10.遑遑三十載：關西國際機場持續30年的地基沉降（二）

來自專欄岩土沿途Geotech

到了這，一顆顆懸著的心都已放了下來——情況還算在可控制的範圍內。然而，就在大家準備彈冠相慶的時候（我杜撰的），情況似乎並沒有那麼樂觀。

接下來，大家陷入了各執一詞的狀態…….

那就是洪積層的沉降，大大超出了預期計算值。

如前所述，洪積層的計算深度為洪積上層的層底（Ma3），厚度約140m。根據之前討論出來的工況進行計算，此層在開港時（1994年，5年後）的沉降應為0.5m。

但現在，僅僅2年半的時間，洪積層的沉降已經超過了2m，為預測值的10倍（2年半的沉降預測值約為0.2m）！

到底是哪裡出了問題？

大家都知道，由於地質條件、施工工藝的複雜性，通常簡化模型的計算結果，會與真實結果有一定的誤差，這個是無可厚非的事實。但這次的結果也太離譜了！這不簡單一句誤差所能搪塞過去的。肯定是之前的計算模型哪裡出現了錯誤。

於是，6個不同的工況參數又被拿了出來重新進行檢視。

（1）計算深度

之前的地質結果顯示，洪積下層已呈現出明顯的超固結特性，且埋深較大（160m深度以下），大家都一致認為此層產生的沉降已經小到可以忽略。所以，計算深度僅到洪積上層的層底（-160m）即終止。

然而，調查工區的土中應力監測結果顯示，事情並沒有那麼簡單。

在上圖可以看出，在揚土階段（揚土階段是回填的最後一個階段，此時回填面已達到最終設計地面）完成後，-160m~ -200m範圍土體的應力已經超過了其自身的先期固結壓力pc』。這意味著，之前的計算深度僅到-160m的考慮是欠妥的，即使在-200m的深度（也許更深），土中的總應力都可能要超過了先期固結壓力。

一旦超過了先期固結壓力，在同樣的應力增量情況下，產生的沉降量可能是再回彈段的5倍。

這是第一個失誤：計算深度不足。在大面積堆載下，深層土體壓縮的影響也不能忽略。人工島的面積超過500ha，假設回填土在海床產生的附加應力為400 kPa，即使到了400m深的地下，附加應力也僅僅減少了10%而已。

經討論後，模型的計算深度放寬至-200 m。在-200m 以下，則根據室內壓縮試驗結果，按彈性變形進行計算。同時，夾在洪積層之間的砂層（Ds1 ~ Ds10），也根據SPT結果，對其產生彈性變形進行了計算。最終，第一次調整後增加的變形量為50cm。

喲西！這果然……還是差了不少呢。

看來，計算深度不足只是部分的原因。還需要繼續探索。

（2）先期固結壓力

在之前的計算中，考慮到室內試驗的誤差，所以部分土層採用了與pc』相差一個標準差的取值pc,sigma』。

我們再重新來看看調查工區的土應力與先期固結壓力的關係。在圖中，多出來的這一個標準差值，我用紅框框了起來。

可以看出，這一個標準差造成的影響其實十分大。特別是對於-160m~-200m的範圍，若按pc』值來考慮，那麼這個範圍的土體應力其實已經超越了前期固結壓力，開始進行正常的主固結沉降了。

而在最初的計算中，自-50m往下土層的先期固結壓力值都進行了修正。

（有時候，修正也不總是向著正確的方向發展）

這是第二個失誤：對先期固結壓力的修正不當。直接導致了部分土層的壓縮按再回彈量進行計算，低估了其壓縮量。現在，我們重新按pc』計算，進行第二次修正。

經過此次修正後，結果又接近了一點，但還不盡如人意。與真實結果差了約80cm。

大家可以留意一下各次修正後的曲線。雖然數值通過持續的修正，不斷向真實值靠近，但其實與真實曲線始終保持著一個明顯的差別：沉降速率。

無論怎麼調整，真實曲線的沉降發展速率始終明顯快於計算曲線。這意味著，在真實情況中，洪積層的壓縮速率要比計算模型更快。

聰明的讀者看到這裡，可能已經知道問題所在。沒錯，進一步推理，可知這意味著洪積層擁有更好的排水條件，所以才會產生更快的壓縮。

下一步需要修正的就是排水條件。

（3）排水條件

在最初的計算中，根據砂層的厚度大小，設置了3種不同的工況進行計算，最終選擇了排水條件②（4層排水層）。按現在的情況，可能③才是最接近真實情況的排水條件。甚至，之前沒有參與計算的三個小的砂夾層（Ds2，Ds4，Ds7）也可能起到了排水的作用。經過分析討論後，設計最終選擇了一個全新的排水條件進行計算：10層砂層均考慮為完整連續的砂層，完全起排水的作用。

這個不知道是否應算作失誤。畢竟新建的機場人工島面積巨大，光憑几十個鑽孔，誰也很難判斷砂層是否為連續分布的。若不是連續分布，那該層所起到的排水作用，就很難作考慮了。

第三次修正後，計算沉降曲線無論從數值還是斜率，都與真實曲線十分接近。

接下來，就是等待正式工程的驗證了。

五 繼續動工咯

在經歷了調查工區出現意想不到的沉降後，整個沉降計算模型都進行了修正，各個區域新的沉降值也重新進行了計算。

大面積的回填也拉開帷幕。

至1994年，一期人工島正式開港。調查工區的沉降也一直持續監測到了現在。

嗯，看起來吻合結果十分完美。從此，王子和公主就這樣幸福快樂地生活下去。

雖然結果看起來很美好，但出於工程的嚴謹性，日本關西機場管理處還是每年年底對沉降進行了持續觀測。我們可以看看截止至2016年底時的沉降發展如何。

又一次讓人失望了。

沉降曲線並沒有如期進入平緩發展階段。相反，它自第2年開始就保持著一定的速率發展。而第2年，也正是大面積回填結束的日子。

調查工區的回填總共分了三個階段進行，在接近第2年時，回填已經結束。這說明，自回填結束起，截止2016年底，土層一直處於主固結階段沉降，絲毫沒有進入次固結階段的意思。

事實上，這仍然是砂層排水條件惹的禍。在1995年底，利用埋設的孔壓計，對Ds3砂層的超孔壓進行了測量。

可以看到，即使在回填結束2年後，一期人工島內的殘留的超孔壓仍然不少於最初的40%。

這就是預測再一次失效的關鍵所在。10個砂層完全排水的設定過於冒進了。

砂層的連續性無法完全判明。在圖中可以看出，在與一起人工島同樣距離的情況下，中部區域的超孔壓還剩93kPa，東北區域的僅為4kPa。中部位置處很可能出現了砂層的斷層。這使得本應在開港時就完成的大部分主固結沉降，直至今天可能仍在發展。

似乎這是個無解的難題。地質情況的複雜性，你永遠沒辦法完全掌握。

六 再次出發

儘管結果讓人沮喪，但生活還需繼續。

在1999年，二期人工島的建設也提上了日程。所以，這個難題再次浮出了水面，到底能否較準確地預測沉降？

幸運的是，20年過去，隨著科技的發展，人類探測大自然的技術方法也有了新的進步。很多以前僅出現在科學研究上的技術，在實際中得到了應用。

在二期人工島建設之初，地震波反射法就被應用於探測地層分布。砂層的連續性也通過砂-土界面的反射波被探測出來（圖中紅框）。

通過探測，一個完整的三維地層模型被構建了出來。

可以看到，Ds3、Ds4、Ds5這三個砂層並不形成完整的連續性。

1999年二期人工島開始了地基加固施工。與一期人工島類似，依然是採用砂樁加固表層的沖積層。

2001年底，人工島內的回填正式開始了。至2007年底，回填基本完成。

在2008年底，二期島的沉降實測值與計算值進行了比對。

結果是出乎意料地吻合！

與其說是巧合，其實更應該歸功於在設計時的精細化操作。

（1）如前所述，根據地震波反射法的結果重新修改土層分布，建立出三維地質模型進行計算，使土層模型更接近真實分布；

（2）在一期島建設時，地層總共劃分出了11個粘土層（Ma13~Ma3）。在二期島的建設時，在11個粘土層的基礎上，根據每個粘土層大量的室內壓縮試驗，每個層又再細分成3~6個壓層。也就是說，粘土層的參與計算層數變成了30~60層，使壓縮計算結果細化；

（3）對於10個砂層，根據一期島的孔壓監測情況，重新對各個砂層的滲透係數進行了修正。

通過這些數據入庫，在放到不同的區域進行計算，最後得出各個區域的沉降預測曲線。這套處理流程，有點類似於今天國內正火熱的BIM項目管理。

後 記

關西國際機場的沉降仍在繼續。

通過這個事例，有以下兩點想與大家分享：

（1）在地基沉降的設計中，計算深度、土體壓縮特性、排水條件這三項至關重要。多數情況下，大部分的設計失誤都與這三項有關。（思考題：國內《建築地基基礎設計規範》中計算深度取附加應力為自重應力20%處，在這個案例中是否適用？）

（2）凡事都是有個認識過程，發展過程。Everything happens for a reason.若我們平時在岩土工程設計時，在將計算誤差推諉給地質條件複雜之前，多思考，多探索，雖不能完全消除誤差，但總能更加接近真實。

本文已結束，謝謝觀看！請期待下一期全新文章「Inversion to Diversion：岩土工程的反問題」

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