地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (2): 221-231
引用本文
王庆兵, 黄强兵, 闫钰丰, 杨招, 胡士伟, 雷建. 地裂缝场地施工降水对地表沉降和地层应力的影响研究[J]. 地质力学学报, 2020, 26(2): 221-231.
WANG Qingbing, HUANG Qiangbing, YAN Yufeng, YANG Zhao, HU Shiwei, LEI Jian. Study on influence of construction precipitation on surface settlement and stratum stress on the ground fissure site[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(2): 221-231.
地裂缝场地施工降水对地表沉降和地层应力的影响研究
王庆兵1, 黄强兵2, 闫钰丰3, 杨招2, 胡士伟1, 雷建1    
1. 北京市政路桥集团(股份)有限公司, 北京 100071;
2. 长安大学 地质工程系, 陕西 西安 710054;
3. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064
摘要:地裂缝是西安市典型的城市地质灾害,地下水位的变化是诱发地裂缝活动的重要因素。以西安地铁六号线暗挖段施工降水为研究背景,基于有限元数值模拟计算,分析了地裂缝场地施工降水引起的地表沉降规律和地层应力变化特征。计算结果表明:当地下水位下降时,地表沉降量上盘大于下盘,地裂缝带两侧地表存在差异沉降的现象,最大差异沉降量与地下水位下降深度近似呈直线关系;不同位置处地表的横向沉降呈现出"Z"形的变化特征,差异沉降区随地裂缝位置的变动而变化,且差异沉降量与横向地表位置近似呈二次函数曲线关系;地层竖向应力随着地下水位下降而增大,地裂缝位置处地层应力存在突变现象,上下盘应力影响区与地层深度近似呈三次函数曲线关系;基于分层总和法计算了地下水位下降时地表沉降量的解析解,并与数值模拟结果进行对比,发现两种方法计算结果基本一致,得到了计算地表最大沉降量的经验公式。研究结果可为地裂缝场地地铁隧道及其他地下工程安全施工提供科学指导。
关键词施工降水    地裂缝场地    数值模拟    分层总和法    地表沉降    地层应力    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.02.021     文章编号:1006-6616(2020)02-0221-11
Study on influence of construction precipitation on surface settlement and stratum stress on the ground fissure site
WANG Qingbing1, HUANG Qiangbing2, YAN Yufeng3, YANG Zhao2, HU Shiwei1, LEI Jian1    
1. Beijing Municipal Road & Bridge Group Co, . Ltd, Beijing 100071, China;
2. Department of Geological Engineering, Chang'an University, Xi'an 710054, Shannxi, China;
3. School of Highway, Chang'an University, Xi'an 710054, Shannxi, China
Abstract: Ground fissure is a typical urban geological disaster in Xi'an city, and the change of groundwater level is an important factor in inducing ground fissure activity. Taking construction precipitation in underground excavation section of Xi'an Metro Line 6 as the engineering background, based on the finite element numerical simulation, the surface settlement law and strata stress variation characteristics caused by construction precipitation on ground fissure site were analyzed. The research results show that when groundwater level falls, the surface settlement deformation of the hanging wall is greater than that of the footwall, and there is a phenomenon of differential settlement on both sides of the ground fissure zone. The maximum differential settlement is approximately in a linear relationship with the depth of the groundwater level decline. At different positions, the lateral surface settlement curve shows a "Z" shape. The differential settlement area changes with the position of ground fissures, and the curve shows quadratic function between differential settlement and lateral position. In addition, with the groundwater level falling, the vertical stress of the stratum increases with the decrease of the underground water level, and there is a sudden change in the stratum stress at the location of the ground fissure and curve shows cubic polynomial function between stress affected area and depth. Based on the layer-wise summation method, the analytical solution of the surface settlement when the groundwater level falls is calculated. By comparing the calculation results with that of the numerical simulation, it shows a basic consistency, and the empirical formula for calculating the maximum surface settlement is obtained. The research results can provide scientific guidance for the safe construction of underground tunnel and other underground projects on ground fissure sites.
Key words: construction precipitation    ground fissure site    numerical simulation    layer-wise summation method    surface settlement    stratum stress    
0 引言

自20世纪50年代西安出现第一条地裂缝后,许多专家和学者对诱发西安地裂缝的成因以及地裂缝的活动性等方面开展了大量研究。到目前为止,西安市出现的14条地裂缝横贯整个市区,分布面积达250 km2,总长超过了150 km,规模之大,世界罕见(刘国昌, 1986; 王景明, 2000; 彭建兵等, 2012, 2017)。随着“西部大开发”和“一带一路”国家战略的实施,西安市的城市地铁、地下管廊等地下空间工程正处于快速发展阶段,这些地下工程施工前的降水工作(降低地下水位)是保证工程安全和顺利进行的前提,然而地裂缝场地施工降水可能诱发地裂缝的活动,使地裂缝场地地层及地表出现差异沉降,导致地铁隧道、地下综合管廊等地下工程施工安全事故发生,并引起附近地表建(构)筑物的变形开裂、破坏及地下空间工程破坏(Wang et al., 2016)。

关于地下水与地裂缝之间相互作用的关系,国内外均有报道。许多学者通过大量地质调查认为地裂缝是构造作用控制下,辅以开采地下水而形成的地质灾害,进而提出了复合成因的观点(Feth, 1951; Fletcher et al., 1954; Holzer, 1981, 1984; 易学发, 1981)。此后, Rothenburg et al.(1995)以多孔弹性半无限空间体应变解析为基础,推导了计算地下水变化时地层的位移和应变的解析公式;Burbey (2010)开展了开采地下水对已有断裂的影响的研究工作,通过分析地层位移、拉张应力和剪切应力确定了地裂缝可能出现的位置。Hernandez-Marin and Burbey (2010)基于Abaqus有限元软件对抽水引起的地裂缝活动开展了研究分析;徐光黎等(1992)则对过量开采地下水和地裂缝之间的关系进行了定量分析,认为抽取地下水对地裂缝活动量的贡献占80%~95%,构造作用产生的活动量仅占5%~20%;李新生等(2001)在分析了抽水引起地下水位变化和对地层固结影响的基础上,应用Verhulst模型对西安地裂缝的活动趋势进行了预测分析;王学滨等(2001)基于快速拉格朗日法研究了孔隙压力变化对岩土体应力场的影响作用;王庆良等(2002)基于Darcy-Gersevanov理论,推导了单点抽水作用下含水层水平运动和应变表达式,提出了抽水作用下地裂缝成因的新机理;蒋臻蔚等(2011, 2012)基于有限元数值模拟计算研究了水作用下(如抽水、降雨和灌溉等)诱发地裂缝的机制;汪丽等(2019)通过开展大型原位现场浸水试验,分析了地表水作用下隐伏地裂缝扩展机理。近年来,随着西安地铁及地下综合管廊的建设,国内许多学者通过数值模拟、模型试验和理论分析等方法,探究了地裂缝活动对地铁、地下综合管廊等地下工程的影响机制,提出了跨地裂缝带的工程防治措施,为地裂缝发育地区地铁工程建设提供了理论依据(黄强兵等, 2008, 2009a, 2016, 2018; 范文等, 2008; 吴明等, 2015; Peng et al, 2017; 范文东, 2017; 陈星等,2018闫钰丰等, 2018; 胡志平等, 2019杨龙伟等,2019)。

目前国内外有关地裂缝与地下水之间的关系研究,主要集中在地下水诱发地裂缝成因机制及地裂缝活动对地铁隧道影响等方面,而对地裂缝发育场地工程施工降水对地裂缝及其附近地层及地表沉降、地层应力场的影响则鲜有报道。本文以西安市地铁六号线穿越f8地裂缝场地暗挖施工超前降水为研究对象,基于有限元数值模拟,开展地裂缝场地施工降水对地表沉降与地层应力场的影响研究,以期揭示地下水变化对地裂缝活动的影响机制,为地裂缝场地地铁隧道等地下工程施工降水、安全施工及防灾减灾提供科学依据和技术指导。

1 工程背景 1.1 工程概况

西安地铁六号线位于西安市西南至东北主通道上,线路先后通过长安区、雁塔区、碑林区、莲湖区、新城区以及灞桥区等6个行政区。总体呈西南至东北走向,全长19.71 km,共设立车站15座。地铁六号线平面分布如图 1所示,其中丈八四路站—丈八一路站区间(暗挖段)位于西安市锦业路地下(图 2),里程范围为ZDK21+855.965~ZDK22+020.965,本区间有f8地裂缝穿过,区间隧道采用浅埋暗挖法施工。距场地相对较近的3栋高层建筑物分别为粤汉国际、盈越国际、绿地国际俱乐部,f8地裂缝该段走向约NE43°,倾向南东,倾角约80°,与线路夹角47°。拟建暗挖隧道主要穿越人工填土、粉质粘土、中砂、局部薄砂层粉细砂及粉土透镜体等(图 3)。地下水位位于地面以下8.0 m,设计降水高度15 m,超前降水不少于20天。

图 1 西安地铁六号线规划图 Fig. 1 The planning map of Xi′an Metro Line 6

图 2 f8地裂缝场地暗挖施工段平面图 Fig. 2 The plan diagram of underground excavation construction of shallow tunnel crossing f8 ground fissure site

图 3 地层模型示意图 Fig. 3 The schematic diagram of the stratigraphic model
1.2 f8地裂缝

f8地裂缝西起石羊村东北侧,东至岳家寨附近尖灭,f8地裂缝可大致划分为西段、中段和东段,总体走向NE75°~85°,倾向南东,发育带宽度达30 m,总长度25.4 km。该地裂缝西段与地铁六号线交于亚迪路与锦业二路路口以北200 m亚迪路上,该段地裂缝活动性较强,在亚迪路路面上有出露(图 4);f8地裂缝中段与地铁六号线交于锦业路与丈八四路路口东390 m处,经调查该段地裂缝活动性较弱未出现出露现象;f8地裂缝东段与地铁六号线线路交于唐延路陕西妇女儿童活动中心西门口,在唐延路路面可见一条长4 m,宽1 cm裂缝(图 5),可以判断f8地裂缝在该段的活动性中等,对地铁六号线的影响较大。

图 4 f8西段在亚迪路出露 Fig. 4 Fissures at the west section of f8 are exposed on the Yadi Road surface

图 5 f8东段在唐延路出露 Fig. 5 Fissures at the east section of f8 are exposed on the Tangyan Road surface

而f8地裂缝在地铁六号线丈八三路—锦业路地段处于隐伏状态,活动性微弱,从西安地裂缝发展阶段来看,该段地裂缝处于相对稳定阶段。根据监测资料,目前该地段的f8地裂缝在现有的地质环境条件下,预计其活动速率小于等于2 mm/a,整体活动趋缓具有波动特征,应持续加强监测。为了研究该处施工降水对该处隐伏地裂缝可能产生的影响,本次重点考虑施工降水对地裂缝附近地层及地表沉降的影响规律,为后续地裂缝地段施工降水对地铁隧道施工沉降控制方案制定提供科学依据。

2 有限元计算模型的建立 2.1 有限元计算模型

以地铁六号线丈八四路站—丈八一路站区间(暗挖段)降水施工为研究对象,建立地层地裂缝-地下水流固耦合数值计算模型,如图 6所示。模型尺寸为:长×宽×高=120 m×70 m×50 m,即竖向z为50 m,水平向x为70 m,纵向y为120 m。初始地下水位埋深8 m,根据该区间暗挖施工方案设计降水15 m,即降至地表以下23 m,地层土体采用实体单元,并遵从Mohr-Coulomb本构关系,计算时仅考虑地下水下降引起的固结作用,不考虑时间及自重等因素对固结沉降的影响,通过降低孔隙水压力来实现地下水位的下降。三维有限元计算模型共划分了148659个单元,136873个节点。

图 6 有限元计算模型 Fig. 6 Finite element calculation model
2.2 地裂缝模拟

现场调查发现,西安地裂缝带常常填充粉土、细砂等物质,活动时地裂缝的上、下盘之间发生相对滑动、滑移或张裂,进而产生楔形开裂、沉降等现象。在有限元中Interface单元可以模拟单元间的相对滑动、滑移、拉张或挤压等力学过程。本次采用Interface单元来模拟地裂缝的结构特性,并通过控制法向刚度(kn)、剪切刚度(kt)、内聚力(c)和内摩擦角(φ)四个参数进行控制。彭建兵等(2012, 2017)在土工试验基础上建议西安地裂缝带土体内摩擦角取φ=18°,内聚力取c=10 kPa。而knks的取值可根据下式进行计算取值:

$ k_{n}=k_{s}=10 \max \left[\frac{\left(K+\frac{4}{3} G\right)}{\Delta z_{\min }}\right] $ (1)

其中,K是体积模量,G是剪切模量,Δzmin是接触面法向方向上连接区域的最小尺寸,具体参数取值见表 1

表 1 地裂缝参数表 Table 1 Parameters of the ground fissure
2.3 计算工况及参数选取

地裂缝场地主要地层为杂填土、黄土状土、3层粉质粘土,地下水位以下地层采用饱和重度,地下水位以上采用天然重度,根据勘察报告各地层物理力学参数如表 2所示。

表 2 地层计算参数 Table 2 Calculation parameters of strata

地裂缝场地地下水位埋深8.0 m,地铁暗挖施工设计降水高度为15 m,计算时分3种工况进行降水:地下水位下降量s=3 m、6 m、9 m、12 m和15 m,具体的模拟计算步骤如图 7所示。

图 7 有限元计算流程图 Fig. 7 Finite element calculation flow chart
2.4 数值模拟监测点布置

为探究地裂缝场地施工降水对地层沉降变形等方面的影响,文章重点从地表纵向、横向变形特征和竖向地层应力变化两方面入手,位移测线布置图如图 8a所示,主要监测地表纵向和不同位置处横向位移变化特征,地层竖向地层应力监测线布置图如图 8b所示,主要监测不同深度处地层应力随地下水位下降的变化规律。

图 8 模型监测线布置图 Fig. 8 Measuring lines layout of the model
3 计算结果分析 3.1 地表沉降变化特征

地下水位下降量s=3 m、6 m、9 m、12 m和15 m时的地表纵向位移曲线如图 9所示。当地下水位下降时上盘地表相较于下盘有更为明显的沉降变形,并在地裂缝带处出现突变现象,地表沉降变形呈现出“台阶”状,地下水位下降的越多地表的沉降变形量就越大,当地下水位下降15 m时地裂缝场地上盘地表最大沉降量约为15.1 mm,下盘地表最大沉降量为6.8 mm。同时,由于在地裂缝带处地表沉降变形存在突变的现象,导致在地裂缝两侧的地表出现明显的差异沉降,差异沉降量随地下水位的下降而增大,最大差异沉降量约为3.43 mm,且在上盘距地裂缝23.6 m、下盘距地裂缝10.7 m的范围内地表有明显的沉降变形。由地表纵向地裂缝带两侧差异沉降量随地下水变化的曲线图(图 10),可以看到地裂缝场地地下水位下降深度与地裂缝两侧地表差异沉降量与近似呈直线关系,相关系数r=0.9967,拟合度较高即:d=a+bs (2)式中,d为纵向地裂缝两侧地表差异沉降量,mm;s为地下水位下降深度,m;a,b为方程参数,常数。

图 9 地表纵向沉降曲线 Fig. 9 Curves of the longitudinal surface settlement

图 10 地表差异沉降量与地下水位变化曲线图 Fig. 10 Curves of the surface differential settlement and groundwater level change

文中研究区间拟合曲线为:

$ d_{\text {纵}}=-0.24-0.211 s $ (3)

由地下水位下降量s=3 m、6 m、9 m、12 m和15 m时不同位置处地表横向沉降曲线图可以看出(图 11),地表横向沉降曲线呈现出明显的“Z”字形的变形特征,上盘地表沉降量明显大于下盘,地表沉降量随地下水位的下降而增大。同时,地裂缝两侧的地表差异沉降区的位置随地裂缝位置的变动而变动,不同位置差异沉降量不同,越靠近地裂缝上盘差异沉降量越大,反之则越小,最大差异沉降量为7.25 mm。为了便于量化分析,提取各位置处不同水位下的地裂缝带差异沉降量并进行曲线拟合,可以发现不同位置处地裂缝场地横向地表差异沉降量与地表横向位置近似呈二次曲线关系(图 12),即:

$ d_{\text {横 }}=c+d x+e x^{2} $ (4)
图 11 不同位置处地表横向沉降曲线 Fig. 11 Lateral surface settlement curves at different positions

图 12 不同位置地表差异沉降曲线图 Fig. 12 Surface differential settlement curves at different positions

式中,d为地裂缝两侧地表差异沉降量,mm;x为地表横向位置,取值应在地裂缝区间,m;cde为方程参数,常数。

类似地,文中研究区间拟合曲线为:

$ \begin{aligned} d_{\text {横 }}=-17.82+0.3465 x-0.0017 x^{2} \\ (22.2 \mathrm{m} <x<97.5 \mathrm{m}) \end{aligned} $ (5)
3.2 地层应力变化规律

地下水位下降量s=3 m、6 m、9 m、12 m和15 m时不同深度h=5 m、10 m、15 m、20 m和25 m处地层的竖向应力曲线如图 13所示,不同深度处地层的竖向应力随地下水位的下降而增大,但竖向应力的增量较小。同时,在下盘存在应力增大区,在上盘存在应力减小区,地裂缝带处存在应力突变现象,施工降水引起的这种地层应力变化具有类似地裂缝错动引起地层应力的变化规律(黄强兵等,2009b)。此外,降水作用下地层应力的变化规律可以用来解释地表存在差异沉降的原因,首先由于地下水位的下降,导致地裂缝两侧土体的竖向应力存在较大的应力差,进而地裂缝两侧就存在一定大小的应变差值,这样的差值反映在计算结果上就是地裂缝两侧有明显的差异沉降。

图 13 不同深度处地层竖向应力曲线 Fig. 13 Vertical stress curves of strata at different depths

由地裂缝带不同深度上、下盘地层地应力影响范围可知(表 3),地裂缝场地施工降水对上下盘地层应力影响区随地层深度增大而减小,对上下盘应力影响区进行曲线拟合可以看到,上盘下盘以及总影响区与地层深度均近似呈现出三次曲线的关系,相关系数r=0.99989,可见拟合度较高(图 14),即:

$ L=a^{\prime}+b^{\prime} h+c^{\prime} h^{2}+d^{\prime} h^{3} $ (6)
表 3 不同地层深度应力影响区 Table 3 The stress affected areas at different depths

图 14 应力影响区随地层深度变化关系曲线 Fig. 14 Correlation curves of stress affected zone with depth

式中,L为地应力影响区,m;h为地层深度,m;a′,b′,c′,d′为方程参数,常数。

具体到本研究区间其关系为:

$ L_{总}=51.67-4.889 h+0.297 h^{2}-0.0062 h^{3} $ (7)
3.3 基于分层总和法的地表沉降解析

分层总和法是用于计算地基沉降的基本方法,

广泛应用于工程实际中,其基本原理为地层的平均沉降量S为各分层土的沉降量Si之和,即:

$ S=\sum\limits_{i=1}^{n} S_{i} $ (8)

分层总和法计算简图如图 15所示。施工降水导致地下水位下降,使得土体的有效应力增大,必然导致土体沉降变形。本次分析的暗挖区间地裂缝场地地层除杂填土外,黄土状土和粉质粘土均属于粘性土,当地下水位下降时粘性土的孔隙水并不会完全消散,但本次计算考虑结果的最大值,故在计算时认为当地下水位下降后粘性土的

图 15 地层沉降计算模型示意图 Fig. 15 Diagram of the calculation model of surface settlement

孔隙水完全消散,且不考虑杂填土的降水和固结影响。因此根据分层总和法基本原理得到地下水位下降引起的地表沉降量为:

$ S_{i}^{\prime}=\frac{a \Delta p}{1+e_{i}} h=\frac{\Delta p}{E} h $ (9)

式中,a是压缩系数,ei是降水后土体的孔隙比,E为土体的压缩模量,h是地层厚度,Δp是土层所受竖向应力的合力。

公式(9)即为地下水位下降引起各层土体沉降变形的解析解,将结果代入到公式(8)中即可得施工降水引起地表沉降的解析解。在本次施工降水中,初始地下水位在地表以下8 m,降水后降至地表以下23 m,地下水位的变化主要影响到黄土状土和粉质粘土①,沉降量也主要集中在这两层,将岩土体各参数代入上述公式可得地下水位下降时各土层的沉降变形量,具体值见表 4

表 4 地层沉降变形计算结果表 Table 4 Calculation results of the surface settlement deformation

从表中可以看出,当地下水位下降不同深度时采用分层总和法计算出的地表最大沉降量与数值模拟计算结果基本一致,最大误差量只有1.50 mm,而最小误差量仅有0.06 mm。由两种计算结果的对比曲线可以看到(图 16),地下水位下降3 m至9 m时,两种方法计算结果几乎相同,误差很小,而当地下水位下降至9 m至15 m时,两种方法所计算的结果就有一定误差,表现为数值模拟结果略大于解析解,不过误差较小,这表明采用分层总和法计算地下水位下降时地表沉降量是可行的。

图 16 两种计算方法对比 Fig. 16 Comparison of the results of two computing methods
4 结论

(1) 地裂缝场地施工降水引起上盘地表沉降明显大于下盘,地表呈现出台阶状的差异沉降变形特征,地表最大差异沉降量与地下水位下降深度呈近似线性关系。

(2) 当地下水位下降时,地裂缝场地上下盘不同位置横向地表沉降曲线呈现出“Z”字形变化趋势,且上下盘地表横向差异沉降量与地表横向位置近似呈现出二次函数关系曲线特征。

(3) 当地下水位下降时,同一深度处土体的竖向应力随水位的下降而增大,但竖向应力的增量较小,在地裂缝两侧存在下盘应力增大区和上盘应力减小区,竖向应力在地裂缝带处有突变的情况,上下盘应力影响区与地层深度呈三次函数关系。

(4) 基于分层总和法对施工降水作用下地表沉降变形量进行了理论计算,与数值模拟结果基本一致,拟合获得了施工降水引起地表最大沉降量的计算公式,地裂缝场地地表最大沉降量与地下水位下降深度近似呈线性关系。

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