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
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