接:遑遑三十载:关西国际机场持续30年的地基沉降(一)
那就是洪积层的沉降,大大超出了预期计算值。
洪积层的沉降值对比
如前所述,洪积层的计算深度为洪积上层的层底(Ma3),厚度约140m。根据之前讨论出来的工况进行计算,此层在开港时(1994年,5年后)的沉降应为0.5m。
但现在,仅仅2年半的时间,洪积层的沉降已经超过了2m,为预测值的10倍(2年半的沉降预测值约为0.2m)!
到底是哪里出了问题?
大家都知道,由于地质条件、施工工艺的复杂性,通常简化模型的计算结果,会与真实结果有一定的误差,这个是无可厚非的事实。但这次的结果也太离谱了!这不简单一句误差所能搪塞过去的。肯定是之前的计算模型哪里出现了错误。
于是,6个不同的工况参数又被拿了出来重新进行检视。
(1)计算深度
之前的地质结果显示,洪积下层已呈现出明显的超固结特性,且埋深较大(160m深度以下),大家都一致认为此层产生的沉降已经小到可以忽略。所以,计算深度仅到洪积上层的层底(-160m)即终止。
然而,调查工区的土中应力监测结果显示,事情并没有那么简单。
调查工区的回填工序安排
调查工区的土应力与先期固结压力的关系
在上图可以看出,在扬土阶段(扬土阶段是回填的最后一个阶段,此时回填面已达到最终设计地面)完成后,-160m~ -200m范围土体的应力已经超过了其自身的先期固结压力pc’。这意味着,之前的计算深度仅到-160m的考虑是欠妥的,即使在-200m的深度(也许更深),土中的总应力都可能要超过了先期固结压力。
一旦超过了先期固结压力,在同样的应力增量情况下,产生的沉降量可能是再回弹段的5倍。
这是第一个失误:计算深度不足。在大面积堆载下,深层土体压缩的影响也不能忽略。人工岛的面积超过500ha,假设回填土在海床产生的附加应力为400 kPa,即使到了400m深的地下,附加应力也仅仅减少了10%而已。
经讨论后,模型的计算深度放宽至-200 m。在-200m 以下,则根据室内压缩试验结果,按弹性变形进行计算。同时,夹在洪积层之间的砂层(Ds1 ~ Ds10),也根据SPT结果,对其产生弹性变形进行了计算。最终,第一次调整后增加的变形量为50cm。
第一次修正后的结果
哟西!这果然……还是差了不少呢。
看来,计算深度不足只是部分的原因。还需要继续探索。
(2)先期固结压力
在之前的计算中,考虑到室内试验的误差,所以部分土层采用了与pc’相差一个标准差的取值pc,sigma’。
我们再重新来看看调查工区的土应力与先期固结压力的关系。在图中,多出来的这一个标准差值,我用红框框了起来。
pc’与pc,sigma’的关系
可以看出,这一个标准差造成的影响其实十分大。特别是对于-160m~-200m的范围,若按pc’值来考虑,那么这个范围的土体应力其实已经超越了前期固结压力,开始进行正常的主固结沉降了。
而在最初的计算中,自-50m往下土层的先期固结压力值都进行了修正。
(有时候,修正也不总是向着正确的方向发展)
这是第二个失误:对先期固结压力的修正不当。直接导致了部分土层的压缩按再回弹量进行计算,低估了其压缩量。现在,我们重新按pc’计算,进行第二次修正。
第二次修正后的结果
经过此次修正后,结果又接近了一点,但还不尽如人意。与真实结果差了约80cm。
大家可以留意一下各次修正后的曲线。虽然数值通过持续的修正,不断向真实值靠近,但其实与真实曲线始终保持着一个明显的差别:沉降速率。
无论怎么调整,真实曲线的沉降发展速率始终明显快于计算曲线。这意味着,在真实情况中,洪积层的压缩速率要比计算模型更快。
聪明的读者看到这里,可能已经知道问题所在。没错,进一步推理,可知这意味着洪积层拥有更好的排水条件,所以才会产生更快的压缩。
下一步需要修正的就是排水条件。
(3)排水条件
在最初的计算中,根据砂层的厚度大小,设置了3种不同的工况进行计算,最终选择了排水条件②(4层排水层)。按现在的情况,可能③才是最接近真实情况的排水条件。甚至,之前没有参与计算的三个小的砂夹层(Ds2,Ds4,Ds7)也可能起到了排水的作用。经过分析讨论后,设计最终选择了一个全新的排水条件进行计算:10层砂层均考虑为完整连续的砂层,完全起排水的作用。
这个不知道是否应算作失误。毕竟新建的机场人工岛面积巨大,光凭几十个钻孔,谁也很难判断砂层是否为连续分布的。若不是连续分布,那该层所起到的排水作用,就很难作考虑了。
10层砂层全部作为排水层考虑
第三次修正后的结果
第三次修正后,计算沉降曲线无论从数值还是斜率,都与真实曲线十分接近。
接下来,就是等待正式工程的验证了。
五 继续动工咯
在经历了调查工区出现意想不到的沉降后,整个沉降计算模型都进行了修正,各个区域新的沉降值也重新进行了计算。
大面积的回填也拉开帷幕。
调查工区左侧的区域陆续填出水面
回填施工过程
至1994年,一期人工岛正式开港。调查工区的沉降也一直持续监测到了现在。
开港时的实测沉降与计算值对比
嗯,看起来吻合结果十分完美。从此,王子和公主就这样幸福快乐地生活下去。
虽然结果看起来很美好,但出于工程的严谨性,日本关西机场管理处还是每年年底对沉降进行了持续观测。我们可以看看截止至2016年底时的沉降发展如何。
截止16年底的沉降实测值(调查工区)
又一次让人失望了。
沉降曲线并没有如期进入平缓发展阶段。相反,它自第2年开始就保持着一定的速率发展。而第2年,也正是大面积回填结束的日子。
回填时间与沉降的关系
调查工区的回填总共分了三个阶段进行,在接近第2年时,回填已经结束。这说明,自回填结束起,截止2016年底,土层一直处于主固结阶段沉降,丝毫没有进入次固结阶段的意思。
事实上,这仍然是砂层排水条件惹的祸。在1995年底,利用埋设的孔压计,对Ds3砂层的超孔压进行了测量。
Ds3砂层的超孔压分布
可以看到,即使在回填结束2年后,一期人工岛内的残留的超孔压仍然不少于最初的40%。
这就是预测再一次失效的关键所在。10个砂层完全排水的设定过于冒进了。
砂层的连续性无法完全判明。在图中可以看出,在与一起人工岛同样距离的情况下,中部区域的超孔压还剩93kPa,东北区域的仅为4kPa。中部位置处很可能出现了砂层的断层。这使得本应在开港时就完成的大部分主固结沉降,直至今天可能仍在发展。
似乎这是个无解的难题。地质情况的复杂性,你永远没办法完全掌握。
六 再次出发
尽管结果让人沮丧,但生活还需继续。
在1999年,二期人工岛的建设也提上了日程。所以,这个难题再次浮出了水面,到底能否较准确地预测沉降?
幸运的是,20年过去,随着科技的发展,人类探测大自然的技术方法也有了新的进步。很多以前仅出现在科学研究上的技术,在实际中得到了应用。
在二期人工岛建设之初,地震波反射法就被应用于探测地层分布。砂层的连续性也通过砂-土界面的反射波被探测出来(图中红框)。
地震波反射法应用于地层探测
通过探测,一个完整的三维地层模型被构建了出来。
三维地质模型
可以看到,Ds3、Ds4、Ds5这三个砂层并不形成完整的连续性。
1999年二期人工岛开始了地基加固施工。与一期人工岛类似,依然是采用砂桩加固表层的冲积层。
二期人工岛进行地基加固
2001年底,人工岛内的回填正式开始了。至2007年底,回填基本完成。
准备进行上部设施建设的二期人工岛
在2008年底,二期岛的沉降实测值与计算值进行了比对。
二期人工岛沉降实测值与计算值比对
结果是出乎意料地吻合!
与其说是巧合,其实更应该归功于在设计时的精细化操作。
(1)如前所述,根据地震波反射法的结果重新修改土层分布,建立出三维地质模型进行计算,使土层模型更接近真实分布;
(2)在一期岛建设时,地层总共划分出了11个粘土层(Ma13~Ma3)。在二期岛的建设时,在11个粘土层的基础上,根据每个粘土层大量的室内压缩试验,每个层又再细分成3~6个压层。也就是说,粘土层的参与计算层数变成了30~60层,使压缩计算结果细化;
根据室内压缩试验及含水率划分压粘土层
(3)对于10个砂层,根据一期岛的孔压监测情况,重新对各个砂层的渗透系数进行了修正。
砂层渗透特性参数的修正
通过这些数据入库,在放到不同的区域进行计算,最后得出各个区域的沉降预测曲线。这套处理流程,有点类似于今天国内正火热的BIM项目管理。
后 记
关西国际机场的沉降仍在继续。
通过这个事例,有以下两点想与大家分享:
(1)在地基沉降的设计中,计算深度、土体压缩特性、排水条件这三项至关重要。多数情况下,大部分的设计失误都与这三项有关。(思考题:国内《建筑地基基础设计规范》中计算深度取附加应力为自重应力20%处,在这个案例中是否适用?)
(2)凡事都是有个认识过程,发展过程。若我们平时在岩土工程设计时,在将计算误差推诿给地质条件复杂之前,多思考,多探索,虽不能完全消除误差,但总能更加接近真实。
文章来源于岩土沿途Geotech
版权归原作者所有