级数的表达方式对公式（1）进行整理归纳。引入拉普拉斯变换[3]，将偏微分方程转换为方便求解的级数表达式

式中，m 值取奇整数，m=1，3，5，7，...，这是为保证级数所求复合工程实际情况，而不单单是推导出一个数学结果。式中e 指数的指数幂Tv表示时间因素，与固结有关；而Cv又与土的渗透系数和水重度有关，从而有下式计算等量关系。

通过以上分析计算，基于太沙基模型的分析，考虑土体固结效应，得出的状态见图2。

图2 考虑太沙基效应的不同状态的土体固结模型

由图2 可知，在考虑不同太沙基效应的分析下，土体压力情况的显著差异。土体压力随土层深度的增加呈现抛物线回归的态势很清晰。整体来看，一般情况下仅考虑初始沉降时，不同深度的土体压力值基本在0.02 MPa 以内；而当考虑太沙基效应后，整个曲线开始变得非常弯曲，其峰值分别达到0.08 MPa 及0.22 MPa 左右。

2.3 指数荷载作用

在沉井计算过程中，井壁起程时的外力以及浮沉的过程中的力学响应表征，需要进行力学模型的转化，以便于更好的研究。沉井荷载更接近于指数荷载[4]，其分布规律经统计测算可对沉井设置3 种施工进度下的工况：首节井壁起沉、中间段沉井下沉、最后一节沉井下沉。通过对3 种沉井施工过程进行土压和时间关系变化分析，来更好掌握，在指数荷载作用下的沉井对地基土体带来的变化趋势。根据结果绘制出时程曲线见图3。

图3 沉井引起土压随沉井时间变化曲线

由图3 可知，三个阶段沉井均有不同，但总体趋势一致。在初始起沉时，土体压力较中间段沉井和最终沉井最小，而随着沉井时间的增加，土体受力进一步传递，开始起沉阶段土压开始逐渐衰减，并处于中间段和最终沉井段以下。三者中最终沉井的土压变化在沉井中后期为最小，这表明沉井对土体扰动和基础沉降影响已经区域稳定[5]，不再有内力消耗，整个土体形成新的平衡状态。

3 沉降规律

3.1 太沙基固结条件下的土体沉降

选取本研究所述的某城市污水处理厂场地内沉井位置处土样，测试其基本参数，得出表1 的数据成果。

表1 某城市污水处理厂场地土样基本参数

根据取得的基本参数，进行缩尺室内试验，以研究该场地的土体沉降情况，基于理论时太沙基的三种状态下的沉降模式进行。对土体在侧向压力控制下进行竖向压力的测试，以读取土样在竖向压力作用下并且伴有侧壁围压状态下的土体沉降，得出的曲线见图4。

图4 不同质量的土样在同一环压下的沉降随施压作用时间变化图

由图4 可知：在不同质量土样的测定中，发现变化趋势一致但曲线各有发展路径，并不重合。这说明在同样直径和压力作用下，土层越深厚（即试验中表现的土块质量越大）沉降量整体倾向于越大。这和常规认识有所出入[6]，说明需要特别重视对沉井空间和深度的把控，即设计施工的沉井整个外井壁和沉井总深度。通过对这些参数的把握，可以针对性的采取地基土体加固措施，使得整个沉井施工对地面不会造成沉陷的危险及产生社会不良效应。

3.2 连续沉降控制

沉井过程会伴随地面沉降，而地面沉降对应土层中每一部分沉降，使不同土层在不同部位产生地层位移，由于不同土层土体性质不同，沉降会形成不均匀性，同时各层均会传递沉降量，因此沉降是一个土层相接的连续性运动，并且是一个持续性过程。对连续沉降的控制直接影响周边地面的环境与安全。根据本工程地勘报告及岩层土块测得物理参数情况，得到表2。根据表2 可以详细掌握不同土层的有关性质，根据这些性质能够定性的反映出土层对沉降的响应情况。

表2 不同土层物理参数表

对于连续沉降，是指所有土层在沉井开始后都会在同一时间同时发生沉降作用，因此地面的沉降是由地下各土层共同形成，是一个累加效应。基于淤泥及淤泥质土体所占空间达到7 m 厚的土层，因此在沉井的初期主要影响沉井下沉的土体因素是淤泥质土。由于在淤泥质土中，荷载传递没有在砂类土中传导快，因为淤泥质土透水性差，在一定含水状态下，淤泥质土无法正常排水，水在土中使得沉井下沉难于控制。在实际施工中务必注重降排水措施。

3.3 顶管接驳的沉降分析

本工程所依托的某城市污水处理厂沉井施工，其井壁在下沉中还需对其接驳位置进行精准控制，已保证采用顶管施工方法贯通的雨污水管能与沉井接驳，实现给排水功能。在有顶管事先竣工的条件下进行沉井，其难度较普通沉井更为复杂。主要体现在沉井不光要突破土层固有物理特性的阻挡持续下沉，还需要考虑已用顶管穿越，接驳位置能够精确对接。接驳的沉降规律为控制和分析，引入接驳差异乘数k，以表征在沉井下沉过程中，各种土体沉降叠加效应下，井壁与雨污水管口对接的比率。在正常情况下，对接应为100%对接，即相接处没有空隙和差异。而理论计算中，为真实反映对接质量，需要考虑差异乘数，即通常只能保证95%以上的对接。即

式中：S 为总沉降，单位是mm。ms为各沉降土层的叠加效应，取1.2 能够整体反映工程情况；ΔSi为各级土体的沉降值，本工程主要涉及淤泥、淤泥质土、粉砂、粗砂等土层。各层沉降值累加以后再与接驳差异乘数k 相乘，即得到考虑沉降规律的总沉降量。

由公式（4）直接求出沉降值，该沉降值考虑了不同土体的物理性质以及其产生的土层叠加效应；同时还考虑了穿越既有顶管管道口的对接影响，相比传统的沉降计算，引入的差异乘数k 有效的提高了沉井沉降计算，对于沉井工程验算具有重要指导和实践意义。

4 结论

（1） 基于固结土理论，提出采用全阶段的太沙基模型进行沉井过程刻画，三阶段的完整计算最能客观反映土体受载后的真实情况，其沉降量与真实工程实践最为逼近。建议沉井验算可采用全阶段计算，效果更好。

（2） 对沉井下沉过程中的主动力进行分析与归纳，找到指数荷载最为接近沉井的受力工况，通过试验结果得出，从开始起沉到最终完成沉井阶段沉井作用时间与土压存在共性变化特征，并且均服从起沉阶段土压逐渐达到峰值，随后不断衰减至没有土压，形成新的地下土层间的平衡状态。

（3） 针对某沉井工程现场土层实际情况，分析出连续沉降控制办法及有顶管接驳条件下的沉井沉降控制方法，并通过提出接驳差异乘数来更为准确的计算沉井下沉控制和综合连续沉降值的把握，效果良好，可以用于工程施工计算设计中。