不同含水層巖性沉降經驗修正系數的研究

王秀麗，劉思源，姚晨鋼（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

不同含水層巖性沉降經驗修正系數的研究

王秀麗，劉思源，姚晨鋼
（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

為了較為準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測數據，并利用最小二乘法對數據進行處理分析。針對不同巖性事先給定經驗系數，然后，將此經驗系數計算出數據值與處理后沉降實際監測數據進行對比分析，并進行誤差統計分析，如果符合最大概率法分布規律，那么此經驗系數符合實際情況，可用；如果不符合最大概率法分布規律，那么此經驗系數不符合實際情況，不可用，返回上一步，重新給定經驗系數。最終，計算出不同巖性對應的修正系數取值范圍，對北京地區降水影響范圍內的各類地層，提出一個較為適當的修正系數。研究成果將為工程技術人員對降水引起的地面沉降，進行預測提供參考依據。

降水；含水層巖性；經驗修正系數

0　前言

降水引起的沉降經驗系數，在之前一些規范上沒有區分不同含水層不同經驗系數，而是統一規定，應根據地區工程經驗取值，無經驗時取1，現本文研究針對不同含水層取相應的經驗修正系數，但該修正系數在選取時大多數根據人為經驗選取，受人為影響大，且準確性不可把控。因此，對該修正系數的選取需要進行理論研究分析。

本文結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計成果，選取大量降水施工沉降監測數據，并采用最小二乘法對數據進行處理，消除誤差干擾（鮮思東，2010）。然后，將實際監測數據與通過經驗選取修正系數計算出的沉降值進行對比分析，分析其誤差相互獨立，分布規律符合正態分布。最終，采用分層總和法（建筑樁基技術規范，2008）確定了不同地層對應的修正系數取值區間（城市建設工程地下水控制技術規范，2014），為降水工程技術引起的地面沉降預測選取適當值提供依據。該研究成果，已于2014年8月編制于《城市建設工程地下水控制技術規范》中。

1　目的與任務

多年以來，巖土工程技術人員在進行由降水施工引起的周邊地面沉降預計算時，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——沉降計算經驗系數，應根據地區工程經驗取值；

Δpi——降水引起的地面下第i土層中點處的附加有效應力（kPa）；

Δhi——第 層土的厚度（m）；

Esi——第 層土的壓縮模量（kPa）；應取土的自重應力至自重應力與附加有效應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，在經驗修正系數的選取上沒有一個固定標準，受人為影響很大。在本次研究過程中，要求對北京地區降水影響深度范圍內的各類地層提出一個較為適當的修正系數，以供工程技術人員對降水引起的地面沉降進行預測。

2　存在問題

在以往的降水工程中，有很多針對單個工程進行的沉降監測分析工作，但這些工作往往存在以下問題：①缺發系統性總結，不同地質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、工程地質單元結合起來分析；②監測成果缺乏系統性，在基坑工程中為了節省成本，降水沉降發展期沒有加密監測，降水沉降沒有穩定便停測等情況時有發生；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，使降水沉降監測數據受干擾較大；④受專業所限，降水設計單位和降水施工單位很難在一起對降水引起的沉降進行全面系統分析。

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的研究（黃志侖，2002），對沉降預測值和實際監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研究幾乎是零。

3　研究技術路線及方法

本次對沉降預測計算修正系數研究工作的技術路線，如圖1。

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

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

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

初步給定一組修正系數ψi后，根據勘察資料和降水設計中水位降深（北京地區建筑地基基礎勘察設計規范，2009）要求，利用分層總和法計算所有監測點的預測沉降值。

將計算的預測沉降值和實際監測的沉降值進行對比誤差分析，若誤差絕對值小于3mm的點占總監測點數的50%以上時，我們認為修正系數可以滿足要求，否則認為不滿足要求，還需對修正系數進行更合理的調正，再重新進行計算，循環往復，至到選取的修正系數滿足要求為止。

4　施工降水沉降監測

4.1降水沉降監測點的選取

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

以上降水沉降監測點的選擇，除了其監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的30m以上的主要含水層情況。

4.2沉降監測數據的處理

圖1　技術路線圖Fig.1 Technology Roadmap

圖2　降水沉降監測數據處理Fig.2 Dewatering settlement monitoring data

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

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

由于在施工降水沉降監測過程中，操作人員、儀器設備以及周邊環境等影響因素都會產生測量誤差，使數據產生波動，為了消除這種誤差，采用最小二乘法對數據進行處理，將處理后的數據再取其最大值作為沉降監測的最大沉降值。

在本次研究中對所選的49個監測點數據都進行了如上所述的數據處理。

5　誤差分析

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

根據所選的49個監測點計算結果，其誤差絕對值（單位為mm）的分布情況為：

［0，3）占總點數57%

［3，5）占總點數17%

［5，7）占總點數14%

［7，9）占總點數6%

≥9 占總點數6%

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

根據上述計算值和實測值誤差絕對值的統計分析，可認為其誤差分布近似正態分布，即誤差之間是相互獨立的，沒有規律。誤差分布在［0，3）區間的數量大于50%，認為這種分布是滿足要求的，在此基礎上確定的修正系數，基本能代表北京地區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的建議值見表2。

6　結論

上述修正系數為綜合經驗修正系數，考慮因素包括土層壓縮模量、固結度、水位降深等，使用時還要根據實際情況進行調整；

北京地區還有很多特殊地質條件下的降水，選取修正系數時應根據群孔抽水試驗（建筑基坑支護技術規程，2012）對沉降監測的數據來進行調正；

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

針對不同地層確定了不同的修正系數，現對分層總和法提出修正，應為為上表2“分層總和法計算沉降修正系數建議值”。

［1］鮮思東. 概率論與數理統計［M］. 北京：科學出版社，2010.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑樁基技術規范（JGJ94-2008）［S］. 2008.

［3］北京市規劃委員會北京市質量技術監督局. 城市建設工程地下水控制技術規范（DB11/1115-2014）［S］. 2014.

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

［5］北京市規劃委員會. 北京地區建筑地基基礎勘察設計規范（DBJ11-501-2009）［S］. 2012.

［6］中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑基坑支護技術規程（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，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