不同含水层岩性沉降经验修正系数的研究

王秀丽，刘思源，姚晨钢（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

不同含水层岩性沉降经验修正系数的研究

王秀丽，刘思源，姚晨钢
（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

为了较为准确地计算降水施工引起的地面沉降值，本文选取大量地铁降水施工中沉降监测数据，并利用最小二乘法对数据进行处理分析。针对不同岩性事先给定经验系数，然后，将此经验系数计算出数据值与处理后沉降实际监测数据进行对比分析，并进行误差统计分析，如果符合最大概率法分布规律，那么此经验系数符合实际情况，可用；如果不符合最大概率法分布规律，那么此经验系数不符合实际情况，不可用，返回上一步，重新给定经验系数。最终，计算出不同岩性对应的修正系数取值范围，对北京地区降水影响范围内的各类地层，提出一个较为适当的修正系数。研究成果将为工程技术人员对降水引起的地面沉降，进行预测提供参考依据。

降水；含水层岩性；经验修正系数

0　前言

降水引起的沉降经验系数，在之前一些规范上没有区分不同含水层不同经验系数，而是统一规定，应根据地区工程经验取值，无经验时取1，现本文研究针对不同含水层取相应的经验修正系数，但该修正系数在选取时大多数根据人为经验选取，受人为影响大，且准确性不可把控。因此，对该修正系数的选取需要进行理论研究分析。

本文结合多年地铁降水施工实例，参考地铁勘察报告以及降水施工设计成果，选取大量降水施工沉降监测数据，并采用最小二乘法对数据进行处理，消除误差干扰（鲜思东，2010）。然后，将实际监测数据与通过经验选取修正系数计算出的沉降值进行对比分析，分析其误差相互独立，分布规律符合正态分布。最终，采用分层总和法（建筑桩基技术规范，2008）确定了不同地层对应的修正系数取值区间（城市建设工程地下水控制技术规范，2014），为降水工程技术引起的地面沉降预测选取适当值提供依据。该研究成果，已于2014年8月编制于《城市建设工程地下水控制技术规范》中。

1　目的与任务

多年以来，岩土工程技术人员在进行由降水施工引起的周边地面沉降预计算时，常使用分层总和法计算公式，即：

式中：S——降水引起的地层变形量（mm）；

ψW——沉降计算经验系数，应根据地区工程经验取值；

Δpi——降水引起的地面下第i土层中点处的附加有效应力（kPa）；

Δhi——第 层土的厚度（m）；

Esi——第 层土的压缩模量（kPa）；应取土的自重应力至自重应力与附加有效应力之和的压力段的压缩模量值。

由于降水引起的沉降在计算上不同于超载引起的沉降，因此，在经验修正系数的选取上没有一个固定标准，受人为影响很大。在本次研究过程中，要求对北京地区降水影响深度范围内的各类地层提出一个较为适当的修正系数，以供工程技术人员对降水引起的地面沉降进行预测。

2　存在问题

在以往的降水工程中，有很多针对单个工程进行的沉降监测分析工作，但这些工作往往存在以下问题：①缺发系统性总结，不同地质条件下降水引起的沉降差异很大，没有将单个工程和水文地质、工程地质单元结合起来分析；②监测成果缺乏系统性，在基坑工程中为了节省成本，降水沉降发展期没有加密监测，降水沉降没有稳定便停测等情况时有发生；③受各种影响因素较大，尤其是基坑变形、地下工程开挖引起的沉降等，使降水沉降监测数据受干扰较大；④受专业所限，降水设计单位和降水施工单位很难在一起对降水引起的沉降进行全面系统分析。

由于上述问题的存在，过去针对降水工程引起的沉降问题缺乏较系统的研究（黄志仑，2002），对沉降预测值和实际监测值的对比分析工作仅停留在单个工程上，对公式中的修正系数研究几乎是零。

3　研究技术路线及方法

本次对沉降预测计算修正系数研究工作的技术路线，如图1。

由于北京地铁降水工程的施工周期较长，对应北京地区的各类地层较全面，水文地质条件、工程地质条件相对较清楚，而且降水引起沉降的监测资料多且完整，因此本次研究工作主要收集地铁的勘察、降水设计、降水施工沉降监测等资料。

对收集到的降水沉降监测点资料要进行筛选，大部监测资料存在被其它因素干扰、异常中断、缺失、基准点被破坏造成数据异常等问题，只有通过筛选后确定的较完整的序列监测资料才能使用。

对确定的沉降监测序列资料要进行最小二乘法分析，消除观测误差，以避免观测误差的波动影响沉降监测取值。

初步给定一组修正系数ψi后，根据勘察资料和降水设计中水位降深（北京地区建筑地基基础勘察设计规范，2009）要求，利用分层总和法计算所有监测点的预测沉降值。

将计算的预测沉降值和实际监测的沉降值进行对比误差分析，若误差绝对值小于3mm的点占总监测点数的50%以上时，我们认为修正系数可以满足要求，否则认为不满足要求，还需对修正系数进行更合理的调正，再重新进行计算，循环往复，至到选取的修正系数满足要求为止。

4　施工降水沉降监测

4.1降水沉降监测点的选取

本次研究工作通过对原始施工降水沉降监测资料进行筛选后，共选取了北京地铁6号线一期3站2区间、6号线二期1站、9号线1站、14号线3站3区间等49个监测点。各监测点的具体情况见表1。

以上降水沉降监测点的选择，除了其监测资料序列相对完整以外，基本没有受到外界因素的影响，而且能代表北京地区的30m以上的主要含水层情况。

4.2沉降监测数据的处理

图1　技术路线图Fig.1 Technology Roadmap

图2　降水沉降监测数据处理Fig.2 Dewatering settlement monitoring data

表1　筛选确定的沉降监测点基本情况表Tab.1 Screening to determine of settlement monitoring points the basic conditions sheet

由于降水沉降监测周期较长，地面布设的监测点难以保护，因此我们一般选取布置在建筑物上较稳定的监测点。图2为一个较完整的水位降深为3.75m（潜水）的降水沉降监测序列数据。

由于在施工降水沉降监测过程中，操作人员、仪器设备以及周边环境等影响因素都会产生测量误差，使数据产生波动，为了消除这种误差，采用最小二乘法对数据进行处理，将处理后的数据再取其最大值作为沉降监测的最大沉降值。

在本次研究中对所选的49个监测点数据都进行了如上所述的数据处理。

5　误差分析

综合考虑土层压缩模量、固结度、水位降深等因素后，给定一个初始的经验修正系数，然后采用分层总合法计算所有选取的沉降监测点的预测沉降值。确定所有沉降点计算值（给出经验值计算得出预测结果）和对应的监测点沉降监测值（实际观测结果）其误差绝对值小于3mm的点数占总点数的比例大于50%以上时，计算方可结束。

根据所选的49个监测点计算结果，其误差绝对值（单位为mm）的分布情况为：

［0，3）占总点数57%

［3，5）占总点数17%

［5，7）占总点数14%

［7，9）占总点数6%

≥9 占总点数6%

表2　分层总和法计算沉降修正系数建议值Tab.2 calculation of settlement correction factorusing layer wise summation method

根据上述计算值和实测值误差绝对值的统计分析，可认为其误差分布近似正态分布，即误差之间是相互独立的，没有规律。误差分布在［0，3）区间的数量大于50%，认为这种分布是满足要求的，在此基础上确定的修正系数，基本能代表北京地区30m以上含水层在计算降水引起沉降时对沉降值的合理修正，因此，我们提出在采用分层总和法计算降水引起沉降时修正系数的建议值见表2。

6　结论

上述修正系数为综合经验修正系数，考虑因素包括土层压缩模量、固结度、水位降深等，使用时还要根据实际情况进行调整；

北京地区还有很多特殊地质条件下的降水，选取修正系数时应根据群孔抽水试验（建筑基坑支护技术规程，2012）对沉降监测的数据来进行调正；

对于降水期间由于抽水带出大量细颗粒物质后，引起的地面沉降不能采用该方法进行计算（李志平，2008） 。

针对不同地层确定了不同的修正系数，现对分层总和法提出修正，应为为上表2“分层总和法计算沉降修正系数建议值”。

［1］鲜思东. 概率论与数理统计［M］. 北京：科学出版社，2010.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）［S］. 2008.

［3］北京市规划委员会北京市质量技术监督局. 城市建设工程地下水控制技术规范（DB11/1115-2014）［S］. 2014.

［4］黄志仑. 关于地下建筑物的地下水扬力问题分析［J］. 岩土工程技术，2002（5）：273～274.

［5］北京市规划委员会. 北京地区建筑地基基础勘察设计规范（DBJ11-501-2009）［S］. 2012.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-2012）［S］. 2012.

［7］李志平. 基坑降水引起的地面沉降分析［D］.中南大学，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

王秀丽（1982- ），女，硕士，工程师，主要从事岩土工程方向研究。电子邮箱：wangyu1982714@163.com